高美玲,金可臻,宋榮和，喬學(xué)光

(1.西北大學(xué) 物理學(xué)院,陜西 西安 710127；2.陜西省建筑材料工業(yè)學(xué)校, 陜西 西安 710000)

磁場測量技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于航海航天、生命科學(xué)、資源勘探、地震監(jiān)測等領(lǐng)域[1-3]。鑒于在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用前景,多種性能和用途的磁場傳感器已被開發(fā),如霍爾傳感器、各向異性磁阻傳感器、磁通門磁強計、超導(dǎo)量子干涉器件等[4-7]。傳統(tǒng)的電磁類磁場傳感器普遍存在體積笨重、動態(tài)范圍小、抗電磁干擾能力差、復(fù)用性差等缺點。光纖磁場傳感器以光纖為信號傳感和傳輸?shù)妮d體,與傳統(tǒng)的電磁類磁場傳感器相比,具有頻帶寬、重量輕、體積小、抗電磁干擾、抗化學(xué)腐蝕等優(yōu)點,因而受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

目前研究的光纖磁場傳感器主要基于法拉第效應(yīng)、磁流體以及磁致伸縮效應(yīng)[8-12]。法拉第效應(yīng)測量磁場的理論非常完美,但實際測量時靈敏度低[13],這是因為光纖的費爾德常數(shù)較小(在1 550 nm為0.198 8 rad/Tm)?；诖帕黧w的磁場傳感器,利用磁流體折射率可調(diào)的特點來實現(xiàn)磁場傳感,但由于磁流體的液體屬性,在實際應(yīng)用中難以包裝和集成[14-15]?；诖胖律炜s效應(yīng)的光纖磁場傳感器,利用磁致伸縮材料在磁化時產(chǎn)生應(yīng)變而實現(xiàn)磁場傳感[16]。該類傳感器按原理可分為光波的相位和波長調(diào)制。相位調(diào)制型光纖磁場傳感器[17-18]也稱為光纖干涉型磁場傳感器,將光纖干涉?zhèn)鞲刑筋^與磁致伸縮材料相結(jié)合，利用光纖干涉原理和相位解調(diào)方法實現(xiàn)磁場傳感。在磁場作用下,磁致伸縮材料的應(yīng)變改變光的傳播路徑,而引起干涉光的相位差發(fā)生變化。波長調(diào)制型光纖磁場傳感器是將磁致伸縮材料涂覆或粘貼于光柵之上,利用光纖光柵的應(yīng)變敏感性和波長選擇性來測量磁場[19-21]。磁致伸縮材料將應(yīng)變傳遞給光柵,引起光柵的反射中心波長發(fā)生變化。

超磁致伸縮材料是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的新型的功能材料,其磁致伸縮系數(shù)比一般磁致伸縮材料(鐵、鈷、鎳)高50～60倍。鋱鏑鐵(Terfenol-D)作為一種非常具有研究價值的超磁致伸縮材料,有磁致伸縮系數(shù)大、耦合因子高響應(yīng)速度快等特點?；赥erfenol-D材料與法布里珀羅(FP)研制的光纖磁場傳感器性能卓越。馬瑞等研制出一種基于Terfenol-D材料的本征型FP磁場傳感器[22],本征型FP是用兩個相同參數(shù)的FBG串聯(lián)而成,利用波長解調(diào)的方法實現(xiàn)磁場傳感,該傳感器磁場靈敏度為1.7×10-3nm/mT。該傳感器雖可測量磁場,但未考慮溫度對測量靈敏度的影響。ZHOU Bin等提出一種具有溫度自校準(zhǔn)的磁場傳感方法[23],傳感探頭也是由兩個相同參數(shù)FBG的串聯(lián)而成,利用FBG形成本征FP干涉結(jié)構(gòu)的同時實現(xiàn)溫度補償,該傳感器磁場靈敏度為348×10-2nm/mT,FBG和FP溫度靈敏度分別為0.010 31 nm/℃、0.255 75 nm/℃。以上兩個傳感探頭結(jié)構(gòu)類似,容易制作,易于復(fù)制,但磁場測量靈敏度較低，這是由于本征型FP靈敏度低導(dǎo)致的。ZHANG Peng等研制了一種新型的光纖磁場傳感探頭[24],該探頭是將EFPI結(jié)構(gòu)粘貼于Terfenol-D平板制成的。在10～88 mT測量范圍內(nèi),傳感器最高靈敏度高達(dá)8.55 nm/mT。該傳感器靈敏度高,測量范圍大,但沒有考慮溫度對FP腔的橫向交叉影響。

