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一種用于研究磁流體折射率與溫度和磁場(chǎng)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于研究磁流體折射率與溫度和磁場(chǎng)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置，包括：激光光源1、光纖耦合器2、光纖環(huán)形器3和4、光電探測(cè)器5和6、基準(zhǔn)探頭9、傳感探頭10及其光纖鏈路17、除法運(yùn)算電路7、計(jì)算機(jī)8及其連接導(dǎo)線18和溫度與磁場(chǎng)可控實(shí)驗(yàn)裝置16。其特點(diǎn)是：基準(zhǔn)探頭9和傳感探頭10是由單模光纖11分別插入填充有去離子水13和磁流體14的毛細(xì)管12中后由UV膠15密封構(gòu)成。溫度與磁場(chǎng)可控實(shí)驗(yàn)裝置16用于產(chǎn)生不同的溫度和磁場(chǎng)，在不同的溫度和磁場(chǎng)下，磁流體的折射率不同，通過光電探測(cè)器5和6檢測(cè)到反射回來的光強(qiáng)變化，實(shí)現(xiàn)磁流體折射率與溫度和磁場(chǎng)關(guān)系的研究。
【專利說明】一種用于研究磁流體折射率與溫度和磁場(chǎng)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于研究磁流體折射率與溫度和磁場(chǎng)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置，屬于敏感材料與傳感器技術(shù)研究領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]磁流體是磁性微粒借助表面活性劑均勻地彌散在基液中而形成的穩(wěn)定膠體體系。它兼具固體的磁性和液體的流動(dòng)性，作為一種新型的功能材料，磁流體有很多獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，如可調(diào)諧折射率特性、雙折射效應(yīng)、熱透鏡效應(yīng)等等。近年來，隨著光纖傳感領(lǐng)域的飛速發(fā)展，基于磁流體折射率可調(diào)諧特性的光纖器件層出不窮，因此研究磁流體的折射率與溫度和磁場(chǎng)的關(guān)系有助于推動(dòng)磁流體在光學(xué)傳感領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。
[0003]現(xiàn)有文獻(xiàn)中對(duì)于磁流體折射率測(cè)量方法的研究并不多，Yang等人在2002年首次提出了全反射的方法來測(cè)量磁流體的折射率(Yang S Y，Chen Y F，Horng H E, et al.“Magnetically-modulated refractive index of magnetic fluid films, ” Appliedphysics letters, 2002, 81(26): 4931-4933.)。該文章證明了磁流體薄膜的折射率可受外磁場(chǎng)調(diào)制。其不足在于:全反射的方法需要一個(gè)折射率大于磁流體的棱鏡去構(gòu)建全反射光路，且對(duì)于光路的調(diào)節(jié)十分嚴(yán)格，實(shí)驗(yàn)中難以保證很高的精度和重復(fù)性。2005年，卜勝利提出了一種基于光纖端面后向反射的方法來測(cè)量磁流體折射率(Pu S，Chen X，Chen Y， et al.“Measurement of the refractive index of a magnetic fluid by theretroreflection on the fiber-optic end face, ” Applied Physics Letters, 2005,86(17): 171184-171184-3.)。該方法與全反射方法相比，改進(jìn)之處在于:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且不涉及光路調(diào)節(jié)。其不足在于:將光纖插入裝有大量磁流體的燒杯中，容易造成磁流體的污染和浪費(fèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的不足之處，提出了一種用于研究磁流體折射率與溫度和磁場(chǎng)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置，能分別測(cè)得當(dāng)溫度場(chǎng)和磁場(chǎng)作用于磁流體時(shí)其折射率的變化特性，該特性為磁流體與光纖器件的結(jié)合提供理論依據(jù)。
