光纖磁場傳感器研究進展與發展趨勢

[摘要] 磁場傳感器在資源勘探、工業生產及地磁檢測等多個領域有著廣泛的應用。傳統電類磁場傳感器穩定性好，但存在易受化學腐蝕、成本高、體積大，以及抗干擾能力差等缺點；相比之下，光纖磁場傳感器具有結構緊湊、高精度、體積小和抗電磁干擾能力強等優點。現有的光纖磁場傳感器根據基本原理主要包括以下4類：基于磁致伸縮材料、基于磁流體材料、基于法拉第效應、基于光纖激光器。特別是基于磁致伸縮效應的光纖磁場傳感器，在制造工藝和應用方面具有更多優勢。本文介紹了用于磁場測量的光纖傳感技術的發展，分析了4種不同類型傳感器的原理、優缺點及研究現狀。同時，還介紹了光纖磁場傳感器在地磁監測方面的應用。最后，分析了光纖磁場傳感器面臨的挑戰和未來發展趨勢。

[關鍵詞] 光纖傳感器; 磁場測量; 磁致伸縮材料; 磁流體

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2024-082

基金項目： 地震動力學國家重點實驗室開放基金項目（LED2024B11）資助。

0 引言

光纖磁場傳感器因其抗電磁干擾、高靈敏度、小型化等諸多優點在眾多領域發揮著至關重要的作用[1-3]。光纖磁場傳感器主要分為功率型和非功率型兩大類。功率型傳感器中，光纖承擔感測任務，其性質會隨磁場的變化而變化，通過這種方式可以測定磁場強度。而非功率型傳感器則使用光纖作為傳遞光信號的介質，并結合其他能夠響應磁場的元件來感應磁場的變化。根據不同的感應機制，光纖磁場傳感器可以進一步分為磁致伸縮型、磁流體型、法拉第型和洛倫茲力型4種[4]。

光纖傳感器相比傳統傳感器，具有抗電磁干擾、耐腐蝕、體積小、靈敏度高、響應速度快等優點。但光纖傳感器成本較高，且對安裝環境要求較為嚴格。傳統傳感器則具有成本低、易于安裝和維護等優點，但在惡劣環境下其性能可能會受到影響。光纖傳感器適用于需要高靈敏度、高精度、抗電磁干擾、耐腐蝕的測量環境。它們特別適合于極端環境下的參數監測，如溫度、壓力、濕度和振動等，以及在醫藥、航空航天、石油化工、電力系統、結構健康監測和國家安全等領域的應用。

本文針對基于磁致伸縮材料的光纖磁場傳感器、基于磁流體的光纖磁場傳感器、基于法拉第效應的光纖磁場傳感器和基于光纖激光器的光纖磁場傳感器的研究現狀和進展進行闡述，并對光纖磁場傳感器在地磁監測方面的發展以及應用進行了討論。本文旨在探討和總結光纖磁場傳感技術，為地磁監測領域的專家學者和技術人員提供有價值的參考，并進一步推動該技術在地磁監測領域的廣泛應用。

1 基于磁致伸縮材料的光纖磁場傳感器

基于磁致伸縮效應的磁場傳感器的主要傳感元件是磁致伸縮材料。磁致伸縮材料在被磁化時，會導致磁致伸縮材料的體積或長度發生變化，這種現象被稱為磁致伸縮效應[5-6]。這種現象是焦耳在1842年發現的，因此也被稱為焦耳效應。E. Villari 后來發現，當對磁致伸縮材料施加應力時，其原有的磁致伸縮效應會表現出不同的響應或變化[7]。

磁致伸縮效應可分為兩種形式，即線性磁致伸縮和體積磁致伸縮[8]。當磁場強度小于飽和磁場時，磁致伸縮材料主要發生長度變化，而體積幾乎保持不變，因此稱為線性磁致伸縮效應；當磁場強度大于飽和磁場強度時，磁致伸縮材料主要發生體積變化，而長度基本保持不變，因此稱為體積磁致伸縮效應。線性磁致伸縮又可分為橫向磁致伸縮和縱向磁致伸縮，不同之處在于垂直于磁場方向的長度相對變化的現象稱為橫向磁致伸縮效應，而沿所施加磁場方向的尺寸相對變化現象則稱為縱向磁致伸縮效應。