在ZHANG Peng等人的研究基礎(chǔ)上,本文結(jié)合Terfenol-D材料和EFPI與FBG串聯(lián)結(jié)構(gòu),研制出一種具有溫度補償作用的高靈敏度磁場傳感器。Terfenol-D材料具有高效磁致伸縮性能,在外加磁場作用下易發(fā)生形變并改變EFPI腔長,通過監(jiān)測干涉光譜漂移,利用高精度的波長解調(diào)技術(shù),可實現(xiàn)靜態(tài)磁場信號的高靈敏度檢測。由于Terfenol-D材料的熱膨脹系數(shù)較大,溫度波動引起的材料伸縮量極大地影響了磁場探測的精度,將FBG與EFPI串聯(lián),可有效消除熱效應(yīng)對磁場測量的影響,實現(xiàn)磁場和溫度的同時檢測。此外,對該傳感器的指向性、重復(fù)性、可逆性進行了研究。本文提出的磁場傳感器具有靈敏度高、磁場和溫度區(qū)分測量、成本低、制作簡單等優(yōu)點,該傳感器在電磁場測量方面有著潛在應(yīng)用價值。

1 傳感設(shè)計與傳感機理

1.1 傳感器設(shè)計

傳感機理如圖1A所示,傳感結(jié)構(gòu)包含一段單模FBG(中心波長為1 540 nm,帶寬≤3 nm,反射率為85%)和EFPI,EFPI是由一段MMF和SMF構(gòu)成。輸入光分別在FBG和EFPI兩個界面上(多模光纖空氣界面、空氣單模光纖界面)依次發(fā)生反射和透射。傳感器制作過程如圖1B所示：①將一小段MMF熔接于單模FBG,MMF主要起到準(zhǔn)直的作用;②將單模FBG接入解調(diào)儀，熔接MMF的一端粘貼在Terfenol-D 棒的微型槽內(nèi),其中,Terfenol-D 棒材的幾何尺寸為18 mm×4 mm×4 mm,微型槽是采用激光微加工技術(shù)沿Terfenol-D棒的軸向刻寫的半圓弧形凹槽,直徑為127 μm,一方面確保外徑為125 μm的SMF可固定在微型槽內(nèi)而不被損壞,另一方面可提高構(gòu)成EFPI的兩光纖端面的同心率;③取一段SMF,一端去除涂覆層后,切取8 mm,并將其置于微型槽的另一端,當(dāng)MMF和SMF端面距離接近100 μm時,可看到明顯干涉圖案,調(diào)節(jié)兩端面距離,當(dāng)獲得理想的共振干涉圖樣時,用環(huán)氧樹脂將SMF固定于Terfenol-D棒的右端,傳感器結(jié)構(gòu)制作完成，如圖1C所示。

A 傳感器傳感機理; B 光纖磁場傳感器制作過程;C 傳感器圖1 傳感器的傳感機理、制作過程及傳感器圖片F(xiàn)ig.1 Sensor′s sensing mechanism, production process and sensor picture

傳感器的反射譜如圖2所示, 其自由光譜范圍為12.08 nm, 消光比為37.16 dB。 反射譜由FBG和EFPI反射譜疊加而成, 干涉譜特性與EFPI有關(guān)。在磁場作用下,由于Terfenol-D材料高效的磁致伸縮性能,在外磁場作用下易發(fā)生形變。Terfenol-D 材料在0～450 mT磁場范圍內(nèi),磁致伸縮系數(shù)與磁場關(guān)系如圖3所示,本文研究0～100 mT范圍內(nèi)傳感器的磁場特性。

圖2 傳感器反射光譜Fig.2 Reflection spectrum of the sensor

圖3 鋱鏑鐵材料磁致伸縮系數(shù)與磁場關(guān)系圖Fig.3 Relationship between magnetostriction coefficient of Terfenol-D and magnetic field

