双光纤布拉格光栅磁场传感器

第18卷第lo期2007年10月 光电子·激兴 JournalofOp’toelectronics·LaserVol，18No．10Oct．2007 双光纤布拉格光栅磁场传感器。 杨淑连，申晋，李田泽 (山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255049) 摘要：载流导线在磁场中产生的电磁力使等腰三角形悬臂粱变形，从而导致安装在悬臂粱两边的光纤布拉格光 栅(FB(计的布拉格波长漂移。通过检测2个FEG的波长漂移差，得到被测磁场的磁感应强度，双FBG通过补 偿温度教应．解决了FBG传感器的交卫敏感问题。垂直放置的等腰三角形悬臂粱．确保FBG在传感过程中不 出现啁啾现象，又避免了自身重量和导线重量对测量结果的影响．从而减少丁测量误差。该系统传感灵敏度为 1．11nm／T．与理论值的相对误差为4．31蹦，结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，该传感器结构是可行的。 关键词：光纤传感器；磁场传感器；磁场测量；光纤布拉格光栅(FBG) 中图分类号：TP212．14文献标识码：A 文章编号：1005-0086(2007)10-1166—03 ANovelMagneticFieldFBGSensor YANGShtrlian，SHENJin，LITian-ze (SchoolofElectricandElectronicEr】gineering．ShandongUniversityofTechnology，Zib。255049tChina) Abstract：Am1magnetickld$enFiorkbeanpropo,∞d．11"electromagneticforcewhichisermtedbyawireinthemag- 删cfield．resultsinthedistortionofanisoscelestrianglecantilever．Thedistortionresultsinwavelengthshiftofthefiber Bragg鲫mgs(FBC,s)thatwen∞untedateithersideofthecantilever．Bymonitoringthewavelengthshiftdifferenceofthe twoFBGs，themagnericinductiondensitycanheobtained．TlkCROSSsensitiveproblemoftheFBGssemcot∽besolvedby ampensatingthetemperatureeffect．Theisoscelestrianglecantileverthatisuprighdymountedavoidsthed血口andthe effectsofitswetghtandtheweightofthewire．Hence，t11eelTorisreduced．mmeasurementsensitbAtyis1．1lmn／Ttthe relativeelToris4．31“．TheexperimentalresultsverifythefeasibilityoftheproposedSen∞‘ Keywords：fiberopticserl80rfmagneticfieldSql'lSOrimagneticfieldmeasurement；fiberBragggrafing(FBG) 1引言 光纤布拉格光栅(FBG)传感器除具有普通光纤传感器重 量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰及使用安全等优点外，还具有结构简 单、灵敏度高、频带宽、波分和时分复用及波长编码等优点，因 而得到广泛的应用L1~3|。然而，由于FBG的布拉格波长对温 度和应力都敏感，即存在所谓的交叉敏感问题一卜6]。因此，解 决温度和应变的交叉敏感是FBG进一步发展的关键。本文提 出了一种基于FBG技术的新型磁场传感器。它采用了双FBG 的结构，具有温度补偿的特点，从而解决了FBG传感器的交叉 敏感同题。垂直放置的等腰三角形悬臂梁，确保FRG在传感 过程中不出现啁啾现象，又避免了自身重量和导线重量对测量 结果的影响，从而提高了测量精度。系统传感灵敏度为1．11 nm／T，与理论值的相对误差为4．31“，结果表明，该传感器结 构是可行的。 2传感器的结构和原理 FBG磁场传感器结构如图1所示，它由框架’等腰三角形 悬臂梁、2段电流螺线管线圈氇目的载流直导线、FB(h和FIK；z 组成。双FBG沿中心线对称地刚性粘贴在等腰三角形悬臂梁 的前后两边，载流直导线沿悬臂梁的中心线被刚性地粘贴在悬 臂梁的自由端，如图2所示。当电磁力作用在悬臂梁上时，可 以应用差动技术对双FBG的波长漂移量进行测量，从而改善 敏感度。载流直导线在被测磁场中受到电磁力作用，从而导致 了悬臂粱的变形。悬臂粱的变形作用于双FBG，使双FBG的 布拉格波长发生漂移。 收稿日期：2006_1114修订日期：20070118 - 基金项目：山东省自然科学基金资助项目(8C04ZX30)；山东理工大学科技基金资助项目(2005k)m27) **E-mall：yangshulin2006@126．corn 万方数据 蔓望塑堑塑重量!里堂堑塑垫堡丝塑壁扬篮壁墨 圈2等腰三角膨景臂梁 Fig,2Strueimdthecantilever 根据材料力学的理论啪，作用在厚度为h的等腰三角 形悬臂梁的轴向应变为 Mh ，．