1.1 光纖光柵型磁致伸縮磁場傳感器

2012 年，Liu等[9]將Terfenol-D顆粒與環氧樹脂混合，形成了一種復合磁致伸縮材料，并將這種材料與光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）結合，制作了一種光纖磁場傳感器。這種傳感器在1.46 T的磁場中展現出了0.68 nm的峰值波長位移，同時具有較小的滯后性。但是這種傳感器的磁場靈敏度相對較低，實驗表明該傳感器的磁場靈敏度為4.68×10?4 nm/mT。

2018 年，Allsop等[10]為了提升磁場靈敏度，將Terfenol-D材料與長周期FBG相結合，開發了一種新型的傳感器。這種新型傳感器的磁場靈敏度達到了0.543 nm/mT，并且能夠在低于0.4 mT的靜態磁場環境中實現±50 μT的探測極限。

2019 年，馬瑞等[11]提出用FBG-FP腔和Terfenol-D材料的磁場傳感器，通過使用磁鐵提供偏置磁場，彈簧提供預應力等方法達到增加磁致伸縮材料應變量的目的，同時采用與Terfenol-D材料有相同熱膨脹系數的非磁性Monel-400材料，通過測量粘貼在Monel-400材料上的FBG來測量溫度變化，達到溫度補償的效果。實驗表明，該傳感器的磁場靈敏度為1.5×10?3 nm/mT，分辨力為670 nT，并具有良好的指向性。

以上對基于磁致伸縮材料的光纖磁場傳感器的工作原理、研究現狀及其性能進行了論述。這些傳感器使用Terfenol-D和不同的光纖結構，實現了不同程度的磁場靈敏度。盡管在磁場測量方面取得了良好的進展，但也存在著相當多的問題，如磁致伸縮材料本身的磁滯現象以及使用UV膠帶來的蠕變現象，這些問題影響了傳感器的使用壽命，限制了傳感器的使用范圍。未來的研究可以探索新的磁致伸縮材料或改進現有材料的配方，以實現更高的靈敏度。使用與磁致伸縮材料熱膨脹系數相同的非磁性材料進行溫度補償是一種有效的方法。未來的研究可以探索更多具有相似特性的材料，以進一步提高溫度補償的效果。

1.2 干涉型磁致伸縮磁場傳感器

2019 年，Shi等[12]提出一種采用超磁致伸縮材料的光纖磁場傳感器，傳感器結構如圖1所示。其工作原理為當傳感器周圍外加磁場后，Terfenol-D隨著外加磁場發生應變，從而帶動光纖軸向伸長。此時，對比傳感光纖和參考光纖中的兩條傳輸光路的相干檢測即可測得光的相移檢測，最后將光信號轉換為電信號來確定磁場強度。由實驗可知，傳感器在施加最佳預應力為4 MPa時，傳感器的磁場靈敏度最大為12 nm/mT。

Fabry-Perot干涉儀是一種反射型的干涉儀，相比于其他類型的光纖干涉儀，它的結構更加簡單，通常由一根光纖和兩個具有高反射率反射鏡組成的F-P腔構成。光束在通過F-P腔時，會在反射鏡之間多次反射形成多光束干涉，最終引起干涉光譜的變化[13]。2015 年，Zhang等[14]使用Terfenol-D材料，研制出一種非本征光纖F-P腔（Extrinsic Fabry-Perot Interferometer，EFPI）光纖磁場傳感器，將兩根切割良好的單模光纖以同軸心的方式粘貼在Terfenol-D板的表面，形成外部光纖法布里-珀羅干涉儀。外加磁場的變化會導致Terfenol-D板長度的變化從而引起EFPI腔長的變化。實驗結果表明，傳感器的最大靈敏度可達8.5473 nm/mT。

2022年，Sun等[15]設計了一種新型的高靈敏度傳感器，它結合了巨磁致伸縮材料（Giant Magneostricttive Material，GMM）和F-P結構。這種傳感器的工作原理是，單模光纖插入石英毛細管中以形成F-P腔。石英毛細管的末端被牢固的固定在單模光纖上，而單模光纖本身則分別固定在GMM棒的兩端。這種設計使得單模光纖與石英毛細管之間的相互作用力最小化，從而極大地提高了GMM棒因磁場變化而產生的微小形變轉化為F-P腔長變化的效率。通過實驗驗證，這種傳感器的磁場靈敏度可達18.67 nm/mT。

