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基于嵌入式光纤光栅的脉冲强磁体应变测量研究

张倩  
【摘要】:随着脉冲强磁场技术的发展,科研人员把不断地提高脉冲磁场强度作为研究目标。励磁过程中产生的巨大磁应力是限制脉冲强磁场强度提高的主要障碍之一。因此,解决磁应力的测量有助于研究磁体内部机理,促进脉冲强磁场技术的进一步发展。但由于脉冲强磁体工作在液氮(77K)、强电磁场的环境下,其内部空间狭小,一般传统的电类传感器无法嵌入到磁体线圈内部,而且电类传感器导线连接复杂、易受电磁干扰。在脉冲强磁场技术的研究中,研究人员迫切需要找到一种能够准确测量磁体内部应变的测量工具。光纤光栅(FBG)传感器具有体积小、灵敏度高、绝缘、抗电磁干扰能力强、易于嵌入到材料内部等独特的优点。因此,光纤光栅传感器符合脉冲强磁体内部应变测量这一应用要求。 目前,国内外利用光纤光栅测量脉冲强磁体内部应变的研究基本还属空白,针对这一研究现状,本文以光纤光栅低温应变传感器作为研究对象。首先进行了光纤光栅的低温传感特性研究和液氮温度下的应变测量研究;然后通过模拟绕线实验、两个低强度小磁体模型以及一个60特斯拉脉冲强磁体的绕制实验研究光纤光栅嵌入脉冲强磁体内部的技术与工艺;最后对60特斯拉的脉冲强磁体进行常温和液氮温度下强磁体内部的动态应变测量。本文主要内容安排如下: (1)介绍光纤光栅传感技术的发展和应用情况,以及光纤光栅传感器低温应变测量理论及应用的研究现状。 (2)介绍光纤光栅传感基本原理。 (3)研究液氮温度下光纤光栅的温度传感特性和应变传感特性,并进行了液氮温度下用光纤光栅测量应变的初步研究,分析讨论光纤光栅传感器在低温环境下实现应变分布测量的可行性。 (4)通过绕线实验和脉冲强磁体的制作研究光纤光栅嵌入脉冲强磁体的技术与工艺。 (5)分别在常温和液氮环境下,测量励磁过程中脉冲强磁体磁体内部的动态应变。 实验结果表明,在液氮环境下,采用特殊工艺封装和处理的光纤光栅应变片有较好的适应性,实验测得液氮温度下的弹光系数为0.086。实现了缩比燃料储箱应变的分布式测量。通过20个光纤光栅顺利测得了脉冲强磁体内部指定线层的应变,而且光纤光栅嵌入磁体的成功率已达90%以上。说明将光纤光栅作为脉冲强磁体内部应变测量的工具是有效可行的。


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