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基于磁流体与长周期光纤光栅的磁场传感器研究

邬林  
【摘要】:随着现代信息产业特别是传感技术的迅猛发展,光纤传感技术作为传感技术重要的分支之一,已经成功应用于石油化工、隧道防火、土木工程健康监测、矿井瓦斯检测、电力设备在线监测等方面。本文将磁流体与长周期光纤光栅相结合作为传感探头,提出了一种基于光纤传感技术的全新的磁场和电流的测量方法,这种传感方法采用磁流体作为工作介质,磁流体是一种具有明显磁光效应的智能材料,这种磁光效应主要表现为在外加磁场的作用下磁流体的折射率会产生变化;另外长周期光纤光栅是一种新型的无源光纤器件,其对外界折射率敏感的特性可作为一种理想的光纤敏感元件,将磁流体和长周期光纤光栅有机结合,探索出一种新型的磁场和电流传感技术,将磁场或者电流的探测转换为对长周期光纤光栅的谐振波长的测量。这种方法不仅拥有光纤传感技术的优点,而且能够提高转换效率。这种基于磁流体与长周期光纤光栅的磁场传感器与传统的磁场传感器相比具有抗干扰、转换效率高、无磁饱和现象等优点。围绕这种新型的磁场传感方法本文主要完成的工作和取得的成果有: (1)阐述了研究磁场传感技术的重要性和迫切性,以及介绍了光纤磁场和电流传感技术的发展历程和光纤磁场传感器的分类; (2)从耦合理论出发,推导出长周期光纤光栅的耦合模方程,并利用数值计算的方法仿真了长周期光纤光栅纤芯和包层的有效折射率、透射谱及谐振波长偏移量与外界环境折射率之间的关系曲线,特别研究了长周期光纤光栅的折射率特性; (3)使用氟化氪248nm准分子激光作为紫外光源,采用金属振幅掩模法写制了一批长周期光纤光栅并进行了退火实验,研究了长周期光纤光栅的写制条件; (4)从理论上推导了基于菲涅尔反射理论的光纤端面后向反射法折射率测量方法,并搭建了测量系统,以去离子水和空气作为标定样品,测定了不同磁场强度下水基四氧化三铁磁流体的折射率,实验表明磁流体折射率随着外加磁场强度的增大而减小,与理论分析相符; (5)研究了制作基于磁流体与长周期光纤光栅的磁场传感器的工艺,并搭建了自制磁场发生装置的磁场传感实验系统,实验结果表明所提出的基于磁流体与长周期光纤光栅的磁场传感方法可以用于磁场和电流的测量,同时也提出了改进传感器性能特别是提高灵敏度的方法。


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