電致伸縮式FBG磁場傳感器設計

段劉蕊， 李英娜， 趙成均， 李　川， 趙振剛

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500)

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電致伸縮式FBG磁場傳感器設計

段劉蕊， 李英娜， 趙成均， 李川， 趙振剛

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500)

摘要:目前，工業生產現場應用的磁場傳感器通常需要采取防爆、防電火花等措施，其現場應用具有一定的局限性，而采用光纖Bragg光柵(FBG)作為傳感元件的磁電感應的電致伸縮式磁場傳感器由于其抗電磁干擾、強絕緣性，能夠在一定程度上提高在工業生產中的應用范圍。根據電致伸縮式FBG磁場傳感器工作原理，通過測量的中心波長的移位量可以計算出實測磁場的大小，可以對磁場進行實時監測。測試結果表明：該磁場傳感器的靈敏度為0.113 pm/Gs，非線性誤差為5.45 %FS，能夠很好地滿足工業生產現場的應用。

關鍵詞：磁電感應； 光纖Bragg光柵(FBG)； 電致伸縮； 靈敏度； 非線性誤差

0引言

磁場傳感器大多數都采用電信號或磁信號等來進行采集數據，這些數據經過處理轉換成非電量。因此，在很多工業的應用場合中，必須要對供電線路、監測環境、安裝現場采取一定的防爆、防干擾、防電火花等措施[1]。近年來，一種新型的光纖傳感檢測技術脫穎而出，由于光纖傳感技術具有低耗傳輸、抗腐蝕、抗電磁干擾、抗絕緣等優點，廣泛被用于強電磁干擾、強腐蝕等特殊工作環境中，相比傳統的磁場傳感器，具有更為廣闊的應用前景和范圍[2]。2002年，Yang H H等人提出了新型微機械磁場傳感器，主要結構由合金與多晶硅扭轉梁組成。隨著微機械技術的快速發展，在2004年，Ciudad D等人提出雛形MEMS磁場傳感器，由相同的磁性材料組成尺寸相同的梁，利用磁化之后會產生一定的位移，根據位移的大小來實現測試磁場大小的目的[3]。到了2008年，在東南大學教育部重點實驗室，李成章和黃慶安提出了新型梳狀諧振磁場傳感器，通過電容檢測輸出信號，也利用反饋放大到激勵端，讓諧振穩定在一定頻率上[4]。

本文研制了一種電致伸縮式光纖Bragg光柵(fiber Bragg grating,FBG)磁場傳感器，該傳感器的傳感元件具備低耗傳輸、抗腐蝕、抗電磁干擾、強絕緣性等優點[5]，可以適用于核工業、石油、冶金、化工等特殊的工業環境中[6]。

1主要結構與工作原理

1.1主要結構

在電致伸縮式FBG磁場傳感器中，單片機與直流電機驅動模塊相連，驅動電路模塊接入直流驅動電機，電機引出轉軸與加長轉軸相連，在加長轉軸上接入電樞繞組，同軸的另一端接入換向器和電刷，電樞繞組采用單疊式繞組，同一線圈的引出端分別接至相鄰的換向片上，換向器與電刷相接觸，電刷固定在電刷座上，其電刷端引出觸點與疊堆型壓電陶瓷的電壓輸入端相連，FBG通過兩個粘接點粘接在疊堆型壓電陶瓷上，并與外接引出光纖相連，其結構圖如圖1。

圖1　電致伸縮式FBG磁場傳感器的結構圖Fig 1　Structure diagram of electrostrictive FBGmagnetic field sensor

1.2工作原理

利用單片機的脈寬調制(PWM)，來閉環控制直流驅動電機的轉速，通過直流驅動電機的轉軸帶動電樞線圈切割磁場，發生電磁感應現象，根據直流發電機內部的磁電感應原理，將磁場轉換成電場，產生的感應電動勢經過換向器和電刷的整流，通過導線將電刷輸出電壓端接在疊堆型壓電陶瓷的Z軸方向上，根據壓電陶瓷的電致伸縮效應，當在壓電陶瓷的Z軸方向加上電壓時，使得粘接在疊堆型壓電陶瓷上的FBG的中心波長發生移位，而根據FBG波長移位的測量與磁場大小的變化量呈的線性關系，可以對磁場進行實時監測。

2實驗測試與分析

2.1測試系統

FBG磁場傳感器測試系統如圖2所示，主要由寬帶ASE光源、3 dB耦合器、FBG解調儀、直流電源、磁電感應的電致伸縮式FBG磁場傳感器、高精度萬用表、示波器、基于霍爾效應的雙極型磁場傳感器等組成。

圖2　電致伸縮式FBG磁場傳感器測試系統圖Fig 2　Test system diagram of electrostrictive FBGmagnetic field sensor

當測試系統中基于電致伸縮效應的FBG磁場傳感器感知到磁場的變化時，會將磁場的變化轉換成相應光信號的變化，即為FBG中心波長的移位量。通過FBG解調儀解調之后，可以將檢測到的光信號解調成相應的電信號，并將數據傳送至計算機。計算機通過檢測軟件與自身的處理，解調到與磁場大小相對應的波長值，通過顯示屏以數字形式顯現出來。