綜上所述，干涉型光纖磁場傳感器在磁場測量方面具有獨特的優勢，特別是在需要高精度和強抗干擾能力的環境中。但是從成本來說，干涉型光纖磁場傳感器需要精確的光學組件和復雜的信號處理系統，成本較高。從環境變化靈敏來說，溫度、壓力的變化會影響傳感器的精度。從信號處理復雜性來說，干涉型傳感器產生的信號需要復雜的信號處理算法來提取信息。從智能化來說，結合人工智能和機器學習技術，可以提高傳感器的自適應能力和診斷能力。從環境適應性來說，開發更有效的溫度和壓力補償技術，可以提高傳感器在不同環境條件下的穩定性和可靠性。

表1為基于磁致伸縮材料的光纖磁場傳感器的性能比較。

2 基于磁流體的光纖磁場傳感器

磁流體（Magnetic Fluid，MF），也稱為鐵磁流體或磁性液體，是一種特殊的液體，由微小的磁性顆粒均勻懸浮在載液中形成[16]。在光纖磁場傳感器中，磁流體可以作為一種敏感介質，其磁性質使得它能夠對外部磁場的變化做出響應。當磁流體受到磁場作用時，磁性顆粒會沿磁場方向排列，導致磁流體的磁導率發生變化[17]。傳感原理如圖2所示。這種變化可以影響光在磁流體中的傳播特性，例如速度和折射率。

2.1 光纖光柵型磁流體磁場傳感器

2015 年，Wang等[18]研制了一種基于光纖環振蕩光譜技術和蝕刻光纖與MF相互作用的磁場傳感器，如圖3所示。同時考慮光纖磁性可調諧折射率和吸收系數的傳輸特性，顯著提高了傳感器靈敏度和抗干擾能力。在65 mT的磁場作用下，傳感器靈敏度為125.6 nm/mT，分辨力為2.5×106 nT。雖然蝕刻處理提高了傳感器的靈敏度，但它也會在光纖環路上引發相對較大的固有損耗，這會對光纖環振蕩光譜的精度產生負面影響，并損害傳感器的機械穩定性。

2017 年，Zheng等[19]提出將單模光纖接合到石英毛細管（Silica Capillary Tube A，STC-A），然后具有劈裂端面的石英毛細管（Silica Capillary Tube B，STC-B）拼接到SCT-A上以提供反射表面，垂直于SCT-A的中心軸進行聚焦離子束（FIB）銑削，以形成一個通道側孔。該通道側孔允許磁流體滲透到F-P腔中，從而在施加外部磁場時在F-P腔中提供可調折射率調制。實驗結果表明，傳感器的最大靈敏度可達4.187 nm/mT。

2021 年，Zhang等[20]設計了一種矢量光纖磁場傳感器。將磁流體涂覆在傾斜FBG表面，當光纖表面的磁場發生變化時，引起光纖包層內磁性納米顆粒密度和散射空間的各向異性重新分布，進而改變光纖的有效折射率。此時，光纖有效折射率會隨著波長漂移和幅度衰減而調制包層模式共振，通過檢測包層模式的峰間強度，可以精準測量外界磁場。實驗表明，傳感器可以實現0.39 dB/mT的強度靈敏度和0.038 dB/rad的方向靈敏度。

以上這些研究展示了光纖光柵型磁流體磁場傳感器在提高靈敏度等方面的進步。蝕刻處理雖然提高了靈敏度，但也引入了較大的固有損耗，影響精度和機械穩定性，對于引入的損耗可以通過改進蝕刻技術或使用新型抗蝕材料來減少。而聚焦離子束銑削技術具有高精度和多功能性等優點，但也存在成本高、加工速度慢、表面損傷、粗糙化等缺點，在實際應用中需要根據具體需求進行權衡和選擇。