1.2 傳感機理

FBG-FP干涉儀的3個反射面分別為:單模光纖/FBG端面、多模光纖/空氣端面、空氣/單模光纖端面,該傳感器傳感機理為多光束干涉。當(dāng)寬帶光源發(fā)出的光傳輸?shù)紽BG時,其光強為Ii;在FBG中心波長處反射光強為I1，經(jīng)由FBG傳輸?shù)紽P的輸入光和反射光分別為I2和I3;從FP反射回的光疊加后再次傳輸?shù)紽BG,透過FBG后的光強為I4；從傳感器輸出光強為Iout,是I1和I4疊加，且輸出光強滿足[25]

Iout=I1+I4=Ii[fFBG+(1-fFBG)2fFP]。

(1)

其中，fFBG和fFP分別為FBG和FP的反射系數(shù),且可表示為

(2)

(3)

其中：R為布拉格光柵的反射率；λB為中心波長；C為反射帶寬;r為光纖端面反射率;L為FP腔長。

當(dāng)外磁場作用于傳感器時,由于磁致伸縮效應(yīng),Terfenol-D棒長改變，Terfenol-D棒的應(yīng)變與磁場的關(guān)系為

(4)

其中：εT、ΔL、L分別為Terfenol-D棒的應(yīng)變、伸長量和原長;Cf為磁致伸縮系數(shù),與外磁場有關(guān),且在特定磁場范圍內(nèi)滿足線性關(guān)系;H為外磁場強度。

當(dāng)磁場和環(huán)境溫度發(fā)生變化時,由于磁致伸縮效應(yīng)和熱效應(yīng),EFPI反射光譜發(fā)生漂移。由磁場和溫度變化引起的共振干涉譜的漂移量為

Δλm=λm(αHΔH+αTΔT)。

(5)

其中：λm、Δλm分別為m階干涉谷對應(yīng)的波長及波長漂移量;αH、αT分為磁場和溫度靈敏系數(shù);ΔH、ΔT分別為磁場強度和溫度的變化量。因FBG對磁場不敏感,其中心波長漂移僅與溫度有關(guān),且滿足

ΔλB=λBβΔT。

(6)

其中：λB、ΔλB分別FBG的中心波長及其變化量;β為FBG的溫度靈敏系數(shù)。

由式(5)和(6)得EFPI和FBG波長漂移量與磁場和溫度的矩陣方程

(7)

由矩陣方程(7)計算得

(8)

利用矩陣方程(8)可進行溫度校正。

2 測試與分析討論

本文實驗裝置如圖4所示,解調(diào)儀SI155(美國微光光學(xué)公司)內(nèi)置寬帶激光光源,其光譜范圍為1 520～1 580 nm,具有高功率、低噪聲等特點。待測磁場的實驗裝置如圖5,圓餅形釹鐵硼永磁鐵(100 mm×20 mm)對稱放置于導(dǎo)軌兩端且異性磁極相對,可確保磁場沿軸向分布。旋轉(zhuǎn)臺底座放置于導(dǎo)軌上,不僅可沿導(dǎo)軌自由滑動,還可繞中心軸旋轉(zhuǎn)。為了避免鐵磁材料對磁場影響,該裝置所有配件都用有機塑料、鋁合金等材料制作而成。

