基于MF与LPFG磁场传感方案的改进与设计

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长周期光纤光栅(LPFG)是一种新式的无源光纤器件,对外界温度、应变、折射率等因素均很敏感。磁流体(MF)是一种具有明显磁光效应的特殊液体,因其折射率会随外界磁场的改变而改变,常被用于磁场传感中。将LPFG的折射率敏感性与MF的磁光效应相结合,通过检测LPFG的谐振波长偏移量可以进行磁场的测量。这种磁场传感系统不仅拥有LPFG灵敏度高的优点,还拥有MF转换效率高的优点,对实际应用具有一定意义。本文阐述了LPFG的传感原理,从MF的组成、性质、应用等方面进行了详细描述。重点对基于MF的LPFG磁场传感器的温度特性进行了仿真,仿真结果表明,外界温度的变化不仅会使LPFG的谐振波长产生漂移,还会改变MF的折射率,进而影响磁场的测量精度,因此需要加入温度改良模块;通过对改良模块原理的分析,得出只需测量出外界折射率与温度值便可准确得到磁场强度的结论;针对布拉格光纤光栅(FBG)具有感温范围广的优点及方案改良的需要,研究了其包层厚度与温度和折射率之间的关系,结果显示,包层的厚度不会影响FBG的温度敏感性,但会影响折射率敏感性,包层厚度越薄,折射率敏感度越高;通过对改良模块的分析结论与FBG包层厚度的研究结果提出两种改进方案。第一种是采用添加薄包层FBG,形成温度与折射率同步测量的方法对原方案进行改进。通过对折射率敏感区间的分析与数值拟合,提炼出了温度和折射率的同步测量公式。并根据MF的三维仿真图验证了该公式的正确性,证明了此改进方法可以提高磁场的测量精度,并且当折射率在1.45-1467之间时,该方案的磁场测量精度会达到最高。最后通过设计新式的传感探头,做出了改进后的系统模型。第二种是采用添加FBG,构成温度补偿模块的方法对原方案进行改进。首先通过对温补介质的对比研究,选用具有较宽感温范围的FBG作为温度补偿介质。然后针对FBG温度不敏感的缺陷,选用了硼锗共掺法、逐点写入法和聚四氟乙烯封装法来提高FBG的温度灵敏度。最后通过对改进后方案的建模与分析,得出此温补方法也可以精确测量磁场的结论,实现了提高磁场测量精度的目的。
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