2.2 干涉型磁流體磁場傳感器

2016 年，Li等[21]通過在兩個單模光纖之間拼接一個雙芯光纖，用飛秒激光打通雙芯光纖的一個通道，利用毛細管將磁流體填充到該通道，該通道的光受到磁流體的影響產生相移，從而在合成時發生干涉。實驗結果表明，在0.5～9.5 mT范圍內，傳感器的最大靈敏度可達20.8 nm/mT。

2021 年，Qin等[22]開發了一種結合光纖耦合器干涉儀（Optical Microfiber Coupler Interferometer，OMCI）與磁流體的光纖磁場傳感器。這種傳感器的設計采用了覆蓋有聚二甲基硅氧烷和磁流體的OMCI，通過磁流體的磁性折射率調整來響應磁場變化。實驗表明，在OMC的腰長保持不變的情況下，減小OMC的腰半徑可以提升傳感器的靈敏度，當腰半徑縮小到3.5 μm時，傳感器達到了最高的磁場靈敏度，即0.547 nm/mT。

2022 年，Yu等[23]提出了一種新型高靈敏度光纖磁場傳感器，該傳感器結合了Sagnac干涉儀（Sagnac Interfeometer，SI）和馬赫-曾德爾干涉儀（Mach-Zehnder Interferometer，MZI）來改善溫度補償能力。這種傳感器不僅展現了1.17 nm/mT的高靈敏度，而且在溫度補償方面也表現出優異的性能，同時還具有良好的穩定性和重復性。不過，這種傳感器的測量范圍相對較窄，這是其局限性。

以上這些研究展示了干涉型磁流體磁場傳感器在提高靈敏度、改善溫度補償能力和提升穩定性等方面的進步。飛秒激光在磁場傳感器測量中的應用帶來了高精度和多功能等優點，但也帶來了高成本、維護困難和技術復雜的挑戰。未來可以嘗試利用飛秒激光在單模光纖中精密加工微孔，形成法布里-珀羅干涉儀傳感器，實現對環境參數的測量。也可以集成磁場傳感器與其他類型的傳感器（如溫度、壓力傳感器），實現多物理參數的同時測量。而馬赫-曾德爾干涉儀不僅需要設計溫度補償系統，還需要考慮環境噪聲的影響，以及不同參數變化帶來的交叉干擾。未來可以嘗試使用穩定的光源，如單色儀或窄線寬激光器，以提高干涉儀的測量精度和重復性。也可以設計合適的溫度補償機制，以減少溫度變化對干涉儀性能的影響。

表2為基于磁流體型的光纖磁場傳感器的性能比較。

3 基于法拉第效應的光纖磁場傳感器和光纖激光磁場傳感器

3.1 基于法拉第效應的光纖磁場傳感器

基于法拉第效應的微型光纖激光磁場傳感器是一種利用非旋光性介質（如光纖）中的法拉第效應來檢測磁場的傳感器[24]。法拉第效應是指當線性偏振光通過置于磁場中的介質時，光的偏振面會發生旋轉的現象。這種旋轉的角度與磁場強度、介質長度以及介質本身的法拉第旋轉系數有關[25]。

2007 年，楊泗杰等[26]提出了一種新型的三維光纖磁場傳感器，該傳感器通過在空間直角坐標系上的x，y，z軸上分別放一個傳感器，3個傳感器采用同一個光源，按分光比1∶1∶1分到傳感器上，傳感器如圖4所示。當外界有磁場時，磁場在3個傳感器光的傳播方向的分量使偏振面發生旋轉，通過測量偏振光偏振態的旋轉角度，可以得到磁場的大小和方向。實驗表明，該傳感器分辨力為3.16×10?2 nT。

2014年，韓建磊[27]開發了一種基于法拉第效應的光纖激光磁場傳感器，傳感器如圖5所示。該傳感器使用摻雜鉺離子的光纖制造了一個短腔分布式布拉格反射光纖光柵激光器，該激光器可以產生2個頻率不同的正交偏振光。當置于磁場中時，法拉第效應引起圓偏振雙折射現象，導致偏振光的頻率差隨磁場變化。輸出光通過偏振器后，光電探測器檢測到的頻率差值變化與磁場強度成正比，從而實現對磁場的測量。實驗表明，該光纖磁場傳感器靈敏度的最大值為76.33 nm/mT。