圖4 實驗裝置圖Fig.4 Diagram of the experimental setup

圖5 待測磁場裝置圖Fig.5 Experimental setup of the measured magnetic field

傳感器放置于旋轉(zhuǎn)臺中心,Terfenol-D棒的軸與磁場方向一致,Terfenol-D棒附近的磁場可看作均勻磁場,特斯拉計的霍爾片固定在磁場傳感器附近。通過改變旋轉(zhuǎn)臺與永磁鐵的距離來改變磁場強度,測量范圍為0～100 mT,步長約5 mT。為了減小磁滯現(xiàn)象導(dǎo)致的測量誤差,測量過程中傳感器始終沿同一方向移動。圖6為不同強度磁場對應(yīng)的光譜,隨著磁場強度增加,干涉光譜向長波方向漂移,而FBG中心波長不發(fā)生變化,這說明FBG對磁場不敏感。干涉波谷隨磁感應(yīng)強度變化如圖7,在0～25 mT,波長幾乎不發(fā)生漂移,因為磁場對材料內(nèi)磁疇的作用力不足以克服相鄰磁疇間相互作用力,磁疇不發(fā)生旋轉(zhuǎn);在25～100 mT范圍內(nèi),磁場對Terfenol-D棒內(nèi)磁疇的作用使磁疇發(fā)生旋轉(zhuǎn),隨著磁場加,磁致伸縮系數(shù)不斷增大,光譜漂移量逐漸增大,直至光譜漂移量與磁場強度呈線性關(guān)系。對曲線進行線性擬合,得到干涉波谷漂移量對磁場強度的靈敏度為1.227 8 nm/mT,R2=99.54%。重復(fù)以上實驗3次,得到反射光譜與磁場強度關(guān)系如圖8,測試結(jié)果基本一致,該傳感器重復(fù)性較好。

圖6 不同磁場強度對應(yīng)的反射光譜Fig.6 Reflection spectrum of different magnetic field intensity

圖7 干涉波谷隨磁感應(yīng)強度變化Fig.7 Variation of interference wave trough with magnetic induction intensity

圖8 傳感器重復(fù)性測試Fig.8 Repeat measurement of the sensor

可逆性測試結(jié)果如圖9所示,短線表示磁場增強過程,短線點表示磁場降低過程。磁場增加和降低過程中同一場強對應(yīng)反射波谷不同。在0～4 mT,磁場升高和降低過程中，反射波谷相同，撤掉磁場后Terfenol-D恢復(fù)原狀,因此傳感器可反復(fù)使用;在4～30 mT，磁滯引起的反射波谷的差值逐漸增大直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);在30～80 mT,磁滯現(xiàn)象穩(wěn)定且磁滯現(xiàn)象最明顯,磁滯引起的反射波谷差值達(dá)到15.19 nm;在80～90 mT,磁滯逐漸減小到零。在磁場增加和降低過程中磁滯現(xiàn)象不可忽略,但是可以通過合理的方法降低磁滯效應(yīng),從而獲得更加理想的測試結(jié)果。

圖9 可逆性測試Fig.9 Reversibility test

圖10 磁場傳感器指向性測試Fig.10 Directivity test of magnetic field sensor

基于Terfenol-D材料的本征特性,研究了傳感器的指向性。首先,調(diào)整兩個永磁鐵,使其中心位置處磁場強度為30.80 mT,且保持不變。旋轉(zhuǎn)臺放置于兩個永磁鐵的中心位置,同時鎖死底座,傳感器固定于旋轉(zhuǎn)臺的中心,且方向與磁場方向平行。逆時針旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)臺,步幅為10°。指向性測試結(jié)果如圖10所示,共振波谷漂移量與傳感器方向有關(guān),當(dāng)磁場方與Terfenol-D棒的主軸方向平行時,傳感器靈敏度最大;當(dāng)磁場方向與Terfenol-D棒的主軸方向垂直時,傳感器靈敏度最小。傳感器的指向性可用Terfenol-D材料的軸向應(yīng)力解釋,如圖11所示。當(dāng)旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)臺時,磁場以不同方向作用于傳感器。對于特定的旋轉(zhuǎn)角度,傳感器受到的拉力僅與軸向應(yīng)力有關(guān)。作用于EFPI結(jié)構(gòu)的軸向應(yīng)力F1與旋轉(zhuǎn)角度θ有關(guān),且滿足F1=Fcosθ,其中F為Terfenol-D棒的磁場力。指向性曲線的不完全對稱性與以下因素有關(guān)：①Terfenol-D棒的磁滯現(xiàn)象導(dǎo)致對稱方向上磁致伸縮量的不同;②驗時傳感器起始方向并非平行于磁場方向;③傳感器沒有放置于旋轉(zhuǎn)臺中心位置。

