基于光纖光柵傳感器和超磁致伸縮材料的磁場測量★

曲雙如，丁克勤，趙晶亮

（1 中北大學 信息與通信工程學院 山西太原 030051；2 中國特種設備檢測研究院 北京 100013）

0 引言

稀土超磁致伸縮材料是20世紀80年代末新發展的新型功能材料，主要是指稀土—鐵系金屬間化合物。所謂磁致伸縮材料，是指透過對其上變化的磁場的感應而產生形變的材料，而稀土超磁致伸縮材料的磁致伸縮系數比一般磁致伸縮材料高約100至1000倍，實現了磁—電能—機械能的高效轉換，具有極佳的運用前景。

在生產生活中對磁致伸縮材料的運用一般原理是將溫度，濃度等轉化為磁致伸縮材料的應變來測量。已有了電阻應變片法，光桿測量法等等，但都無法避免利用電信號，或者測量方法不夠穩定的缺點。這里我們利用布拉格光纖光柵對應變的敏感性來測量磁致伸縮材料的應變。通過磁致伸縮的應變情況可推得磁場的變化[1]。

1 磁致伸縮現象產生機理

磁致伸縮是一個相當復雜的現象，從自由能極小的觀點來看，磁性材料的磁化狀態發生變化時，其自身的形狀和體積都要改變，因為只有這樣才能使系統的總能量最小。

磁致伸縮現象產生的機理如圖1所示。在居里溫度以下，磁性材料中存在著大量的磁疇，由于各個磁疇的自發磁化方向不盡相同,因此在沒有外加磁場時，自發磁化引起的形變互相抵消，顯示不出宏觀效應。外加磁場H后，各個磁疇的自發磁化都轉向外磁場H方向，于是產生了宏觀磁致伸縮[2]。本實驗中用到的是Tb0.3Dy0.7Fe1.95。

圖1 磁致伸縮現象產生機理

2 光纖布拉格光柵應變響應原理

短周期光纖屬于反射型帶通濾波器，長周期光纖屬于透射型帶阻濾波器。當光通過光纖光柵時，光纖光柵將反射或透射其中以布拉格波長λB為中心波長的窄譜分量，圖3為布拉格光纖光柵原理圖[3]。

圖2 光纖布喇格光柵原理圖

圖3 光纖光柵解調儀

對于光線布拉格光柵，波長λB是入射光通過光纖布拉格觀賞反射回來的中心波長。

式中，Λ是相位掩模光柵的周期：neff是光纖纖芯針對自由空間中心波長的折射率[4]。對于光纖光柵反射中心波長（對短周期光纖光柵）或透射中心波長（對長周期光纖光柵）與介質折射率有關，在溫度、應變、壓強、磁場等一些參數變化時，中心波長也會隨之變化。通過光譜分析儀檢測反射或投射中心波長的變化，就可以間接檢測外界環境參數的變化[5]。

當光纖布拉格光柵受到外力作用時，由于彈光效應及光柵周期引起光纖布拉格光柵反射波中心波長λB的偏移為：

在軸向應力作用下，布拉格光柵反射波中心波長相對偏移量與軸向應變之間的關系為：

式中，pe為光纖的有效彈光系數，ε為光纖光柵的軸向應變[6]。

應變靈敏度 Kε=1?pe，με表示微應變。

3 FBG應變傳感器測量磁致伸縮率實驗分析

實驗中，將封裝好的FBG傳感器（中心波長λB為1 549.99 nm）安裝于磁致伸縮材料上，同時在磁致伸縮材料的兩端放置棒狀永磁體，并準備好穩定的高斯計用來監測磁致伸縮材料所受磁場的變化，通過移動兩個磁鐵之間的距離，改變磁致伸縮材料所受磁場，實驗裝置如圖4所示。

圖4 實驗裝置圖

已知光纖光柵傳感器傳感器應變響應靈敏度Kε為 7.814×10-7/με，根據式（2）得光纖光柵傳感器ΔλB1.2112pm/με，又已知廠家給出的磁致伸縮材料的材料伸縮率數據，通過軟件讀取某些時刻反射波長值以及此時高斯計的值BS與廠家值B作對比（見表1）。

表1 光纖傳感器波長變化及解調結果

與廠家提供數據比對，經過線性擬合得到的波長應變曲線如圖5所示。

圖5 波長、應變-磁場擬合圖

圖5中兩條線幾乎重合，通過實驗結果比較分析，由傳感器測得的磁場強度和實際廠家給出磁場強度一致，故而可以很好地測量工程中磁場強度的變化。

4 結論

通過FBG應變傳感器測量磁致伸縮材料應變，反推出磁場變化，并與廠家提供的曲線進行對比，能夠較為準確的測量磁場強度的變化。利用這種方法，在避免電信號的情況下，可用于測量更多的磁場變化，有很好的應用前景。

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