基于光纤光栅传感器和超磁致伸缩材料的磁场测量★

曲双如，丁克勤，赵晶亮

（1 中北大学 信息与通信工程学院 山西太原 030051；2 中国特种设备检测研究院 北京 100013）

0 引言

稀土超磁致伸缩材料是20世纪80年代末新发展的新型功能材料，主要是指稀土—铁系金属间化合物。所谓磁致伸缩材料，是指透过对其上变化的磁场的感应而产生形变的材料，而稀土超磁致伸缩材料的磁致伸缩系数比一般磁致伸缩材料高约100至1000倍，实现了磁—电能—机械能的高效转换，具有极佳的运用前景。

在生产生活中对磁致伸缩材料的运用一般原理是将温度，浓度等转化为磁致伸缩材料的应变来测量。已有了电阻应变片法，光杆测量法等等，但都无法避免利用电信号，或者测量方法不够稳定的缺点。这里我们利用布拉格光纤光栅对应变的敏感性来测量磁致伸缩材料的应变。通过磁致伸缩的应变情况可推得磁场的变化[1]。

1 磁致伸缩现象产生机理

磁致伸缩是一个相当复杂的现象，从自由能极小的观点来看，磁性材料的磁化状态发生变化时，其自身的形状和体积都要改变，因为只有这样才能使系统的总能量最小。

磁致伸缩现象产生的机理如图1所示。在居里温度以下，磁性材料中存在着大量的磁畴，由于各个磁畴的自发磁化方向不尽相同,因此在没有外加磁场时，自发磁化引起的形变互相抵消，显示不出宏观效应。外加磁场H后，各个磁畴的自发磁化都转向外磁场H方向，于是产生了宏观磁致伸缩[2]。本实验中用到的是Tb0.3Dy0.7Fe1.95。

图1 磁致伸缩现象产生机理

2 光纤布拉格光栅应变响应原理

短周期光纤属于反射型带通滤波器，长周期光纤属于透射型带阻滤波器。当光通过光纤光栅时，光纤光栅将反射或透射其中以布拉格波长λB为中心波长的窄谱分量，图3为布拉格光纤光栅原理图[3]。

图2 光纤布喇格光栅原理图

图3 光纤光栅解调仪

对于光线布拉格光栅，波长λB是入射光通过光纤布拉格观赏反射回来的中心波长。

式中，Λ是相位掩模光栅的周期：neff是光纤纤芯针对自由空间中心波长的折射率[4]。对于光纤光栅反射中心波长（对短周期光纤光栅）或透射中心波长（对长周期光纤光栅）与介质折射率有关，在温度、应变、压强、磁场等一些参数变化时，中心波长也会随之变化。通过光谱分析仪检测反射或投射中心波长的变化，就可以间接检测外界环境参数的变化[5]。

当光纤布拉格光栅受到外力作用时，由于弹光效应及光栅周期引起光纤布拉格光栅反射波中心波长λB的偏移为：

在轴向应力作用下，布拉格光栅反射波中心波长相对偏移量与轴向应变之间的关系为：

式中，pe为光纤的有效弹光系数，ε为光纤光栅的轴向应变[6]。

应变灵敏度 Kε=1−pe，με表示微应变。

3 FBG应变传感器测量磁致伸缩率实验分析

实验中，将封装好的FBG传感器（中心波长λB为1 549.99 nm）安装于磁致伸缩材料上，同时在磁致伸缩材料的两端放置棒状永磁体，并准备好稳定的高斯计用来监测磁致伸缩材料所受磁场的变化，通过移动两个磁铁之间的距离，改变磁致伸缩材料所受磁场，实验装置如图4所示。

图4 实验装置图

已知光纤光栅传感器传感器应变响应灵敏度Kε为 7.814×10-7/με，根据式（2）得光纤光栅传感器ΔλB1.2112pm/με，又已知厂家给出的磁致伸缩材料的材料伸缩率数据，通过软件读取某些时刻反射波长值以及此时高斯计的值BS与厂家值B作对比（见表1）。

表1 光纤传感器波长变化及解调结果

与厂家提供数据比对，经过线性拟合得到的波长应变曲线如图5所示。

图5 波长、应变-磁场拟合图

图5中两条线几乎重合，通过实验结果比较分析，由传感器测得的磁场强度和实际厂家给出磁场强度一致，故而可以很好地测量工程中磁场强度的变化。

4 结论

通过FBG应变传感器测量磁致伸缩材料应变，反推出磁场变化，并与厂家提供的曲线进行对比，能够较为准确的测量磁场强度的变化。利用这种方法，在避免电信号的情况下，可用于测量更多的磁场变化，有很好的应用前景。

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