曲雙如，丁克勤，趙晶亮

（1 中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院 山西太原 030051；2 中國特種設(shè)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(jì)80年代末新發(fā)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(yīng)而產(chǎn)生形變的材料，而稀土超磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)比一般磁致伸縮材料高約100至1000倍，實現(xiàn)了磁—電能—機(jī)械能的高效轉(zhuǎn)換，具有極佳的運(yùn)用前景。

在生產(chǎn)生活中對磁致伸縮材料的運(yùn)用一般原理是將溫度，濃度等轉(zhuǎn)化為磁致伸縮材料的應(yīng)變來測量。已有了電阻應(yīng)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(wěn)定的缺點(diǎn)。這里我們利用布拉格光纖光柵對應(yīng)變的敏感性來測量磁致伸縮材料的應(yīng)變。通過磁致伸縮的應(yīng)變情況可推得磁場的變化[1]。

1 磁致伸縮現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理

磁致伸縮是一個相當(dāng)復(fù)雜的現(xiàn)象，從自由能極小的觀點(diǎn)來看，磁性材料的磁化狀態(tài)發(fā)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(tǒng)的總能量最小。

磁致伸縮現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)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(fā)磁化方向不盡相同,因此在沒有外加磁場時，自發(fā)磁化引起的形變互相抵消，顯示不出宏觀效應(yīng)。外加磁場H后，各個磁疇的自發(fā)磁化都轉(zhuǎn)向外磁場H方向，于是產(chǎn)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(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理

2 光纖布拉格光柵應(yīng)變響應(yīng)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(dāng)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(diào)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(zhì)折射率有關(guān)，在溫度、應(yīng)變、壓強(qiáng)、磁場等一些參數(shù)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(huán)境參數(shù)的變化[5]。

當(dāng)光纖布拉格光柵受到外力作用時，由于彈光效應(yīng)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(yīng)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(yīng)變之間的關(guān)系為：

式中，pe為光纖的有效彈光系數(shù)，ε為光纖光柵的軸向應(yīng)變[6]。

應(yīng)變靈敏度 Kε=1?pe，με表示微應(yīng)變。

3 FBG應(yīng)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(zhǔn)備好穩(wěn)定的高斯計用來監(jiān)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(yīng)變響應(yīng)靈敏度Kε為 7.814×10-7/με，根據(jù)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(shù)據(jù)，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(diào)結(jié)果

與廠家提供數(shù)據(jù)比對，經(jīng)過線性擬合得到的波長應(yīng)變曲線如圖5所示。

圖5 波長、應(yīng)變-磁場擬合圖

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

4 結(jié)論

通過FBG應(yīng)變傳感器測量磁致伸縮材料應(yīng)變，反推出磁場變化，并與廠家提供的曲線進(jìn)行對比，能夠較為準(zhǔn)確的測量磁場強(qiáng)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(yīng)用前景。

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