基于超磁致伸缩材料和光纤光栅的磁场传感器研究

• 作 者: 焦方俞
• 出 处: 华中科技大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 光纤光栅 磁致伸缩 磁场传感器 温度补偿 COMSOL Multiphysics

在实际工程应用中,对电绝缘工作环境内磁场的测量和弱磁场信号的测量需求逐渐增多。光纤作为一种传输媒介,具有显著的抗电磁干扰、分辨力高等优势。基于超磁致伸缩材料的光纤光栅磁场传感器,能够很好地应用于漏磁、微弱磁场环境下的信息检测。这类磁场传感器的传感原理是将磁致伸缩材料与光纤光栅相结合,利用光纤测量由磁场引起的磁致伸缩材料应变,间接得到磁场。本文设计了一种光纤磁场传感器,将超磁致伸缩材料同光纤光栅传感器相结合,通过监测光纤波长的偏移量来测量磁感应强度。论文主要研究内容有:介绍磁场测量技术的发展过程和几种不同的磁场测量原理。对比目前光纤传感器应用于磁场测量领域的几种主要类型,讨论光纤磁场传感器的国内外研究现状和在电力领域的应用前景。分析光纤光栅应变传递效率理论模型,分别讨论了轴向应变和温度变化对的波长的影响,对光栅的中间粘接层进行了受力分析,讨论各种粘贴系数对应变传递效率的影响,并对光栅粘贴方式进行实验研究。研究超磁致伸缩材料的磁致应变特性,介绍测量磁致伸缩系数的不同方法,提出了一种光纤光栅法,利用探测线圈和光纤光栅在脉冲磁场下测量磁致伸缩系数。本方法的基本思路是确保探测线圈和光纤光栅在相同的磁场条件下进行同步测量。完成对光纤磁场传感器的应用需求分析,对传感探头结构进行了实用性设计,同时设计了通电线圈作为磁场发生器,并利用COMSOL Multiphysics软件对通电线圈进行仿真,验证所产生的磁场均匀度和磁场强度大小是否满足实验需求。在此基础上搭建了光纤光栅磁场传感系统并进行实验研究,采用双光栅温度补偿方案消除温度对光纤波长变化的影响,最终得到不同磁场强度下仅由磁致伸缩引起的光栅波长变化量。