[0005]在本發(fā)明是一種用于研究磁流體折射率與溫度和磁場(chǎng)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置，包括:激光光源1、光纖耦合器2、光纖環(huán)形器3和4、光電探測(cè)器5和6、基準(zhǔn)探頭9、傳感探頭10及其光纖鏈路17、除法運(yùn)算電路7、計(jì)算機(jī)8及其連接導(dǎo)線18和溫度與磁場(chǎng)可控實(shí)驗(yàn)裝置16，其特征是:激光光源I發(fā)出的光經(jīng)過一個(gè)3dB光纖稱合器2,將光分成強(qiáng)度比為50:50的兩束，一束光通過光纖環(huán)形器3進(jìn)入傳感探頭10，另一束光經(jīng)過光纖環(huán)形器4進(jìn)入基準(zhǔn)探頭9，經(jīng)過兩個(gè)探頭反射后的光強(qiáng)信號(hào)分別由光電探測(cè)器5和6接收，經(jīng)過除法運(yùn)算電路7后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)8處理。在不同的溫度和磁場(chǎng)下，磁流體的折射率不同，光電探測(cè)器能檢測(cè)到反射回來的光強(qiáng)變化，進(jìn)而能用于研究溫度和磁場(chǎng)對(duì)磁流體折射率特性的影響。
[0006]本發(fā)明所述的光源采用功率恒定的中心波長(zhǎng)為1550nm的激光光源。[0007]在本發(fā)明所述的基準(zhǔn)探頭9和傳感探頭10是將單模光纖11分別插入填充了去離子水13和磁流體14的毛細(xì)管12中后兩端由UV膠15密封構(gòu)成的反射式探頭。其中，單模光纖包層直徑為125 Fn,毛細(xì)管內(nèi)徑為128 。
[0008]本發(fā)明所述的溫度和磁場(chǎng)可控實(shí)驗(yàn)裝置16，其特征在于:當(dāng)溫度與磁場(chǎng)可控實(shí)驗(yàn)裝置16在用于研究磁流體折射率與溫度的關(guān)系時(shí)，使用裝置為溫控箱19 ;在用于研究磁流體折射率與磁場(chǎng)的關(guān)系時(shí)，使用裝置為可編程電源20、液冷恒溫均勻磁場(chǎng)發(fā)生單元21、液冷循環(huán)散熱單元22、高斯計(jì)23及溫控箱19?？删幊屉娫?0和液冷恒溫均勻磁場(chǎng)發(fā)生單元21之間是通過電纜連接，液冷恒溫均勻磁場(chǎng)發(fā)生單元21和液冷循環(huán)散熱單元22之間是通過水管連接。液冷恒溫均勻磁場(chǎng)發(fā)生單元21能夠長(zhǎng)時(shí)間提供穩(wěn)定的磁場(chǎng)，溫控箱19用于保持環(huán)境溫度不變。通過調(diào)節(jié)傳感探頭10和液冷恒溫均勻磁場(chǎng)發(fā)生單元21的相對(duì)位置，可以產(chǎn)生平行于傳感探頭光路方向的磁場(chǎng)或者垂直于傳感探頭光路方向的磁場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)研究不同的磁場(chǎng)方向和磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磁流體折射率特性的影響。
[0009]本發(fā)明所述的溫度與磁場(chǎng)可控實(shí)驗(yàn)裝置16，其特征在于:所述的液冷恒溫均勻磁場(chǎng)發(fā)生單元21中的線圈采用耐高溫(117°C)的漆包線，內(nèi)徑1.4mm，長(zhǎng)度為60mm，匝數(shù)為750匝。在可編程電源20的控制下產(chǎn)生均勻變化的穩(wěn)定磁場(chǎng)，并且由高斯計(jì)23測(cè)量實(shí)際的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
