基于FBG磁场传感方案的研究

光纤Bragg光栅(FBG)传感技术较其它光纤传感技术有独特的优点,因此更具有研究的价值。本文基于光纤Bragg光栅的应变敏感性和磁性材料的磁致伸缩效应,提出了将光纤Bragg光栅应用于磁场传感测量的方案,并论证了其可行性。

基于长周期光纤光栅的磁场传感方案的实现

长周期光纤光栅是近几年出现的一种新型光纤器件。其耦合机理是前向传输的纤芯基模与前向传输的各阶包层模式之间的耦合 ,这与光纤布喇格光栅明显不同。它对温度、应力、弯曲及外部折射率的变化具有相当高的灵敏度 ,是一种理想的光纤型敏感结构。提出利用长周期光纤光栅谐振波长的移动或移动变化量进行磁场强度的测量 ,并进行了理论推导、仿真实验及分析研究。得出了谐振波长变化量与外界磁场强度的关系模型。分析了设计中应该考虑的因素。

磁流体包覆的无芯-单模-无芯光纤结构的磁场传感特性

基于磁流体包覆的无芯-单模-无芯光纤的磁场传感结构中,无芯光纤起激发单模光纤的包层模并实现芯模-包层模干涉的作用.实验测量了该传感结构在不同外界磁场强度和温度下的透射光谱,研究了其磁场传感性能及环境温度对传感性能的影响.结果表明,随外界磁场强度的增加,波长在1 462nm和1 477nm位置附近的干涉谷均发生红移,其相应的磁场传感灵敏度分别为67.28pm/Oe和49.82pm/Oe;波长在1 462nm位置附近的干涉谷随温度的增加发生蓝移,干涉谷随温度变化的灵敏度为37.8pm/℃,该传感结构制作简单、灵敏度高,有很好的应用前景.

基于铽镝铁换能器的全保偏光纤磁场传感系统

制作了铽镝铁保偏光纤换能器,建立了全保偏马赫—曾德尔光纤干涉仪系统,采用工作点控制方法解调信号,实现了光纤磁场传感。该全保偏光纤干涉系统结构简单、抗干扰,有效解决了偏振不稳定问题。实验检测了系统对磁场幅度变化的响应特性,最小可测交流磁场信号为3×10-10T。

磁致伸缩材料被覆保偏光纤磁场传感研究

通过直流磁控溅射镀膜,将磁致伸缩材料———铽镝铁被覆在一段去掉保护层的保偏光纤上,得到铽镝铁被覆保偏光纤结构的磁传感单元。采用保偏光纤及保偏光纤器件,建立马赫-曾德尔光纤干涉仪,将铽镝铁被覆保偏光纤结构的磁传感部分接在干涉仪的一臂中间,另一臂中接入保偏光纤绕制的压电陶瓷调制器进行光纤干涉系统的相位控制。该系统通过压电陶瓷调制器将相位控制在正交工作点上,解决了系统的相位衰落;全保偏光纤结构有效控制了系统偏振诱导的信号衰落,实现了系统对信号的稳定检测。实验得到了系统在不同大小直流偏置磁场作用下的磁场响应特性,结果表明,较大直流偏置磁场可使系统响应灵敏度提高约20倍,最小可测的交流磁场信号达到2.2×10-8T。

基于Sagnac干涉仪的光纤直流磁场传感研究

将磁致伸缩材料粘贴单模光纤构成的光纤磁传感探头接入Sagnac光纤环的一端,外加交流磁场将探头周围的直流磁场加载到4.9 kHz的高频信号上,建立了基于Sagnac干涉仪的光纤直流磁场传感实验系统。采用锯齿波相位调制的方法,将干涉仪系统相位偏置在π/2附近,通过测量所加高频信号的幅度,实现了对直流磁场的测量。实验得到系统信号稳定性为0.4%,磁场分辨率为4.3 nT,并给出36.75 g铁块经过磁传感探头时系统的响应信号。

剩磁效应对SmFe2/PZT多铁异质结构动态磁机特性及磁场传感特性的影响

分析和测试了超磁致伸缩材料剩磁效应对动态磁机特性以及磁场传感特性的影响,提出了一种具有自偏置功能的SmFe_2/PZT多铁异质结构。利用负超磁致伸缩材料SmFe_2兼有明显铁磁性和磁致伸缩性双重特型,在材料磁滞和剩磁的作用下其压磁系数、杨氏模量及品质因数等反映动态磁机特性的参数都表现出滞回特性,并从微磁学180°畴璧能量的角度分析了各个参数滞回特性产生的根源。研究结果表明,仅依靠材料剩磁的作用下,SmFe_2/PZT异质结构在反谐振频率点120 kHz和非反谐振频率点1 kHz的灵敏度分别为0.86 V·Oe^(-1)和1.2 mV·Oe^(-1),且磁电电压输出与施加激励电流之间呈近似线性变化关系,具有较好的线性度。所提出的SmFe_2/PZT多铁异质结构摆脱了传统磁电传感器对外加永磁体作为偏置磁场的束缚,减小了封装磁传感器件的体积,有利于实现器件的微型化,并具有制作简单、成本低以及灵敏度高等优点。

