光纤磁流体FP电磁场传感器解读.docx
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光纤磁流体FP电磁场传感器解读
第17卷第10期
2009年10月
光学精密工程
OpticsandPrecisionEngineering
V01.17N0.10
Oct.2009
文章编号1004—924X(2009)10—2445—05
光纤磁流体F-P电磁场传感器
胡
涛1,赵
勇2,吕志伟1,陈菁菁2
(1.哈尔滨工业大学自动化测试与控制系,黑龙江哈尔滨150001;
2.东北大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110004)
摘要:
基于磁流体的可控折射率特性,以磁流体纳米功能材料为腔内介质,提出一种结构简单、无移动部件的新型光纤F-P电磁场传感器,实现了电磁场的测量。
同时,给出了基于光纤光栅波长解调技术对光纤F-P滤波器输出波长进行解调检测的方法。
分析了磁流体的可控折射率特性及其用于测量电磁场的原理,介绍了传感器系统的结构和原理。
对所提出的方法以及影响测量结果的因素进行了初步的实验,结果表明,环境温度和磁流体薄膜厚度都会对测量结果有影响。
在磁流体薄膜厚度为12.7肚m时,测量特性具有较好的线性度。
关键词:
光纤F-P滤波器,磁流体,光纤传感器,电磁场测量
中图分类号:
TN253
文献标识码:
A
Fiberopticelectromagnetic
sensor
based
on
magnetic
fluid
HUTa01,ZHAOYon92,LUZhi—weil,CHENJing-jin92
(1.DepartmentofAutomatic
Measurement
andControl,HarbinInstituteof
Technology,Harbin150001,China;2.CollegeofInformationScienceandEngineering,
NortheasternUniversity,Shenyang
110004,China)
Abstract:
Onthebasisofthecontrollablerefractiveindexofa
magneticfluid,anovelfiberopticF-P
e—
lectromagnetic
sensor
characterizedbysimplestructures
and
no
moveablepartsisdevelopedbyusing
themagneticfluidas
themediumin
a
F—P
interferencecavity.Then,asignaldemodulationmethod
based
on
fiberBragggratingwavelengthscanningisproposed.Theprincipleofelectromagnetic—CON—
trolledrefractiveindexofthemagneticfluidisdescribedandthestructure
ofthe
sensor
systemisgiv—
en.Preliminaryexperiments
are
carriedout,obtainedresultsshowthatthethicknessofmagneticfluid
filmandenvironmentaltemperatureallaffectthemeasurementresults.Whenthethicknessofmag—
neticfluidfilmis12.7f|m,thereis
a
fairlygoodlinearityofthemeasurementcharacteristic.
Keywords:
fiberopticF—Pfilter;magneticfluid;fiberopticsensor;electromagneticmeasurement
收稿日期:
2008—1卜21;修订日期:
2008—12—23.