[0010]本發(fā)明具有如下特點(diǎn):①儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)新穎、成本較低。②將單模光纖插入填充磁流體的毛細(xì)管內(nèi)密封，構(gòu)成獨(dú)立的反射式傳感探頭，可有效避免磁流體的污染，也增強(qiáng)了光路的穩(wěn)定性。③采用差分式的測(cè)量結(jié)構(gòu)，能有效消除光路中的本征損耗。④設(shè)計(jì)的液冷恒溫均勻磁場(chǎng)發(fā)生單元能夠長(zhǎng)時(shí)間提供穩(wěn)定的磁場(chǎng)，且不對(duì)周圍環(huán)境的溫度產(chǎn)生太大的影響。⑤能夠提供兩種方向的磁場(chǎng)，一種為磁場(chǎng)方向平行于傳感探頭光路方向，另外一種為磁場(chǎng)方向垂直于傳感探頭光路方向。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明溫度和磁場(chǎng)可控實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；
圖3為本發(fā)明中外加的平行和垂直磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)測(cè)出的磁流體折射率與溫度關(guān)系圖；
圖5為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)測(cè)出的磁流體折射率與磁場(chǎng)強(qiáng)度(平行)關(guān)系圖；
圖6為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)測(cè)出的磁流體折射率與磁場(chǎng)強(qiáng)度(垂直)關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明。
[0013]本發(fā)明為一種用于研究磁流體折射率與溫度和磁場(chǎng)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所不，穩(wěn)定的激光光源發(fā)出的光經(jīng)過一個(gè)3dB f禹合器,將光分成強(qiáng)度比為50:50的兩束。一束光通過光纖環(huán)形器進(jìn)入傳感探頭，另一束光經(jīng)過光纖環(huán)形器進(jìn)入基準(zhǔn)探頭，經(jīng)過兩個(gè)探頭反射后的光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)過光纖鏈路進(jìn)入光電探測(cè)器，最后信號(hào)經(jīng)過除法運(yùn)算后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。
[0014]對(duì)于本發(fā)明所述的傳感探頭，其中磁流體樣品是通過毛細(xì)作用填充進(jìn)內(nèi)徑為128 毛細(xì)管，然后借助六維調(diào)整架和光學(xué)顯微鏡將包層直徑為125 的單模光纖插入到填充了磁流體的毛細(xì)管中，最后兩端由UV膠密封后構(gòu)成反射式的傳感探頭。
[0015]本發(fā)明中所述的溫度與磁場(chǎng)可控實(shí)驗(yàn)裝置16，如圖2所示，將兩個(gè)線圈同軸放置并通以同向電流，通過可編程電源20控制線圈內(nèi)部的電流大小，液冷循環(huán)散熱單元22和液冷恒溫均勻磁場(chǎng)發(fā)生單元21之間是通過水管連接，水管內(nèi)部通有水冷液以保持線圈附近的環(huán)境溫度恒定。高斯計(jì)23置于傳感探頭附近用來測(cè)量實(shí)際磁場(chǎng)的大小。其中液冷的恒溫均勻磁場(chǎng)發(fā)生單元21和高斯計(jì)23整體放在溫控箱19中。在研究磁流體折射率的溫度特性時(shí)，液冷恒溫均勻磁場(chǎng)發(fā)生單元21不工作；在研究磁流體折射率的磁場(chǎng)特性時(shí)，溫控箱用來控制溫度恒定為20°C，以消除溫度對(duì)磁流體折射率的影響。
[0016]如圖3所示，通過調(diào)節(jié)傳感探頭10和液冷恒溫均勻磁場(chǎng)發(fā)生單元21的相對(duì)位置，可以產(chǎn)生平行于傳感探頭光路或者垂直于傳感探頭光路的磁場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)研究不同的磁場(chǎng)方向下磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磁流體折射率特性的影響。
[0017]所述的用于研究磁流體折射率與溫度和磁場(chǎng)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置是基于菲涅爾反射原理設(shè)計(jì)的，兩路光電探測(cè)器接收到的光強(qiáng)可以表示為:
【權(quán)利要求】