2.2實驗過程與結果

接通FBG解調儀的電源，測量Bragg光柵和溫補光柵的初始波長，開啟可調直流電源，并將其調到電壓12 V，電機開始全速轉動。開始進行正行程實驗，根據基于霍爾效應的磁場傳感器磁場標定實驗，選取磁鐵相距3～10 cm的磁場大小作為測量環境。將原來的磁鐵放置在距離電樞線圈10 cm處，正行程實驗的過程是磁鐵從米尺的兩側向中心移動，每次移動0.5 cm，停頓2 min，直至移動到距離中心3 cm，經過30 min后進行反行程實驗，每塊磁鐵從距離中心3 cm處逐漸向兩側移動，并且每次移動0.5cm，觀察每次移動距離后，記下每次移動距離對應FBG中心波長的讀數。一組實驗完成后，待磁場傳感器與測試系統穩定1 h之后，然后進行下一次實驗，重復進行三次上述正反行程實驗，可以得到在三次重復性實驗中，磁場大小的變化量與FBG中心波長移位量(包括測量光柵和溫補光柵中心波長移位量)的對應數據，如表1所示。

表1　消除溫度影響后的波長移位量

由表1的數據進行對比分析，通過對消除溫度影響之后的中心波長的移位量求平均值，可以得到磁場大小的變化量與測量光柵的平均應變波長移位量的數據參數，如表2所示。其磁場與應變波長移位量的關系曲線圖，參見圖3。

圖3表明:三次正反行程實驗中，經過溫補后的正行程實驗的測試靈敏度與反行程試驗中的測試靈敏度只有小幅的波動，基本保持一致，與擬合直線的擬合程度較高，可以得到光柵波長的平均移位量與磁場大小的變化量呈現良好的線性關系。

傳感器的靈敏度是指輸出參數變化量與輸入參數變化量之比。單次正或反行程過程中輸出FBG中心波長的移位量與輸入磁場大小的變化量之比

表2　測量光柵的平均應變波長數據

圖3　溫補后磁場變化量與光柵平均波長移位的關系曲線圖Fig 3　Relationship curve of variation of magnetic field andaverage wavelength displacement after temperature compensation

s=Δλ/ΔB,

(2)

式中Δλ為單次正或反實驗過程中FBG中心波長的移位量，ΔB為單次正或反行程實驗中磁場大小的變化量。

通過對三次正反行程實驗所得數據進行分析可知，在其實驗過程中，電致伸縮式FBG磁場傳感器的靈敏度，如表3所示。

通過對表3的實驗進行數據處理分析，對三次正反實驗中所得靈敏度求算術平均值，可以得到傳感器測試系統的靈敏度為：在正行程實驗中，靈敏度為0.112 3 pm/Gs，在反行程實驗中，靈敏度為0.112 7 pm/Gs，對正反行程實驗求平均值，總體上可得磁場傳感器的靈敏度為0.113 pm/Gs。

表3　三次正反行程實驗中FBG磁場傳感器的靈敏度

3結論

本文依據電致伸縮式FBG磁場傳感器的主要結構與其工作原理，研制了一種電致伸縮式FBG磁場傳感器，根據該磁場傳感器的測試要求和國家規定的測試規范，設計并完成了磁場傳感器及其零部件的測試系統搭建與測試實驗，可對本文設計的磁場傳感器進行了正反行程的重復性測試。為了實驗測試的準確性與嚴密性，在實驗過程中，充分考慮到了傳感器的非線性誤差和靈敏度。測試結果表明：該磁場傳感器的靈敏度為0.113 pm/G，非線性誤差為5.45 %FS。

參考文獻:

[1]丁小平,王薇,付連春，等.光纖傳感器的分類及其應用原理[J].光譜學與光譜分析，2006,26(6):1176-1178.

[2]李川.光纖傳感器技術[M].北京：科學出版社，2012：344-355.

[3]杜廣濤,陳向東.微機電磁場傳感器發展綜述[C]∥2009年全國第二屆電磁材料及器件學術會議論文集，2009:16-18.

[4]李成章,黃慶安.梳狀諧振式磁場傳感器設計[J].微納電子技術,2007,44(7):279-281.

[5]王學強.光纖傳感器在電力系統中的應用研究[J].無線互聯科技,2013(11):149-150.

[6]趙愚,呂碧超,邱強，等.一種新型光纖光柵感溫火災探測系統的研制及應用[J].石油化工自動化,2004(2):86-88.

段劉蕊(1989-)，女，河南新鄉人，碩士研究生，主要從事光纖傳感器與智能化儀器儀表方面的學習研究。

李川， 通訊作者，E—mail:boatriver@eyou.com。

Design of electricstrictive FBG magnetic field sensor

DUAN Liu-rui, LI Ying-na, ZHAO Cheng-jun, LI Chuan, ZHAO Zhen-gang

(School of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

Abstract:At present,application of magnetic field sensor in industrial production site often takes the form of explosion-proof,EDM and other methods, so it has certain limitations in field application,but magnetoelectric inductive electrostriction type magnetic field sensor using fiber Bragg grating (FBG) as sensing element can increase range of applications in industrial production to a certain extent,because of its anti electromagnetic interference,strong insulation resistance property.According to working principle of electrostriction type FBG magnetic field sensor,through measuring shift amount of center wavelength,measured magnetic field can be calculated ,magnetic field can be real-time monitored.Test results show that the sensitivity of the magnetic sensor is 0.113 pm/Gs,nonlinear error is 5.45 %FS,it can well meet the application of industrial production field.

Key words:magnetoelectric induction; fiber Bragg grating (FBG); electrostrictive; sensitivity; nonlinear error

作者簡介:

中圖分類號：TN 253

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)01—0114—03

收稿日期：2015—04—09

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0114—03