一种带温度补偿的光栅光纤磁场传感器及制备方法和基于其的分布式测量系统

摘要

本发明公开了一种带温度补偿的光栅光纤磁场传感器及制备方法和基于其的分布式测量系统，属于光纤传感器技术领域。包括磁场测量光栅、温度补偿光栅、磁致伸缩Terfenol‑D颗粒及环氧树脂基体四部分。磁致伸缩Terfenol‑D颗粒在环氧树脂基体中呈一定取向分布，因此磁致伸缩材料沿磁场方向的形变ε更加集中，采用金属化镍层使应变传递损失更小，并且颗粒形态可以有效减小的超磁致伸缩材料由于磁滞损耗及涡流损耗导致的异常热的产生从而整体上提高了传感器的灵敏度。本发明的传感器有效解决了温度补偿的问题，提高了传感器的灵敏度；同时还解决了光纤和环氧树脂的连接问题，提高了传感器的稳定性和服役寿命，体积小巧，易于在较小的空间中完成高精度的测量。

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，涉及一种带温度补偿的光栅光纤磁场传感器及制备方法和基于其的分布式测量系统。

背景技术

随着我国城镇化和工业的迅速发展，人们生活质量和水平不断提高，人们更加追求健康的工作、生活环境，因此近年来对弱电磁场的测量和防护越来越得到重视，电磁污染等关键词也出现在公众视野，长期工作或者居住在高压输电线路、高压变电站等附近的人们深受影响。大量的研究数据显示了工频弱电磁场对人体健康和精神心理产生了不良的影响，细胞膜信息通道打开的惯性和受激灵敏度随着外界电磁场频率的提高而下降，并且外界磁场在人体中引起的感生电流会刺激到神经组织细胞。这都是弱电磁场对人体的危害。

专利CN201410019718公开了一种基于磁致伸缩材料的光纤光栅空间磁场强度传感器，其原理是传感器外壳内备有三个相互正交的磁致伸缩材料，其上分别通过光纤凸点固定三条光纤光栅进而分别测量空间三维磁场强度矢量分量。该装置具有可通过三个方向的磁致伸缩材料和固定其上的光纤光栅实时监测空间磁场强度矢量的特征，但是该特征使得这种传感器体积变大，且该传感器虽然采用Terfenol-D材料，获得了较大的磁致伸缩系数，但是Terfenol-D在动态时的磁滞损耗及涡流损耗很大，温升严重，导致热变形过大影响传感器的灵敏度，尤其传感器需要在环境温度等外界因素不断变化的影响下工作，而无法排除温度的影响，就会使测量数据的灵敏度欠缺。同时作为实时监控的磁场传感器，光纤光栅的固定方式也直接影响了传感器的精度和服役寿命，且该传感器采用传统的光纤布拉格光栅，其灵敏度也相对较低。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种带温度补偿的光栅光纤磁场传感器及制备方法和基于其的分布式测量系统，该传感器空间灵敏度高，体积小巧，结构简单，能用于不同环境下磁场的测量。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种带温度补偿的光栅光纤磁场传感器，其特征在于，包括环氧树脂基体、光纤、磁场测量光栅和温度补偿光栅；

所述环氧树脂基体由高模量环氧树脂和固化于其中的低模量环氧树脂组成，在低模量环氧树脂区域形成用于放置光栅的栅区；在高模量环氧树脂中排布有若干呈取向性的磁致伸缩Terfenol-D颗粒；

在环氧树脂基体中，沿纵向设有相互平行的金属化镍层和通孔，光纤由金属化镍层的一端穿入环氧树脂基体，从金属化镍层的另一端穿出环氧树脂基体，然后由通孔的一端穿入环氧树脂基体，由通孔的另一端穿出环氧树脂基体；

光纤的磁场测量光栅置于金属化镍层中的栅区处，光纤的温度补偿光栅置于通孔中的栅区处，承装磁场测量光栅的栅区和承装温度补偿光栅的栅区平行且处于同一截面位置。

优选地，所述金属化镍层由镀镍层和激光焊接于其外部的镍管构成。

进一步优选地，镍管表面为呈锯齿状的凹凸结构，磁场测量光栅的两端经金属化处理后与镍管焊接相连。

优选地，磁场测量光栅和温度补偿光栅为经腐蚀处理的微纳光纤光栅，直径为20～40μm。

优选地，通过在低模量环氧树脂中添加高分子物质以保证弹性模量足够小不束缚磁场测量光栅变形。

优选地，磁致伸缩Terfenol-D颗粒由超磁致伸缩材料Terfenol-D棒材研磨、经过筛处理制成。

本发明还公开了上述的带温度补偿的光栅光纤磁场传感器的制备方法，包括以下步骤：

1)将光纤的磁场测量光栅置于圆柱模具的轴线上并拉紧，在圆柱模具中间插入两个挡板，两个挡板之间形成栅区；

2)将磁致伸缩Terfenol-D颗粒与高模量环氧树脂搅拌均匀，得到高模量环氧树脂混合物，然后倒入圆柱模具中固化，固化过程中在圆柱模具两端面施加一定磁场，使磁致伸缩Terfenol-D颗粒在高模量环氧树脂中的分布具有一定取向性；