1.一種用于研究磁流體折射率與溫度和磁場(chǎng)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置，包括:激光光源1、光纖耦合器2、光纖環(huán)形器3和4、光電探測(cè)器5和6、基準(zhǔn)探頭9、傳感探頭10及其光纖鏈路17、除法運(yùn)算電路7、計(jì)算機(jī)8及其連接導(dǎo)線18和溫度與磁場(chǎng)可控實(shí)驗(yàn)裝置16，其特征是:激光光源I發(fā)出的光經(jīng)過一個(gè)3dB光纖稱合器2,將光分成強(qiáng)度比為50:50的兩束,一束光通過光纖環(huán)形器3進(jìn)入傳感探頭10，另一束光經(jīng)過光纖環(huán)形器4進(jìn)入基準(zhǔn)探頭9，經(jīng)過兩個(gè)探頭反射后的光強(qiáng)信號(hào)分別由光電探測(cè)器5和6接收，經(jīng)過除法運(yùn)算電路7后由計(jì)算機(jī)8采集處理。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種用于研究磁流體折射率與溫度和磁場(chǎng)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:所述的激光光源I采用功率恒定、中心波長(zhǎng)為1550nm的光源。
3.按照權(quán)利要求1所述的一種用于研究磁流體折射率與溫度和磁場(chǎng)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:所述的基準(zhǔn)探頭9和傳感探頭10是將單模光纖11分別插入填充了去離子水13和磁流體14的毛細(xì)管12中后毛細(xì)管的兩端由UV膠15密封構(gòu)成。
4.按照權(quán)利要求3所述的基準(zhǔn)探頭9和傳感探頭10，其特征在于:所述的單模光纖包層直徑為12。毛細(xì)管的內(nèi)徑為128 磁流體14的材料為水基Fe3O4，體積濃度為1.8%。
5.按照權(quán)利要求1所述的一種用于研究磁流體折射率與溫度和磁場(chǎng)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:所述的溫度與磁場(chǎng)可控實(shí)驗(yàn)裝置16在用于研究磁流體折射率與溫度的關(guān)系時(shí)，使用裝置為溫控箱19 ;在用于研究磁流體折射率與磁場(chǎng)的關(guān)系時(shí)，使用裝置為可編程電源20、液冷恒溫均勻磁場(chǎng)發(fā)生單元21、液冷循環(huán)散熱單元22、高斯計(jì)23及溫控箱19。
6.按照權(quán)利要求5所述的溫度與磁場(chǎng)可控實(shí)驗(yàn)裝置16，其特征在于:研究磁流體折射率與溫度的關(guān)系時(shí)，溫控箱19用來控制溫度在(TC _70°C范圍內(nèi)變化；研究磁流體折射率與磁場(chǎng)的關(guān)系時(shí)，可編程電源20和液冷恒溫均勻磁場(chǎng)發(fā)生單元21之間是通過電纜連接，液冷恒溫均勻磁場(chǎng)發(fā)生單元21和液冷循環(huán)散熱單元22之間是通過水管連接，液冷恒溫均勻磁場(chǎng)發(fā)生單元21能夠長(zhǎng)時(shí)間提供穩(wěn)定的磁場(chǎng)，溫控箱19用于保持環(huán)境溫度不變，通過調(diào)節(jié)傳感探頭10和液冷恒溫均勻磁場(chǎng)發(fā)生單元的相對(duì)位置，可以產(chǎn)生平行于傳感探頭光路方向的磁場(chǎng)和者垂直于傳感探頭光路方向的磁場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)研究不同的磁場(chǎng)方向和磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磁流體折射率特性的影響。
7.按照權(quán)利要求5所述的溫度與磁場(chǎng)可控實(shí)驗(yàn)裝置16，其特征在于:所述的液冷恒溫均勻磁場(chǎng)發(fā)生單元21中的線圈采用耐高溫(117°C)的漆包線，內(nèi)徑1.4_，長(zhǎng)度為60_，膽數(shù)為750匝，在可編程電源20的控制下產(chǎn)生均勻變化的穩(wěn)定磁場(chǎng)，并且由高斯計(jì)23測(cè)量實(shí)際的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
【文檔編號(hào)】G01N21/41GK103674893SQ201310726469
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月25日
【發(fā)明者】趙勇, 吳迪 申請(qǐng)人:東北大學(xué)