、 ‰。j瓦 ‘1， 其中：E是悬臂粱材料的杨氏模量；J，为悬臂梁考察点z处 矩形截面的惯性矩；M为悬臂梁考察点z处的弯矩。惯性 矩J。的大小为 ‘一—bo(1L--iFx)一h3 (2) 其中：60为等腰三角形悬臂梁底边长度；L是悬臂梁长度。 考虑到z1=L--l／2、12一L+z／2，则弯距M的大小为 M=Blol(L—I) (3) 其中：J。为导线中的电流；z为导线的长度；B为被测磁场的 磁感应强度。 应力和温差△r引起的FBG的布拉格波长漂移量出B 为[8t9] !警=(1一P。)E：+(n+OAT(4) 其中：P。是光纤的有救弹光系数；h是布拉格中心波长；a 是光纤的热膨胀系数；r是光纤热光系数。 因为FBGt和FBGz对称地粘贴在悬臂粱的两边，因此 温度引起的两FBG的布拉格波长漂移量是相同的。而由 应力引起的两FBG的布拉格波长的漂移量大小相等、方向 相反，即 —LT91．一m=(1一Pe)E；+(口+p△T(5) !!冬=一(1一P。)e，+(口+DaT(6) 因此，2个FBG的布拉格反射中心波长漂移差为 挈：坐气尘堑：2(1一Pe)b(7) 式(1)～(7)联立，得訾一学=塑掣EbohB㈣^B ^B ‘ 由此可见，布拉格波长漂移量的差出B12与被测磁场磁感应 强度B成正比。 3实验结果和讨论 实验装置如图3所示。3dB耦合器将宽带光源(BBS)发 出的光耦台进FBG，同时又将从FBG反射回来的光耦合进光 谱仪(G6A)。用OSA测定不同电流强度下的波长漂移量，从 而由式(8)得到被测磁场的磁感应强度。 图3双nlG磁场传感器实验装置 n§3E，：p鲥m∞词时叩01"the*r№。 BBS为LED，其工作电流为70mA，带宽为60m，峰值波 长为l550nm。两s02FBG的长度为12mm，反射率为80％， 自由状态下的2B=l565．30rtrn，带宽为0，3nm，只一o．22。等 腰三角形悬臂由甲基丙烯酸酯制成，其参数为^一2mm、bo= 10mm和L=110m，杨氏模量E一2．74X109N／m2。悬臂梁 的自由端一侧粘贴长为80n啪的导线，其电流为lA。日为 12v的直流电源，通过改变电路中的可变电阻R1，调节通过螺 线管线圈中的电流，从而改变两螺线管线圈间的磁感应强度。 图4为磁感应强度B=0．0及B=0．8T时2个FBG波长漂移 的实验结果。06A的精度为0．1nm，可以检测的最小磁感应 强度为o．09T。 Wavelength／nm fa、脚．0T (神B=08T 围4不同磁感应强度对应的波长漂移光谱 №4№fh咖8pe蛔∞R唰to nt伍样h哪tmagneticiaductiondemity 万方数据 ·1168· 由式(8)可见．布拉格波长漂移量的差出B12只与被测磁场 磁感应强度B成正比，而和环境温度变化△1、无关。因此，该 传感器可以自动补偿布拉格波长温漂效应。为了验证环境温 度变化对该传感器的影响，在测量过程中，2次利用空调使环 境温度迅速下降。嘲5为测得的单FBG的波长漂移曲线，可 见，有z个明显的波动。图6为2个FBG波长漂移差Lg,B12和 被测磁感应强度B的拟台曲线，可见，FBG波长漂移差出B12 没有受温度变化A．T的影响。因此，该法对温度补偿是有 效的。 Magneticinductiondensityff 围5单FDG波长藻移和被测磁感应强度曲线 F嘻5WavekmgthshiftV1日"SIISthem％删 I瑚g耻“cinductioflaemity Magneticinductiondensity／T 围6双阳G波长漂移差和被测磁感应强度拟台曲线 隐6 WⅢlengthshiftaifferellteeⅧ therl∞掣d赴indut"liondensity 由图6可以看出：在测置范围内，磁感应强度和FBG的布 拉格波长漂移差问有很好的线性关系，其灵敏度为1．11rim／ T。由式(8)得其灵敏度的理论值为1．16．m／T，其相对误差为 4．3】％。可见，实验结果与理论值是一致的。其误差是由于光 纤、粘结剂及悬臂梁材料问杨氏模量不同所引起。因此t为了 减少误差，尽量选用杨氏模量相近的材料。另外，由式(8)君 光电孑·嫩光!!!!生筻!!堂 到，增加导线的长度，也会提高灵敏度。 在该传感器中，采用了甲基丙烯酸酯构成的等腰三角形悬 臂梁，保证了悬臂梁受到电磁场力后．FBC-仍为周期光栅，从而 使其在布拉格反射波长漂移的同时滞宽保持不变。避免了光 栅光谱的啁啾信号，从而改善了波长漂移信号测量的精度。此 外，悬臂粱是垂直固定在框架的上面．因此，克服了悬臂梁水平 放置时其自身重量和载流导线重量的影响，从而，改善了波长 漂移信号测量的精度。 4结论 提出了一种基于双FBG的新型磁场传感器。该结构的 FBG磁场传感器具有温度补偿的特点，从而解决了FBG传感 器的交叉敏感同胚，提高了测量精度。垂直放置的等腰三角形 悬臂粱，确保FBG在传感过程中不出现啁啾现象．并避免了自 身重量和导线重量对测量结果的影响，从而提高了测量精度。 测得系统传感灵敏度为1．11nn∥T，与理论值的相对误差为 4．31“。结果表明。该传感器结构是可行的。 参考文献 [1]KerseyAD，DavisMA，PatrickHJ，eta『Tran日'llssiono『e“rpea opf例pulseshflbergraIingdispersion∞m。em删syste．1．