3)当高模量环氧树脂在圆柱模具中即将固化时，抽掉挡板，同时加入低模量环氧树脂，实现高模量环氧树脂和低模量环氧树脂的固化连接，低模量环氧树脂附裹在栅区外，并将其两端的高模量环氧树脂混合物连接在一起；

4)金属化镍层采用化学镀镍法制备，并通过激光焊将镀镍层与镍管焊接，光纤的磁场测量光栅置于金属化镍层的栅区；

5)固化过程中，在圆柱模具中插入圆柱棒，待固化结束后取出圆柱棒形成通孔，将光纤的温度补偿光栅放入通孔中，并保证两个栅区平行且在同一截面位置。

本发明还公开了含有上述的带温度补偿的光栅光纤磁场传感器的分布式测量系统，包括光纤解调仪，光纤解调仪上的若干个端口分别连接一根光纤，在每根光纤上串联有若干个所述的带温度补偿的光栅光纤磁场传感器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的带温度补偿的光栅光纤磁场传感器，包括磁场测量光栅、温度补偿光栅、磁致伸缩Terfenol-D颗粒及环氧树脂基体四部分。磁致伸缩Terfenol-D颗粒在环氧树脂基体中呈一定取向分布，因此磁致伸缩材料沿磁场方向的形变ε更加集中，使磁致伸缩Terfenol-D颗粒在取向方向上的伸缩效应最大，将磁场测量光栅置于金属化镍层所在栅区处的光纤，而温度补偿光栅则置于通孔所在栅区处的光纤上，采用金属化镍层使应变传递损失更小，并且颗粒形态可以有效减小的超磁致伸缩材料由于磁滞损耗及涡流损耗导致的异常热的产生从而整体上提高了传感器的灵敏度。可见，本发明的传感器有效解决了温度补偿的问题，提高了传感器的灵敏度；同时还解决了光纤和环氧树脂的连接问题，提高了传感器的稳定性和服役寿命，体积小巧，易于在较小的空间中完成高精度的测量。

进一步地，将传感探头内的光栅两端的光纤进行金属化，通过激光焊接将金属化的光纤与表面有凹凸的金属管焊接，使得外面的树脂和镍管之间无相对滑动，保证磁致伸缩的变形能够损失更小的传递到光纤的光栅上，强化光纤的连接，以保证伸缩应变更准确地传递到磁场测量光栅上。

进一步地，为了增强光纤光栅对磁致伸缩效应的灵敏度，磁场测量光栅和温度补偿光栅采用经腐蚀处理的微纳光纤光栅，直径为20～40μm。

进一步地，低模量环氧树脂中可通过添加高分子物，改变其弹性模量，使其弹性模量足够小以保证不会束缚磁场测量光栅的变形，并能够更好的保护光栅。

基于本发明传感器的分布式测量系统，能够通过串联多个传感器的方式实现分布式测量，结构设计简单，使用方便，空间灵敏度高，能用于不同环境下磁场的测量。

附图说明

图1为本发明的一种带温度补偿的光纤光栅磁场传感器的结构图；

图2为本发明分布式测量的系统图。

图中：1-高模量环氧树脂，2-低模量环氧树脂，3-光纤，4-镀镍层，5-镍管，6-磁场测量光栅，7-温度补偿光栅，8-磁致伸缩Terfenol-D颗粒，9-通孔，10-光纤解调仪，11-带温度补偿的光纤光栅磁场传感器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，一种带温度补偿的光栅光纤磁场传感器，包括环氧树脂基体、光纤3、磁场测量光栅6和温度补偿光栅7；

包括环氧树脂基体、光纤3、磁场测量光栅6和温度补偿光栅7；

所述环氧树脂基体由高模量环氧树脂1和固化于其中的低模量环氧树脂2组成，在低模量环氧树脂区域形成用于放置光栅的栅区；在高模量环氧树脂1中排布有若干呈取向性的磁致伸缩Terfenol-D颗粒8；

在环氧树脂基体中，沿纵向设有相互平行的金属化镍层和通孔9，光纤3由金属化镍层的一端穿入环氧树脂基体，从金属化镍层的另一端穿出环氧树脂基体，然后由通孔9的一端穿入环氧树脂基体，由通孔9的另一端穿出环氧树脂基体；

光纤3的磁场测量光栅6置于金属化镍层中的栅区处，光纤3的温度补偿光栅7置于通孔9中的栅区处，承装磁场测量光栅6的栅区和承装温度补偿光栅7的栅区平行且处于同一截面位置。