基金项目:
黑龙江省博士后基金资助项目;辽宁省自然科学基金资助项目(No.20082039)
万方数据
光学精密工程
第17卷
引言
电力系统中的电流测量长期依靠传统的电磁式电流互感器,而这种测量存在以下问题:
在电网故障时,大的冲击及工频电流会造成互感器的磁路饱和;高电压等级的电流互感器绝缘技术困难、体积笨莺,绝缘费用也很大;油作为绝缘及传热介质存在爆炸的危险。
因此,多年来很多国家都在积极寻求非电磁式的高电压大电流测量方法。
目前光磁式电流互感器(Optical
Current
Trans-
former,简称OCT)已经研制成功,有些已进入实用阶段。
OCT可能成为传统电磁式电流互感器的替代产品,然而,目前大部分光学电流互感器都依靠对偏振光信号的检测和处理,因而需要复杂的保偏装置。
磁流体即磁性液体(magneticliquid),也称磁性流体(magneticfluid),是一种具有随外加磁场强度变化控制流变特性的特殊的纳米智能材料[1]。
磁流体传感器(Magnetic
FluidSensor,
MFS)是磁流体应用的一个重要方面。
罗马尼亚学者Baltag等人研制了一种磁流体倾斜传感器L2],在一个非磁性容器中部分填充磁流体,外面缠绕激励线圈和检测线圈,当容器有水平倾斜改变时,磁流体就发生流动,在不同的截面上的感生电势和磁流体的截面积有关,通过检测线圈输出即可得到水平倾斜角。
Papa等人研制了一种磁流体气体微流量传感器r3],利用气泡通过放在磁流体中的线圈时线圈会发生电势变化的特性,通过记数单位时间线圈电势变化的次数以及单个气泡的体积来得到流量的变化。
Cotae等人研究磁流体作为电介质材料的电容式传感器n],随着磁流体中磁性微粒体积分数的增加,磁流体的电介质常数呈线性增大,随着磁场的增加,在磁场垂直于电场的方向,电介质常数呈线性减少;在磁场平行于电场的方向,电介质常数呈线性增大,利用这些性质来检测外磁场的大小。
当外加磁场的大小超过某个临界值时,磁流体中磁性颗粒还会发生团簇,进而磁流体的折射率会发生变化,且变化的大小与外加磁场的大小有关,据此可以利用磁流体来制作可调谐光子器件。
本文基于磁流体的可控折射率特性,结合光
纤Fabry-Perot(F-P)谐振腔结构和光纤光栅波长
检测技术,提出了一种电磁场测量方法。
2
测量原理
若对磁流体薄膜(Magnetic
FluidFilm,
MFF)(厚度~10“m)施加垂直膜面的外磁场,随着磁场H增强,弱絮凝结构增多,这可以看成磁流体出现“相”分离,即液相与“磁球链”表现的磁柱相分离。
因此,磁流体体系的等效介电常数发生变化,从而导致折射率变化。
磁流体中相分离后,磁柱高度与MFF厚度一样例,故MFF可看作“二维二相”体系。
根据早已建立的“二维二相”体系等效介电常数计算方法[6],有:
.一一£。
l(1-f)--Eli。
(f-1)-I-8眦一————及丁F万——一
——瓦1q-f)
’
(1)
其中:
£。
。
。
为磁柱的介电常数,与外磁场无关.slt。
为液相的介电常数,与磁流体原始浓度Ms有关,即
£li。
=(O.1573M。
+1.3283)2。
定义,一(A。
。
/A)/(1一A。
l/A),其中A。
I为在MFF一定表面积A中磁柱所占的面积。
由关系式咒M,一瓜即可求出在不同的外加
磁场H的作用下,磁流体的折射率的变化,如图1所示"]。
图1
磁流体折射率与外磁场强度关系曲线
Fig.1
Relationshipofrefractiveindexofmagnetic
fluidandmagneticintensity
可调谐光纤F—P滤波器是一种对不同的光
波长有不同的损耗的器件,在某一波长(.=I)具有低
万方数据
第10期
胡涛,等:
光纤磁流体F-P电磁场传感器
损耗,为一带通滤波器,且通带是可以调谐的。
其实际上是一种多光束干涉腔结构,原理如图2所
示。
其透射特性可表示为:
垆甬芒基矗;一
r
(1一R)2+4Rsin2(艿/2)
(2)
其中:
Jt为入射光场的光强;,。
为出射光场的光强;R,T为镜面的反射率和透射率(在理想状况下,R+T=1),艿为相邻两束光的相位差:
艿一4Tn丌Lcos
0,(3)
A