=J3E- k{ctronLett，1997，33(2)：152-154 [2]山叼J．^细H，JeeB，eta『FilberB憎孵grat旧lJspersionco呷dM— ted科s々e吐~口^耐砸．1999，38(13)：2752—2754 [3]LlUYun-qi，GtJOZhuan-”Jn，LIUzhi-guo，eta『Flbergratingsm with∞恼恻predJreandtenlzeraltroo日商fI哪[J]Ctm片幛 Lett，2000，17(2)：115一116 口]z'∞Y．UaoYDiscriminationrne,t1．1：xi3anddemoddlationtechniques forfibergratingsentry-J]optesandLtlsem仉丘啪联帅w，2004· 41(1)：1-18 Ls]wwLi-bing，讥^N。Dian-缸,R售earchonternpera'aJrecompensation olfibergratr曰stTainsd-isorbased∞refererEegalIr吐JJ出删of cI北—鲥眺·幽(光电子·激光)，2006，17(1)：50—53(in Chinese) [63瑚IJ-州n，LIQiu-feng，dNTion-heAfibo·"Bmgggrat哪current detectionsyst㈣based∞elecl岬《JJotlunlo／of印蛔胁- tron／cs·Las凹(光电子·激光)，2006，17(6)：697—699(inChinese) [7]2t'IN,IGZi-rnao，YINYa-jun，FANQin-shmMtlter／o／№dm储[M] BeiJ旧：HigherEducmi∞Preg，200524OnCNm∞) [8]刁删帕Xeo-j哟，V刖ZNtn-柚．a州屺Bo．州ng，酎afEw酬 ShJ却∞0懈9e陋itivilyo|Tem田atu'eandStraindFiber印吣 Br嘲口aIi吼J]由删o，印船19m：1惜·Loser(光电子·激 光)，2005，16(5)：556-569(inaⅥ榭) [9]2HAOK-．oi-IUa，c}创舡ⅣⅢEle咖㈨卵临[M]I摘iing：Hig时 E№lI∞Pre∞，1985．361-367(hCtm∞e) 作者简舟： 栖离连(1963一)，男，副教授．硕士，研究方向为光电检测．传感技术等． EE曾专P口Hc皇2日≥ 万方数据 双光纤布拉格光栅磁场传感器 作者： 杨淑连， 申晋， 李田泽， YANG Shu-lian， SHEN Jin， LI Tian-ze 作者单位： 山东理工大学电气与电子工程学院,山东,淄博,255049 刊名： 光电子·激光 英文刊名： JOURNAL OF OPTOELECTRONICS·LASER 年，卷(期)： 2007,18(10) 参考文献(9条) 1.Kersey A D.Davis M A.Patrick H J Transmission of chirped optical pulses in fiber grating dispersion compensated system[外文期刊] 1997(02) 2.Jung J.Nam H.lee B Fiber Bragg grating dispersion compensated system 1999(13) 3.LIU Yun-qi.GUO Zhuan-yun.LIU Zhi-guo Fiber grating sensor with enhanced pressure and temperature sensitivity[期刊论文]-Chinese Physics Letters 2000(02) 4.Zhao Y.Liao Y Discrimination methods and demodulation techniques for fiber grating sensors[外文期 刊] 2004(01) 5.WAN Li-bing.WANG Dian-fu Research on temperature compensation of fiber grating strain sensor based on reference grating[期刊论文]-光电子·激光 2006(01) 6.ZHAO Li-min.LI Qiu-feng.QIN Tian-he A fiber Bragg grating current detection system based on electromagnet[期刊论文]-光电子·激光 2006(06) 7.ZHANG Zi-mao.YIN Ya-jun.FAN Qin-shan Material Machanics 2005 8.ZHANG Xiao-jing.WU Zhan-jun.ZHANG Bo-ming Experimental Study on Cross-sensitivity of Temperature and Strain of Fiber Optic Bragg Gratings[期刊论文]-光电子·激光 2005(05) 9.ZHAO Kai-hua.CHEN Xi-mou Electromagnetics 1985 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gdzjg200710007.aspx