2017 年，Zamani和Ghanaatshoar[28]設計了一種基于薄透射型一維磁光子晶體（Magneto Photonic Crystals，MPCs）的磁光磁場傳感器。傳感器的靈敏度取決于傳感膜的厚度，通過調整MPCs的膜層提高法拉第旋轉角度，MPCs層數越少，傳感器的靈敏度、空間分辨率等性能更佳。經實驗測試，表明引入MPC的磁光磁場傳感器要比單層的BIYIG（具有高法拉第旋轉的石榴石薄膜）的磁光磁場傳感器靈敏度高達11倍，其靈敏度值約為0.057 °/G。

綜上所述，基于法拉第效應的光纖磁場傳感器的發展展示了從基本原理到技術革新的顯著進步。基于法拉第效應的光纖磁場傳感器逐漸實現了與其他傳感器或系統的集成，形成了多功能化的測量系統。這種集成不僅提高了測量的準確性和可靠性，還擴展了光纖磁場傳感器的應用領域。對于法拉第效應的光纖磁場傳感器未來的發展，可以考慮進一步縮小傳感器尺寸，實現更緊湊的系統集成，以適應更多應用場景的需求。開發能夠同時測量磁場、溫度、壓力等多個物理量的傳感器，以提供更全面的測量數據。探索新型材料，如稀土摻雜光纖、光子晶體光纖等，以提高傳感器的性能和測量范圍。

3.2 光纖激光磁場傳感器

光纖激光器的工作原理是基于摻雜光纖的特性。當通過光纖的光能激活摻雜元素時，它們就會發出不同波長的激光，通過波分復用技術將不同波長的光從不同的光通道分離并射入對應的光電轉換器中進行光電轉換，然后利用數據采集平臺對數據進行采集[21]。通過特定的算法還原波長的變化。光纖激光器的優勢在于它的高光束質量和效率，同時還具有結構緊湊、耐用、維護便捷等優點[29]。

2006 年，美國海軍實驗室Cranch等[30]制作了基于安培力效應的光纖激光磁場傳感器，通過將金涂覆的光纖激光器粘貼在金屬薄片上，當薄片通電后，在施加電流和與電流方向垂直的磁場的作用下，金屬薄片會受到洛倫茲力，產生形變，帶動光纖激光器產生形變進而影響光纖的中心波長值，傳感器如圖6所示。實驗表明，在25 mA的電流條件下該傳感器的分辨力達到5 nT/Hz1/2。

2017 年，王兆剛[31]設計了一種雙端固定型的光纖磁場傳感器。傳感器整體由有機玻璃構成，頂端采用墊片、螺釘將金屬梁固定。傳感器下方還裝有中空螺釘使得光纖激光器可以穿過支架和金屬梁并進行點膠。實驗表明，在100 mA的電流條件下，磁場靈敏度可達1×10?9 nm/mT。

2018年，張軍[32]將正交雙頻光纖激光器置于鍍膜機內，在真空環境中，對激光器表層濺鍍金膜。然后將鍍膜后的激光器兩端連接電極，并通過外部電源給電極通電。這樣，電流被加載到光纖激光器表面。在外界磁場的作用下，電流產生安培力，這種力施加到光纖激光器上。光纖激光器的激光腔內雙折射受到安培力的調制，并反映在激光器的最終輸出的頻率上。通過這種方式，實現對磁場的測量。

光纖激光磁場傳感器的研究主要集中在提高分辨率、增強傳感器的穩定性和可靠性，以及改進傳感器的設計和制作工藝。對于光纖激光磁場傳感器未來的發展，可以考慮從降低磁場傳感器工作環境的噪聲出發。比如采用石墨烯等新型材料、使用光電供電模式來代替傳統電源等方法來提高傳感器的靈敏度。降低環境噪聲，研究如何通過材料選擇和系統設計來減少外部噪聲對傳感器性能的影響。利用集成光學技術，實現傳感器的微型化和集成化，提高系統的便攜性和可靠性。