全保偏光纤直流磁场传感系统

采用保偏光纤耦合器和偏振器搭建了马赫-曾德尔型光纤干涉仪。在传感臂中接入铽镝铁材料被覆保偏光纤结构的光纤磁传感探头,在参考臂中接入保偏光纤PZT相位调制器进行工作点控制,得到了全保偏结构的光纤直流磁传感系统。该系统抑制了偏振诱导的信号衰落,实现了稳定的直流磁场信号检测。实验得到了系统对0.75mT^60mT的外加直流磁场响应特性,结果表明,该直流磁场传感系统的线性度达到了0.997,最小可检测的直流磁场达到3.4×10-6T。

磁流体包覆薄包层光纤光栅磁场传感研究

利用磁流体替代光纤布喇格光栅(FBG)的部分二氧化硅包层,制作了一种磁流体封装薄包层FBG结构的磁场传感器,研究了传感器对磁场和温度的响应特性。结果表明,在5.0～20.0mT的磁场范围内,传感器的波长灵敏度和功率灵敏度分别为34.9pm/mT和-1.063dBm/mT,波长线性响应度达到了99.2%。封装工艺未改变FBG波长随温度线性变化的特性,但受磁流体磁光效应影响,其温度灵敏度减小到9.2pm/℃。该传感器可实现磁场测量中的温度补偿,方法简单、易于实现。

基于磁流体与混并式LPFG磁场传感器的研究

针对以往磁场测量方案对温度考虑的不足,提出一种可同时测量磁场和温度的实验方案。首先描述了该方案的实验步骤(包括探头制作和测试系统搭建)及其可行性分析;然后通过实验对本传感器的磁场特性和温度特性进行研究;最后根据实验结果总结出了可以同时测量磁场和温度的矩阵公式,解决温度交叉敏感问题。

基于磁流体包覆微纳光纤布拉格光栅的磁场传感特性研究

提出了一种基于磁流体包覆的微纳布拉格光纤光栅的磁场传感器。采用氢氧焰熔融拉锥和紫外光曝光的方法制作了具有不同直径的基于微纳光纤的布拉格光栅,随着光纤直径的减小,其有效折射率对环境折射率变化的灵敏度随环境折射率的增大而非线性增大,但损耗也随之增加。实验结果表明,被磁流体包覆的直径为9.24μm的微纳布拉格光纤光栅,在0 mT~40 mT和40 mT~160 mT磁场范围内,分别获得了36.2 pm/mT和3.6 pm/mT的波长灵敏度以及81.15%和94.83%的线性拟合度。

AMR薄膜弱磁场传感头的优化设计

镍铁基合金薄膜是各向异性磁电阻传感器常用的传感材料,基于光刻工艺的弱磁场传感器的灵敏度与传感头的图形设计有关,传感头磁电阻图形的优化设计可以使薄膜具有更好的各向异性磁电阻效应。在研究了基于光刻工艺的弱磁场传感器基础上,为了提高弱磁场的测试灵敏度,结合具体的光刻工艺对传感头的磁电阻图形作了优化设计。结合对具体的材料分析阐述了设计原理,给出了设计对灵敏度和输出产生的影响。

基于磁场传感与北斗定位的采空区输电杆塔倾斜预警方法

现有采空区输电杆塔倾斜监测预警方法存在监测实时性弱、准确度低、受单一参数影响的缺陷。针对这一问题,提出一种基于磁场传感与北斗定位的采空区输电杆塔倾斜监测与预警方法。首先,建立采空区输电杆塔的磁场传感模型,计算输电线磁通密度。然后,结合北斗卫星定位技术,基于双因素分级叠合的方法,在监测杆塔运行状态的同时判断杆塔倾斜危险性程度等级。最后,通过三种故障情况下的算例结果表明,与传统的依靠单一手段进行输电杆塔状态监测预警的方法相比,所提方法的预测准确度平均提升了8.66%以上,故障反应速度平均提升了38.01%以上,从而验证了所提方法的有效性与优异性。

结构改进的厘米尺寸谐振腔的磁场传感特性

基于光力谐振腔的磁力仪在应用时主要受限于灵敏度和检测带宽两个指标.本文设计了一种厘米尺寸的回音壁模式谐振腔结构,可探测6 Hz至1 MHz频率范围内的交变磁场,在无磁屏蔽、室温环境下、无直流偏置磁场时,其最佳灵敏度在123.8 kHz可达530 pT·Hz^(-1/2),探测带宽和最佳灵敏度分别为同尺寸谐振腔的11倍和1.67倍.该磁场传感器仅需100μW的光功率,功耗很低.后续通过优化系统噪声、提升器件磁场响应能力等手段可进一步提升其传感性能,有望在电力系统故障监测和医学诊断等领域发挥其应用潜力.