圖11 磁場傳感器的磁場力分析Fig.11 Magnetic force analysis of magnetic field sensor

在傳感器的溫度響應(yīng)測試中,把傳感器放入水浴鍋內(nèi),從室溫(34℃)起,每升高1℃,等溫度穩(wěn)定后,每隔1分鐘記錄一次數(shù)據(jù),連續(xù)記錄3分鐘內(nèi)數(shù)據(jù),得到EFPI和FBG的溫度響應(yīng)分別如圖12A和12B。其中正方形散點表示測試數(shù)據(jù)點,直線是對測量數(shù)據(jù)的平均值擬合后得到的。傳感器輸出光譜是EFPI和FBG的光譜疊加,將其等效為EFPI、FBG溫度傳感器。隨著溫度增加二者反射光譜均向長波方向漂移。實驗結(jié)果表明:EFPI和FBG溫度響應(yīng)的穩(wěn)定性好,靈敏度分別為2.696 3 nm/℃、0.008 2 nm/℃,線性相關(guān)系數(shù)R2分別為99.90%和99.70%。EFPI溫度靈敏度遠(yuǎn)大于FBG的溫度靈敏度,這是由于①Terfenol-D材料熱脹系數(shù)比光纖大;②干涉結(jié)構(gòu)的靈敏度高于FBG的靈敏度。由于EFPI腔對磁場和溫度都很敏感,磁場測量時有必要對溫度進行校正。通過以上實驗我們得到磁場和溫度的測量矩陣為

圖12 傳感器溫度特性Fig.12 Senser temperature characteristic curve

最后，對本文提及的幾種基于Terfenol-D材料的FP型磁場傳感器性能進行比較，如表1所示。參考文獻(xiàn)[22-23]中的磁場傳感器都是基于Terfenol-D材料的本征型FP磁場傳感器，本征型FP是用兩個相同參數(shù)的FBG串聯(lián)而成，利用波長解調(diào)的方法實現(xiàn)磁場傳感，以上兩個傳感探頭結(jié)構(gòu)類似，容易制作且易于復(fù)制，但磁場測量靈敏度較低,這是由于本征型FP靈敏度低導(dǎo)致的。文獻(xiàn)[24]中的光纖磁場傳感探頭是將非本征型FP結(jié)構(gòu)粘貼于Terfenol-D平板制成的。在10～88 mT測量范圍內(nèi)，傳感器最高靈敏度高達(dá)8.55 nm/mT。該傳感器較本征型FP傳感器靈敏度高、測量范圍大，但忽略了溫度對FP腔的橫向交叉影響。本文提出的非本征型FP磁場傳感器具有溫度自校準(zhǔn)、測量靈敏度高等特點，同時，本文較全面地研究了磁場傳感器的各項性能，如磁場特性、溫度特性、可逆性、指向性、重復(fù)性。

表1 基于Terfenol-D材料的FP型磁場傳感器的比較Tab.1 Comparison of FP magnetic field sensors based on Terfenol-D material

3 結(jié)語

本文提出了一種具有溫度補償作用的高靈敏磁場傳感器，傳感器基于Terfenol-D材料，由一段單模光纖布拉格光柵和非本征法布里-珀羅干涉腔構(gòu)成，利用波長解調(diào)技術(shù)研究傳感器的多項特性。首先，研究了傳感器的磁場特性，實驗測量了0～100 mT內(nèi)的磁場強度，傳感器的磁場靈敏度為1.227 8 nm/mT，線性相關(guān)系數(shù)R2=99.54%，多次測量結(jié)果表明傳感器靈敏度高且重復(fù)性好。然后，研究了傳感器的指向性，實驗結(jié)果表明共振波谷漂移量與傳感器方向有關(guān)，當(dāng)磁場方與Terfenol-D棒的主軸方向平行時，傳感器靈敏度最大；當(dāng)磁場方向與Terfenol-D棒的主軸方向垂直時，傳感器靈敏度最小。最后，研究了傳感器的溫度特性，EFPI和FBG對溫度響應(yīng)的穩(wěn)定性好，靈敏度分別為2.696 3 nm/℃、0.008 2 nm/℃，線性相關(guān)系數(shù)分別為99.90%和99.70%，由實驗結(jié)果可知，該傳感器的EFPI溫度靈敏度較高，可實現(xiàn)溫度的補償測量。由于該傳感器具有靈敏度高、溫度區(qū)分測量、制作簡單、成本低等特點，在電磁場檢測領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價值。