CN108169696A - 一种基于fbg的磁场强度传感器及其性能测试方法 - Google Patents

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鹿利单
祝连庆
娄小平
董明利
孙广开
何巍
李红
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect

Abstract

本发明公开了一种基于FBG的磁场强度传感器，包括锥形管、FBG本体、弹簧、磁头和FBG尾纤；所述FBG本体通过弹簧固定在锥形管的内部，且FBG本体与弹簧之间通过环氧树脂粘接；所述FBG尾纤贯穿锥形管的尾部与FBG本体连接，且FBG尾纤与锥形管的尾部之间通过环氧树脂塞进行密封；所述锥形管的端部通过环氧树脂粘接有磁头，且磁头与FBG本体远离FBG尾纤的一端通过导线连接；所述锥形管内部最大内径为5.2mm；本发明涉及光纤传感技术领域，该基于FBG的磁场强度传感器及其性能测试方法，通过PC端、ASE光源、光纤环形器、光谱分析仪、连接器和控制器的配合使用，使得FBG的磁场强度测试根据简单化，提高了测试的准确性，缩短了测试时间。

Description

一种基于FBG的磁场强度传感器及其性能测试方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体为一种基于FBG的磁场强度传感器及其性能测试方法。
背景技术
光纤材料是二氧化硅，一种脆性易碎材料，韧性差、剪切能力弱，对其进行保护显得尤为重要，封装工艺对FBG传感性能有很大影响。探索FBG传感器增敏和去敏的可能方式、以及封装、粘附技术和新结构工艺尤为重要。
随着光纤微纳传感制作工艺的不断提高和成熟，世界各国对光纤微纳传感的应用研究迅速开展起来。伴随着光纤微纳传感的优良特性的逐步展现，其在传感领域得到了广泛研究和应用。光纤微纳传感器作为新型光纤传感器，除具有重量轻，抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温等光纤传感器的特点外，还具有许多独特的优点,本设计是基于FBG对周期性磁场强度进行测试。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于FBG的磁场强度传感器及其性能测试方法，解决了FBG对周期性磁场强度进行测试的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于FBG的磁场强度传感器，包括锥形管、FBG本体、弹簧、磁头和FBG尾纤；所述FBG本体通过弹簧固定在锥形管的内部，且FBG本体与弹簧之间通过环氧树脂粘接；所述FBG尾纤贯穿锥形管的尾部与FBG本体连接，且FBG尾纤与锥形管的尾部之间通过环氧树脂塞进行密封；所述锥形管的端部通过环氧树脂粘接有磁头，且磁头与FBG本体远离FBG尾纤的一端通过导线连接。
作为本发明的进一步优选方案，所述锥形管内部最大内径为5.2mm。
作为本发明的进一步优选方案，一种基于FBG的磁场强度传感器工作方法，具体包括如下步骤：
步骤1、选取需要测量的第一FBG磁场传感器和第二FBG磁场传感器，备用；
步骤2、将步骤1中选取的第一FBG磁场传感器和第二FBG磁场传感器通过固定座与安装板固定连接，第一FBG磁场传感器和第二FBG磁场传感器中的锥形管的尾部朝上，端部朝下；
步骤3、将第一FBG磁场传感器和第二FBG磁场传感器的FBG尾纤分别接入到测试系统中，并记录所测试的中心波长。
作为本发明的进一步优选方案，步骤3中所述的测试系统包括PC端、ASE光源、光纤环形器、光谱分析仪和连接器；所述ASE光源的光源发射端口通过光纤与光纤环形器的输入端连通，且光纤环形器的输出端通过连接器与第一FBG磁场传感器和第二FBG磁场传感器连通；所述光纤环形器的输出端通过导线与光谱分析仪的输入端电性连接，且光谱分析仪的输出端通过控制器与PC端电性连接；所述ASE光源的控制端通过导线与PC端电性连接。