自参考磁流体磁场传感器研究

基于磁流体的光学特性,提出一种自参考塔姆等离子体激元混合模磁场传感器。该传感结构由两个金属-分布式布拉格反射器结构和嵌于二者之间的用于感应外磁场的磁流体层构成。研究表明,该传感结构可激发两个塔姆等离子体激元。在一定的结构参数下,其中一个基本不随外磁场的改变而发生变化,而另一个对外磁场非常敏感。数值结果表明,该传感结构的探测灵敏度要优于已报道的采用单层磁流体作为传感层的光子晶体磁场传感器。研究结果为磁流体磁场传感器的设计制备提供了参考。

基于光学Tamm态的磁流体磁场传感器研究

磁场的传感测量在相关领域具有重要应用。利用磁流体的磁光效应,提出了一种基于光学Tamm态的磁场传感结构。该结构由加载了金属层和电介质层的一维磁流体光子晶体构成。数值研究了该结构的结构参数对传感性能的影响。结果表明,磁流体层越厚,探测灵敏度就越高。金属层和电介质层的厚度均存在一个最佳值,使得传感器具有较高的探测精度。结果还表明,该传感结构的探测灵敏度优于已报道的采用光子晶体缺陷结构实现的磁场传感器。研究结果为基于光学Tamm态的磁流体磁场传感器的设计制备提供了参考。

基于磁流体与长周期光纤光栅的磁场传感研究

长周期光纤光栅是一种新型的无源光纤器件,对外界折射率敏感的特性使其可作为一种理想的光纤敏感元件。而磁流体具有明显的磁光效应,即具有在外界磁场作用下其折射率发生改变的特性。将磁流体与长周期光纤光栅相结合作为传感探头,提出了一种全新的磁场测量方法,并对其进行了深入的理论分析和初步的实验验证。实验结果表明,所提出的基于磁流体与长周期光纤光栅的磁场传感方法可以用于磁场和电流的测量。

高精确度光纤磁场传感器的研究

分析了基于法拉第效应的高精度光纤磁场传感器的理论基础和偏振结构 ,选择了灵敏度高、动态范围大的磁光晶体 ,并采用计算机模拟技术优化设计和评估性能 ,在 2GHz的频率范围内 。

马赫-曾德尔干涉集成化的全光纤磁场与温度传感器

为了简化光纤磁场与温度传感器的结构并提高传感器灵敏度,设计并制作了马赫-曾德尔干涉集成化的全光纤磁场与温度传感器。将单根光纤的马赫-曾德尔模间干涉结构和双臂马赫-曾德尔干涉结构结合:将总长度为1.2m的单模光纤部分制备成长度为2.7cm、锥腰直径为30.1μm的锥形微纳光纤,并得到了拉锥时间与锥腰直径的关系。将锥形微纳光纤放置尼龙槽内并包覆磁凝胶构成传感头,实现模间干涉的马赫-曾德尔磁场传感器;将磁场传感器通过两耦合比为50%∶50%的耦合器并联带有可调谐光衰减器的单模光纤形成马赫-曾德尔干涉的温度传感器。从理论上分析了光谱漂移对磁场和温度传感的特性关系,实验测得室温下磁场强度在25~50mT时,磁场传感的灵敏度为0.301 14nm/mT;在磁场强度为0,温度由25℃升高到30℃时,温度传感的灵敏度为0.518 86nm/℃。该传感器可广泛应用于电力系统放电检测、材料加工、安全监控等领域。

基于磁流体和无芯光纤的磁场传感器

用无芯光纤(NCF)作为单模-多模-单模(SMS)结构中的多模光波导,并将其浸没在密封于毛细管内的磁流体(MF)中,形成了一种新型的全光纤化磁场传感器。传感器可利用磁场变化时其透射谱中谷值波长的移动或峰值波长处的透射率变化对相应的磁场变化进行测量。完成了传感器的制作并进行了实验研究,在传感器长约9cm时,实验得到的磁场灵敏度分别达到了78pm/Oe和0.129dB/Oe。除了作为磁场传感器,本文装置还可以用来作为磁控可调光衰减器或光调制器。