金属化镍层由镀镍层4和激光焊接于其外部的镍管5构成，镍管5为表面呈凹凸状，磁场测量光栅6的两端经金属化处理，然后与表面呈凹凸状的镍管5焊接相连，强化光纤的连接，以保证伸缩应变更准确地传递到磁场测量光栅6上。

低模量环氧树脂2中可通过添加高分子物，改变其弹性模量，使其弹性模量足够小以保证不会束缚磁场测量光栅6的变形，并能够更好的保护光栅。

优选地，为了增强光纤光栅对磁致伸缩效应反应的灵敏度，磁场测量光栅6和温度补偿光栅7为经腐蚀处理的微纳光纤光栅，直径为20～40μm。

优选地，所述的磁致伸缩Terfenol-D颗粒8是由超磁致伸缩材料Terfenol-D棒材研磨制成，并经筛子过滤。

上述带温度补偿的光栅光纤磁场传感器，制作过程为：

1)将光纤3的磁场测量光栅6置于圆柱模具的轴线上并拉紧，在圆柱模具中间插入两个挡板，两个挡板之间形成栅区；

2)将磁致伸缩Terfenol-D颗粒8与高模量环氧树脂1搅拌均匀，得到高模量环氧树脂混合物，然后倒入圆柱模具中固化，并在固化过程中在圆柱模具两端面施加一定磁场，在该磁场作用下磁致伸缩Terfenol-D颗粒8沿着一定方向排布，具有一定的取向性。

3)当高模量环氧树脂1在圆柱模具中即将固化时，抽掉挡板，同时加入低模量环氧树脂2，实现高模量环氧树脂1和低模量环氧树脂2的固化连接，低模量环氧树脂2附裹在栅区外，并将其两端的高模量环氧树脂混合物连接在一起；

4)金属化镍层采用化学镀镍法制备，并通过激光焊将镀镍层4与镍管5焊接，光纤3的磁场测量光栅6置于金属化镍层的栅区；

5)固化过程中，在圆柱模具中插入圆柱棒，待固化结束后取出圆柱棒形成通孔9，将光纤3的温度补偿光栅7放入通孔9中，并保证两个栅区平行且在同一截面位置，从而使温补准确有效。

本发明的具体测量原理及过程如下：

光纤光栅是利用光纤材料的紫外光敏特性，在强紫外激光空间周期性照射下，外界入射光子和纤芯里面的掺杂粒子相互作用，使纤芯形成折射率沿轴向非周期性或周期性永久变化的结构，从而形成空间相位光栅。根据光纤耦合模理论，光纤光栅的反射波中心波长满足如下方程：

λ_B＝2n_effΛ；

式中：λ_B为光纤Bragg波长，n_eff为纤芯等效折射率，Λ为光栅周期。

因此由上式可知，光纤光栅感受到应变时，光栅周期会发生变化，并且光栅本身具有的弹光效应会影响其折射率，因此应力应变引起的光栅光纤中心波长的漂移可见下式：

Δλ_Bg＝Δε×λ_B×(1-P_e)＝K_εΔε

式中：Δλ_Bg为应变引起的中心波长变化量，P_e为弹光系数，K_ε为应变灵敏度。

光纤光栅感受到温度变化时，由于热膨胀效应和热光效应导致的光纤光栅反射光的中心波长漂移为下式：

Δλ_Bt＝ΔT×λ_B×(α+ζ)＝K_TΔT

式中：Δλ_Bt为应变引起的中心波长变化量，α为热膨胀系数，ζ为热光系数，K_T为应变灵敏度。

综上外界应变和温度激励对光纤光栅中心波长的影响为：

本发明中温度补偿部分的光纤光栅并没有受到应变的影响，因此温度补偿光纤光栅的反射波中心波长仅随着温度变化，即公式可简化为：

其中，和可通过光纤光栅解调仪直接测得；是每一根光纤光栅的定值；均可通过实验测得。所以，根据以上两式，可解出ΔT和Δε，从而实现温度补偿，剔除温度对应变测量的影响。

在测量过程中，在外界磁场强度的作用下，高模量环氧树脂1中的磁致伸缩Terfenol-D颗粒8产生伸缩效应，整体上表现为高模量环氧树脂1产生了累积有效应变，此应变通过镍管5准确的传递到磁场测量光栅6，从而改变了光纤光栅中心波长。温度补偿光栅7由于设置在高模量环氧树脂1、低模量环氧树脂2中的通孔9中，并不会受到应变的影响，因而可实现温补的功能。

参见图2，一种分布式测量系统，包括光纤解调仪10，光纤解调仪10的四个端口可连接四根光纤3，每根光纤3上可串联若干本发明上述设计的带温度补偿的光栅光纤磁场传感器11，可以轻松实现分布式多点测量。

优选地，每根光纤3上串联的带温度补偿的光栅光纤磁场传感器11可根据需要测量的点进行放置。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。