作为本发明的进一步优选方案，所述FBG本体的传感机理为：FBG为波长选择性滤波器，其反射特定波长(λB)的光信号。基于耦合模理论中的亥姆霍兹方程等，FBG的反射波长定义为：
λB＝2neff·Λ
其中neff是光纤的有效折射率，Λ是光栅周期。在热载荷作用下，会引起传感单元的温度和应变响应。温度会引起FBG产生热膨胀效应和热光效应，而应变能引起拉压和弹光效应。在上述因素影响下光纤的折射率和光栅周期会发生改变，最终导致△λB漂移。显示合成效应：
ΔλB＝2neff·ΔΛ+2Δneff·Λ
其中Δneff是光纤的弹光效应，ΔΛ是光纤在应力下的弹性变形。
FBG属于各向同性圆柱形结构，施加到FBG的应力可以在柱坐标系(r，θ，z)中分成三个分量σr，σθ和σz。σz表示z轴应力，在FBG波长偏移中起重要作用；σr和σθ均代表横向应力。
有益效果
本发明提供了一种基于FBG的磁场强度传感器及其性能测试方法。具备以下有益效果：
该基于FBG的磁场强度传感器及其性能测试方法，通过PC端、ASE光源、光纤环形器、光谱分析仪、连接器和控制器的配合使用，使得FBG的磁场强度测试根据简单化，提高了测试的准确性，缩短了测试时间，实用性强，易于推广使用。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的测试系统框图；
图3为本发明的FBG腔磁场传感器在不同距离时FBG光谱变化图；
图4为本发明的同间距下的FBG磁场传感器的磁场强度光谱图；
图中：1-锥形管、2-FBG本体、3-弹簧、4-磁头、5-FBG尾纤、6-环氧树脂塞、7-第一FBG磁场传感器、8-第二FBG磁场传感器、9-固定座、10-安装板、11-PC端、12-ASE光源、13-光纤环形器、14-光谱分析仪、15-连接器、16-控制器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种基于FBG的磁场强度传感器，包括锥形管1、FBG本体2、弹簧3、磁头4和FBG尾纤5；所述FBG本体2通过弹簧3固定在锥形管1的内部，且FBG本体2与弹簧3之间通过环氧树脂粘接；所述FBG尾纤5贯穿锥形管1的尾部与FBG本体2连接，且FBG尾纤5与锥形管1的尾部之间通过环氧树脂塞6进行密封；所述锥形管1的端部通过环氧树脂粘接有磁头4，且磁头4与FBG本体2远离FBG尾纤5的一端通过导线连接；所述锥形管1内部最大内径为5.2mm。
一种基于FBG的磁场强度传感器工作方法，具体包括如下步骤：
步骤1、选取需要测量的第一FBG磁场传感器7和第二FBG磁场传感器8，备用；
步骤2、将步骤1中选取的第一FBG磁场传感器7和第二FBG磁场传感器8通过固定座9与安装板10固定连接，第一FBG磁场传感器7和第二FBG磁场传感器8中的锥形管1的尾部朝上，端部朝下；
步骤3、将第一FBG磁场传感器7和第二FBG磁场传感器8的FBG尾纤5分别接入到测试系统中，并记录所测试的中心波长。
步骤3中所述的测试系统包括PC端11、ASE光源12、光纤环形器13、光谱分析仪14和连接器15；所述ASE光源12的光源发射端口通过光纤与光纤环形器13的输入端连通，且光纤环形器13的输出端通过连接器15与第一FBG磁场传感器7和第二FBG磁场传感器8连通；所述光纤环形器13的输出端通过导线与光谱分析仪14的输入端电性连接，且光谱分析仪14的输出端通过控制器16与PC端11电性连接；所述ASE光源12的控制端通过导线与PC端11电性连接。
在这种设计中，我们用50个永磁体(25个周期)固定在带有匹配尺寸槽的夹具中，为了获得测试探头和(有限元法)之间的适当距离，建立了模型，以分析磁性表面的磁场分布。模型描述：具有N/S交替的4个永磁体(2个周期)，永磁体的参数如表1所示。磁栅尺的上方空气层是传感器探头的位置。设计的FBG传感器探测器检测变化的磁场，然后可以通过信号处理检测磁场强度。
表1永磁体参数
空气层顶部的压力为3mm，磁栅尺圆间距为10mm，交替排列五对N/S。空气层磁场强度是一个重要特征，要求其分割更精细，结果更可靠，因此定义了空气层的最大尺寸为0.01mm。
当磁化强度变化时，磁通密度将增加，但不会改变正弦曲线。正弦曲线可以从模拟数据中得出：