其中护为入射角,疗为腔中介质折射率,L为腔长。
调谐光波长A使得艿满足艿一优・2n(m为正整数)时有极大透过峰,从而使F-P腔具有波长选择透过特性,起到滤波的效果。
足7'
尼7’
季l
图2光纤F-P滤波器原理
Fig.2
PrincipleoffiberopticF-Pfilter
从式(3)可见,调谐F-P光滤波器的滤过波长,一般有两种方法,即改变F-P腔长或者改变腔内介质的折射率。
改变腔长又可有机械移镜和利用压电材料(PZT)两种基本办法。
而要想通过改变腔内介质折射率实现滤波器的调谐,一般需要使用到特殊的材料,如液晶或者某些半导体。
在F—P谐振腔内充入这种特殊材料,然后通过调谐加在特殊材料上的电压改变其折射率,从而改变谐振频率,即实现对滤波性能的调谐。
本文提出利用磁流体作为光纤F-P腔的腔内介质,通过调制被测电磁场来改变腔内磁流体的折射率,从而改变滤波器的输出波长,再利用光纤光栅波长调谐装置对F—P腔滤波器的输出波长进行调谐检测,从而实现电磁场的测量。
系统的原理结构图如图3所示。
宽谱光源
(BBS)发出的光传至光纤F—P滤波器,在滤波器的谐振腔内装有磁流体(magneticfluid);自聚焦透镜构成的F-P腔和腔内磁流体都被固定在玻璃管内,滤波器输出的波长信号经过光纤耦合器(couple)传至光纤光栅,光纤光栅粘结在槽形悬臂梁(channel-typecantilever)的自由端,压电陶
瓷微位移驱动装置(PZT)可使槽形悬臂梁自由端产生微小的位移变化,这个微小的位移变化将导致光纤光栅反射波长的改变。
光纤光栅的波长解
图3测量系统的原理框图
Fig.3
Structureofmeasurementsystem
调过程是对光纤F-P传感器探头的输出信号进行实时扫描,光纤F-P传感器输出信号经过来至PZT的周期驱动信号使得槽形悬臂梁产生周期性的位移变化,即光纤光栅产生周期的应变,对传感器输出信号进行周期性扫描,当解调系统使得光纤光栅的反射波长与传感器输出的信号波长一致时(即达到匹配时),光电探测器(PD)处将有最
大的输出电压,此时通过位移传感器记录槽形悬臂梁自由端位移的大小;当被测电磁场变化时,光纤F-P传感器的输出波长会产生变化,此时要想光纤光栅的反射波长与其相匹配,PZT的驱动电压就要改变到一定的数值,以使槽形悬臂梁的自由端有相应的位移变化,拉伸光纤光栅使之产生应变,进而改变光纤光栅的反射波长,使之与变化的传感器输出波长再次匹配。
若以一定的间隔改变被测电磁场的大小,同时记录使得光纤光栅反射波长与传感器输出波长达到匹配时的槽形悬臂梁位移的大小,就可以建立起被测电磁场和悬臂梁自由端位移的关系。
这里需要说明的是,解调系统没有直接利用PZT的驱动电压的大小和被
测电磁场的关系,而是通过位移传感器测得悬臂
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光学精密工程
第17卷
梁的位移,是因为PZT的特性存在一定的磁致回滞现象,而直接测鼍悬臂梁自由端的位移可以直接反映光纤光栅所受应变,即反射波长的大小,从而一定程度上减小‘r测量误差。
3初步的实验结果
为了对本文提出的光纤F—P滤波器结构和电磁场测量方法进行验证,进行r初步的实验。
实验选用宽谱光源(BBS)为ASE光源,其输出波长范围为1525~1
565
D.m,输出总功率为23
mW;电磁线圈(magneticcoil)的匝数为100,内径为10mm,长60mm;光纤F—P腔由两个带有
尾纤的自聚焦透镜(GRINlens)构成,自聚焦透镜端面镀膜,以提高反射率;腔长为12.7弘m,图4为光纤F—P滤波器实物照片。
图4光纤F-P滤波器实物照片
Fig.4
PictureoffiberopticF-PFilter
研究发现,磁流体薄膜厚度(滤波器谐振腔腔长)对测量的特性有一定的影响,如图5示,当磁流体薄膜厚度分别为11.8、82和200p.m时,可以看到被测电磁场的变化与磁流体有效折射率
H/(A/m)
(a)L=11.5弘m
50
100
150
200
H/(A/m)
(b)L一82“m
1.500
1.490
譬
1.480
1.470
/
Z
.
/’j
?