表3為基于法拉第效應的光纖磁場傳感器和光纖激光磁場傳感器的性能比較。

4 光纖磁場傳感器的應用

地磁場的研究是地球科學的一個基本領域，它涉及整個地球以及近地空間的磁性現象。地磁場的測量對于多個領域至關重要，包括航空航天、地質勘探、國防安全、交通運輸、通信以及地震預警等[33]。隨著技術的進步，利用磁效應的各種磁測量設備被開發出來，例如超導量子干涉儀（Superconducting Quantum Interference Device，SQID）和光泵磁強計（Optically Pumped Magnetomete，OPM）。這些先進的儀器在地磁測量領域得到了廣泛的應用。光纖磁場傳感器是另一種在地磁測量系統中得到應用的設備，它利用光纖的物理特性來檢測磁場的變化。光纖傳感器因其穩定性強、靈敏度高、抗電磁干擾能力強等特點，在地磁場測量中顯示出獨特的優勢[34]。這些傳感器可以用于精確測量地磁場的變化，從而為上述提到的多個領域提供重要的數據支持。

2005 年，張學亮等[35]進行了一項創新性研究，他們將磁致伸縮材料粘接到光纖上，通過磁致伸縮效應使光纖產生相位變化，并利用光纖干涉儀來檢測這些變化，從而實現對地磁場的傳感。實驗結果顯示，這個光纖磁場傳感系統的相位靈敏度高達9 × 10?6 rad/nT，能夠測量到納米級的交流磁場信號位移。實驗測試數據與理論預測吻合，表明該系統適合于高靈敏度的地磁場測量。

2018 年，Zhao等[36]報道了一種接近量子噪聲極限、具有絕對頻率穩定性的1083 nm單頻光纖激光器。這種光纖激光器在低頻時具有低強度的相對噪聲和卓越的頻率穩定性，使其成為高精度磁強計的理想選擇。

2021 年，Li等[37]開發了一種新型的微型三軸矢量原子磁強計，這種磁強計能夠在自旋交換無松弛狀態下工作，并具有寬范圍的靈敏度。通過現場可編程門陣列和直接數字合成技術，在垂直于激光傳播方向的平面上產生一個旋轉場，并在泵浦方向上產生另一個調制場，從而實現了對磁場3個分量的同時測量。在60 μT的范圍內，其橫向磁場測量達到了3.5×105 pT/Hz1/2的靈敏度，在縱向磁場測量達到了3 pT/Hz1/2的靈敏度。

以上是對光纖磁場傳感器的工作原理、研究現狀和性能進行了論述。從多通道光纖磁強計系統到微型三軸矢量原子磁強計的發展，體現了傳感器設計、材料科學和精密測量技術的綜合進步。這些系統不僅提高了測量的靈敏度和穩定性，還實現了對磁場多分量的同時測量。但技術的發展也導致了更復雜的系統、更高的研發成本和維護費用。未來光纖磁場傳感器的發展可以考慮提高測量精度、降低系統復雜性和成本、無線和遠程監測、標準化和模塊化設計，以及開發更加智能和集成化的測量臺。

表4為光纖磁場傳感器的性能比較。

5 結論與展望

本文探討了不同類型的光纖磁場傳感器，包括它們的設計結構、工作原理、性能指標以及目前的研究進展。基于磁致伸縮材料的光纖磁場傳感器結合了磁致伸縮效應和光纖技術，展現出高靈敏度和潛在的應用前景。然而，仍面臨靈敏度、穩定性和成本等方面的挑戰。基于磁流體的光纖磁場傳感器具有高靈敏度和易于集成的優勢，但是其受溫度影響大，如何提高磁流體的穩定性、擴大檢測范圍是該類型傳感器的發展方向。基于法拉第效應的光纖磁場傳感器的靈敏度通常較低，因此改善其性能是主要的研究方向。而光纖激光磁場傳感器利用電流與磁場的相互作用，通過測量光纖激光器的形變來測量磁場，具有獨特優勢。而如何進一步提高靈敏度和穩定性、降低制作成本等仍需要科研人員不斷探索解決。

綜上所述，光纖磁場傳感器作為一種新型的磁場測量技術，具有廣闊的應用前景和巨大的發展潛力。在未來的研究中，我們應繼續深入探索其設計原理、優化性能，并推動其在各個領域的應用，以更好地服務于科學技術進步和社會發展。

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