基于光纤光栅的压力与磁场传感系统的研究

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作为新一代的光器件,光纤光栅(FBG)因其布拉格波长对应变和温度十分敏感,备受研究学者的关注,被广泛地应用于许多领域。光纤光栅传感器,作为一种新兴的传感器,在军事、航空航天、环境监测和科学研究等领域得到了广泛的应用。相对于传统的电磁传感器,FBG传感器具备许多特殊的优点,例如结构简单小巧、抗电磁干扰(EMI)和耐腐蚀等等。光纤传感器这些优点使它更加适合在高温、易爆、辐射、腐蚀等恶劣环境下应用。光纤光栅的多路复用技术,使其在工业生产、环境监测和城建监控等方面具有很大的市场。  根据光纤光栅的传感性质,本文提出并且制作了基于光纤光栅的压力和磁场传感系统。全文中从理论上论证了光纤光栅和法布里-珀罗腔的传感原理,简述了两种传感系统的制作步骤,验证了传感系统的测量特性和温度特性。主要内容为下面两个部分:  第一,本文提出和制作了基于光纤光栅的压力传感系统。采用悬臂梁作为传感元件,转换外界压力为轴向应变。利用仿真软件分析悬臂梁的受力情况,发现悬臂梁的固定处应变最大,于是将两个光纤光栅分布粘附于悬臂梁固定处的上下两侧。分析了FBG的栅区长度与其带宽的关系,选取了FBG的栅区长度为1 mm。由于两侧的FBGs对外界温度变化相应相同,所以我们利用差分方法消除了温度对测量结果的影响,并且提高了传感系统的灵敏度。使用激光二极管的斜边检测方法来调制和解调光信号,代替了光谱仪和光栅解调仪,节约了传感系统的制作成本,具有巨大的现实应用的价值。  第二,本文提出并且验证了基于光纤光栅F-P腔的磁场传感器,简要介绍了软磁材料(1J22)和有机硅胶PDMS。传感系统采用软磁棒作为制动元件,代替了超磁致伸缩材料或者磁流体等高价格材料,将磁场变化转换为磁致伸缩应力,降低传感系统的制造成本,并且消除了大多数磁场传感器的磁滞效应。采用光栅F-P腔的结构作为传感部分,将磁致伸缩应力转换为共振峰的漂移。用柔软的有机硅胶连接两根具有相同参数的FBGs,因为有机硅胶的杨氏模量和泊松比都远远小于二氧化硅光纤,所以当存在磁致伸缩应力时,组成F-P腔的有机硅的变形量远大于两侧的FBGs。故而,磁场变化只会引起F-P腔共振峰的偏移,FBG的布拉格波长对磁场不敏感。测量了传感系统的磁场特性,验证了光纤光栅F-P腔磁场传感器的灵敏度。测试了传感器的温度特性,发现在该传感系统中FBG只对温度敏感,所以我们可以利用FBG的温度特性,实现传感系统的温度自参考功能。本文设计传感系统具有成本低、灵敏度高和结构简单等优点,非常适合在现实变化磁场中使用。
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