。
●
一
∥
/
50
100
150
200
H/(A/m)
(c)L2200um
图5薄膜厚度对滤波器特性的影响
Fig.5
Influenceoffilmthicknesson
filtercharacter—
isties
H/(A/m)
图6环境温度对滤波器特性的影响
Fig.6
Influenceoftemperature
on
filtercharacteristics
之间的关系线性度逐渐变差。
同时,在确定的磁流体薄膜厚度条件下(厚度为12.7肚m),环境温度也会对滤波器的特性带来一定的影响,如图6所示,不同的环境温度,在相同的被测电磁场条件下,磁流体的有效折射率不同,但其对被测磁场的
变化趋势基本相同。
图7为在确定的磁流体薄膜厚度条件下(厚度为12.7肚m)被测电磁场与光纤F—P滤波器输出波长之间的关系。
O
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l
I
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l/
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/
///(A/m)
图7磁场大小与光纤F-P滤波器输出波长的关系
Fig.7
Relationshipofmagneticintensityandwave-lengthoffiberopticF-Pfilter
参考文献:
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作者简介
胡涛(1976一),男,河南许昌人,讲
师,工学博士,主要从事光纤传感技术、视觉检测技术等方面的研究。
E-mail:
hutaohit@gmail.tom
4
结论
本文提出一种新的电磁场测量方法,将磁流体材料作为光纤F-P滤波器的腔内介质,利用磁流体所具有的特殊的电磁场控制折射率特性,实现了对电磁场的测量。
同时给出了用光纤光栅波
长解调技术对光纤F—P滤波器输出波长进行解调检测的方法。
光纤F—P电磁场传感器本身具有结构简单、体积小、无移动部件等优点。
进行了初步的实验,结果表明了方法的可行性。
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赵勇(1973一),男,辽宁沈阳人,教授,工学博士,主要
从事光纤传感技术、光电检测技术等方面的研究。
E-
mail:
zhaoyong@ise.neu.edu.cn
吕志伟(1961一),男,黑龙江哈尔滨人,教授,博士生导师,工学博士.主要从事非线性光学及应用,新型光电子
技术与器件等方面的研究。
E—mail:
zhiweilu@yeah.net
陈菁菁(1985一),女,辽宁沈阳人,硕士研究生,主要从事光纤传感技术的研究。
E-mail:
winkYJingjing@yahoo.
COm.Cn
I_蜀c、弋
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光纤磁流体F-P电磁场传感器作者:
作者单位:
胡涛,赵勇,吕志伟,陈菁菁,HUTao,ZHAOYong,L(UZhi-wei,CHENJingjing胡涛,吕志伟,HUTao,L(UZhi-wei(哈尔滨工业大学,自动化测试与控制系,黑龙江,哈尔滨,150001,赵勇,陈菁菁,ZHAOYong,CHENJing-jing(东北大学,信息科学与工程学院,辽宁,沈阳,110004光学精密工程OPTICSANDPRECISIONENGINEERING2009,17(100次刊名:
英文刊名:
年,卷(期:
被引用次数:
参考文献(7条1.徐晨.刘桂雄.张沛强磁流体惯性传感的磁流耦合机理及流固结构2008(052.BALTAGO.COSTANDACHEDTiltmeasurementsensor2000(013.POPANC.POTENCZIMagneticliquidsensorforverylowgasflowratewithmagneticflowadjustingpossibility1997(1-34.COTAEC.BALTAGOThestudyofamagneticfluid-basedsensor1999(075.YANGSY.YANGIJ.HORNGHEObservationandmodelingoforderedstructuresofmagneticfluidfilmsunderperpendicularmagneticfields2000(016.DAG.BRUGGEMAN.WASSENAARBerecHnungverscHiedenerpHysikaliscHerKonstantenvonHeterogenenSubstanzen.IDielektrizitts-konstantenundLeitfHigkeitenderMiscHkrperausisotropenSubstanzen1935(077.YANGSY.CHIUYP.JEANGBYOriginoffield-dependentopticaltransmissionofmagneticfluidfilms2001(15本文链接:
授权使用:
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2010年11月19日