所述FBG本体2的传感机理为：FBG为波长选择性滤波器，其反射特定波长(λB)的光信号。基于耦合模理论中的亥姆霍兹方程等，FBG的反射波长定义为：
λB＝2neff·Λ
其中neff是光纤的有效折射率，Λ是光栅周期。在热载荷作用下，会引起传感单元的温度和应变响应。温度会引起FBG产生热膨胀效应和热光效应，而应变能引起拉压和弹光效应。在上述因素影响下光纤的折射率和光栅周期会发生改变，最终导致△λB漂移。显示合成效应：
ΔλB＝2neff·ΔΛ+2Δneff·Λ
其中Δneff是光纤的弹光效应，ΔΛ是光纤在应力下的弹性变形。
FBG属于各向同性圆柱形结构，施加到FBG的应力可以在柱坐标系(r，θ，z)中分成三个分量σr，σθ和σz。σz表示z轴应力，在FBG波长偏移中起重要作用；σr和σθ均代表横向应力。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于FBG的磁场强度传感器，其特征在于：包括锥形管(1)、FBG本体(2)、弹簧(3)、磁头(4)和FBG尾纤(5)；所述FBG本体(2)通过弹簧(3)固定在锥形管(1)的内部，且FBG本体(2)与弹簧(3)之间通过环氧树脂粘接；所述FBG尾纤(5)贯穿锥形管(1)的尾部与FBG本体(2)连接，且FBG尾纤(5)与锥形管(1)的尾部之间通过环氧树脂塞(6)进行密封；所述锥形管(1)的端部通过环氧树脂粘接有磁头(4)，且磁头(4)与FBG本体(2)远离FBG尾纤(5)的一端通过导线连接。
2.根据权利要求书1所述的一种基于FBG的磁场强度传感器，其特征在于，所述锥形管(1)内部最大内径为5.2mm。
3.一种基于FBG的磁场强度传感器性能测试方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1、选取需要测量的第一FBG磁场传感器(7)和第二FBG磁场传感器(8)，备用；
步骤2、将步骤1中选取的第一FBG磁场传感器(7)和第二FBG磁场传感器(8)通过固定座(9)与安装板(10)固定连接，第一FBG磁场传感器(7)和第二FBG磁场传感器(8)中的锥形管(1)的尾部朝上，端部朝下；
步骤3、将第一FBG磁场传感器(7)和第二FBG磁场传感器(8)的FBG尾纤(5)分别接入到测试系统中，并记录所测试的中心波长。
4.根据权利要求书3所述的一种基于FBG的磁场强度传感器性能测试方法，其特征在于，步骤3中所述的测试系统包括PC端(11)、ASE光源(12)、光纤环形器(13)、光谱分析仪(14)和连接器(15)；所述ASE光源(12)的光源发射端口通过光纤与光纤环形器(13)的输入端连通，且光纤环形器(13)的输出端通过连接器(15)与第一FBG磁场传感器(7)和第二FBG磁场传感器(8)连通；所述光纤环形器(13)的输出端通过导线与光谱分析仪(14)的输入端电性连接，且光谱分析仪(14)的输出端通过控制器(16)与PC端(11)电性连接；所述ASE光源(12)的控制端通过导线与PC端(11)电性连接。
5.根据权利要求书1所述的一种基于FBG的磁场强度传感器，其特征在于，所述FBG本体(2)的传感机理为：FBG为波长选择性滤波器，其反射特定波长(λB)的光信号；基于耦合模理论中的亥姆霍兹方程等，FBG的反射波长定义为：
λB＝2neff·Λ
其中neff是光纤的有效折射率，Λ是光栅周期。在热载荷作用下，会引起传感单元的温度和应变响应；温度会引起FBG产生热膨胀效应和热光效应，而应变能引起拉压和弹光效应；在上述因素影响下光纤的折射率和光栅周期会发生改变，最终导致△λB漂移；显示合成效应：
ΔλB＝2neff·ΔΛ+2Δneff·Λ
其中Δneff是光纤的弹光效应，ΔΛ是光纤在应力下的弹性变形。
FBG属于各向同性圆柱形结构，施加到FBG的应力可以在柱坐标系(r，θ，z)中分成三个分量σr，σθ和σz。σz表示z轴应力，在FBG波长偏移中起重要作用；σr和σθ均代表横向应力。
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