基于FBG和Terfenol-D的免受温度影响的磁场传感器设计

  磁场传感器大范围的应用于工业工程机械故障诊断、生物医药检测、电子导航监测、航天航空等诸多领域。传统的磁场传感器基于霍尔效应、法拉第电磁感应定律、约瑟夫效应、迈斯纳效应、磁阻效应、巨磁阻抗效应等原理，其结构较为复杂、成本比较高，并且会受到某些特定的程度的电磁干扰。随技术的发展，基于光纤的磁场传感器由于其体积小、成本低廉、抗电磁干扰、具有较高的灵敏度而受到慢慢的变多的关注。

  基于此，东北大学王旗副教授研究团队在 Nanomaterials 期刊发表了研究论文。利用光纤布拉格光栅分布式传感的特点，作者提出了一种基于光纤布拉格光栅和超磁致伸缩材料 Terfenol-D 的磁场传感器，设计出了不受温度影响的传感结构。在磁场 0 mT ~ 50 mT 的范围内，所设计的传感器灵敏度可达 7.382 pm/mT，拥有非常良好的线性度和可重复性。与对照实验组以及其他包含 Terfenol-D 材料的磁场传感器相比，该传感器具有更高的灵敏度、更好的重复性以及良好的温度稳定性。

  光纤布拉格光栅 (Fiber Bragg Grating, FBG) 作为波长滤波器，其光纤光栅使折射率沿轴向呈周期性调制，在纤芯内发挥反射镜作用；满足布拉格光栅波长条件的光被反射，其余波长的光被透射。作者对超磁致伸缩材料 Terfenol-D 进行了材料性能分析，将其与 FBG 结合。传感原理如图 1 所示，外加磁场通过 Terfenol-D 的磁致伸缩效应转化为 Terfenol-D 的形变 ∆D。FBG 和 Terfenol-D 直接用光学胶粘贴，使 Terfenol-D 的形变 ∆D 转化为 FBG 的长度变化 ∆LFBG。

  不受温度影响的传感器基本布局如图 2 所示。所需的传感单元和参考单元为相同结构的 FBG 和 Terfenol-D 的组合。其中，两个 FBG 具有相似的的中心波长。输入光先进入传感单元，FBG1 对应的反射光谱波段通过环形器进入 FBG2，此时，只有 FBG1 和 FBG2 反射光谱的重叠区域会被反射，为整个传感器系统的最终输出光谱。如图所示，不改变外界环境和温度时，仅对传感单元施加磁场时，FBG1 的反射光谱会根据磁场大小的变化发生位移，而 FBG2 的反射光谱不发生明显的变化，传感器系统最终输出光谱的峰宽发生明显的变化。由于传感器系统的传感单元和参考单元使用了相同结构的 FBG 和 Terfenol-D，FBG1 和 FBG2 的温度系数相同，同时 Terfenol-D1 和 Terfenol-D2 的热膨胀系数相同。因此，由温度引起的 FBG1 和 FBG2 的反射光谱位移使是相同的。当外界气温变化时，最终输出的两个 FBG 的光谱重叠区域不会发生明显的变化，其磁场传感不受气温变化的影响。

  作者根据上述优化设计制作了传感器样机，并对其性能进行了测试。分别对单光纤光栅与 Terfenol-D 结合的磁场传感器和不受温度影响的双光纤光栅与 Terfenol-D 结合的磁场传感器进行了灵敏度校准，并测试了其温度稳定性。实验进行了的三个周期的循环实验。双光纤光栅反射光谱的变化和峰宽的变化如图 3a 所示。当磁感应强度增大时，光谱的峰宽减小，当磁感应强度减小时，峰宽增大。三个周期重复实验的结果如图 3b 所示，该传感器在磁场增加和减少的过程中均表现出了良好的重复性。图 3c 为在 0 mT ~ 50 mT 磁感应强度下该传感器重复实验平均响应的线性拟合。经拟合，传感器的平均灵敏度为 7.382 pm/mT，并拥有非常良好的线. (a)

  本文提出了一种不受温度影响的基于光纤布拉格光栅和超磁致伸缩材料 Terfenol-D 的磁场传感器。该传感器探头设计简单，与光纤兼容性好，抗电磁干扰，具有较好的温度稳定性。通过设计对照实验，测试所提出的不受温度影响的磁场传感器的性能。实验研究表明，在磁场为 0 mT ~ 50 mT 的范围内，所提出的不受温度影响的磁场传感器灵敏度可达 7.382 pm/mT，拥有非常良好的线性度和可重复性。此外，温度稳定性测试表明，在温度 30 ℃ ~ 50 ℃ 范围内，该传感器与不具有温度补偿结构的对照组实验相比，拥有非常良好的温度稳定性。因此，所设计的双光纤光栅与 Terfenol-D 结合的磁场传感器拥有非常良好的性能。

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