光纤磁流体FP电磁场传感器解读文档格式.docx

1、，；，）：，：；收稿日期：卜；修订日期：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（）万方数据第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（，简称）已经研制成功，有些已进入实用阶段。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

2、偏装置。磁流体即磁性液体（），也称磁性流体（），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。磁流体传感器（， ）是磁流体应用的一个重要方面。罗马尼亚学者等人研制了一种磁流体倾斜传感器，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。等人研制了一种磁流体气体微流量传感器，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。等人研究磁流体作为电介质材料的电容式传感器，随

3、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（）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。测量原理若对磁流体薄膜（，）（厚度“）施加垂直膜面的外磁场，随着磁场增强，弱絮凝结构增多，这可以看成磁流体出现“相”分离，即

4、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，磁柱高度与厚度一样例，故可看作“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，有：一一。（）。（）眦一及丁万一瓦）（）其中：。为磁柱的介电常数，与外磁场无关。为液相的介电常数，与磁流体原始浓度有关，即。（。）。定义，一（。）（一。），其中。为在一定表面积中磁柱所占的面积。由关系式咒，一瓜即可求出在不同的外加磁场的作用下，磁流体的折射率的变化，如图所示。图磁流体折射率与外磁场强度关系曲线可调谐光纤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（）具有低第

5、期胡涛，等：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，原理如图所示。其透射特性可表示为：垆甬芒基矗；一（一）（艿）（）为入射光场的光强；，。为出射光场的光强；，为镜面的反射率和透射率（在理想状况下，），艿为相邻两束光的相位差：艿一丌，（）其中护为入射角，疗为腔中介质折射率，为腔长。调谐光波长使得艿满足艿一优（为正整数）时有极大透过峰，从而使腔具有波长选择透过特性，起到滤波的效果。足尼季图光纤滤波器原理从式（）可见，调谐光滤波器的滤过波长，一般有两种方法，即改变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（）两种基本办法。而要想通过改变腔内介

6、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所示。宽谱光源（）发出的光传至光纤滤波器，在滤波器的谐振腔内装有磁流体（）；自聚焦透镜构成的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（）传至光纤光栅，光纤光栅粘结在槽形悬

7、臂梁（）的自由端，压电陶瓷微位移驱动装置（）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测量系统的原理框图调过程是对光纤传感器探头的输出信号进行实时扫描，光纤传感器输出信号经过来至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（）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

8、配，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梁的位移，是因为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测量误差。初步的实验结果为了对本

9、文提出的光纤滤波器结构和电磁场测量方法进行验证，进行初步的实验。实验选用宽谱光源（）为光源，其输出波长范围为，输出总功率为；电磁线圈（）的匝数为，内径为，长；光纤腔由两个带有尾纤的自聚焦透镜（）构成，自聚焦透镜端面镀膜，以提高反射率；腔长为弘，图为光纤滤波器实物照片。图光纤滤波器实物照片研究发现，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，如图示，当磁流体薄膜厚度分别为、和时，可以看到被测电磁场的变化与磁流体有效折射率（）（）弘（）一“譬？（）图薄膜厚度对滤波器特性的影响图环境温度对滤波器特性的影响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（厚度为肚），环境温

10、度也会对滤波器的特性带来一定的影响，如图所示，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。图为在确定的磁流体薄膜厚度条件下（厚度为肚）被测电磁场与光纤滤波器输出波长之间的关系。驰卯卯拍拍第期（）图磁场大小与光纤滤波器输出波长的关系参考文献：徐晨，刘桂雄，张沛强，等磁流体惯性传感的磁流耦合机理及流固结构刀光学精密工程，（）：，“，（）：（）：，（）：，：，（）：，作者简介胡涛（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。：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滤波器的腔内介质，利用

11、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滤波器输出波长进行解调检测的方法。光纤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。，（）：，（）：，；。，（）：，（）：赵勇（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。：吕志伟（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。：陈菁菁（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。蜀、弋光纤磁流体F-P电磁场传感器 作

12、者： 作者单位： 胡涛， 赵勇， 吕志伟， 陈菁菁， HU Tao， ZHAO Yong， L（U Zhi-wei， CHEN Jingjing 胡涛,吕志伟,HU Tao,L（U Zhi-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,ZHAO Yong,CHEN Jing-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 OPTICS AND PRECISION ENGINEERING 2009，17（10 0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

13、感的磁流耦合机理及流固结构 2008（05 2.BALTAG O.COSTANDACHE D Tilt measurement sensor 2000（01 3.POPA N C.POTENCZ I Magnetic liquid sensor for very low gas flow rate with magnetic flow adjusting possibility 1997（1-3 4.COTAE C.BALTAG O The study of a magnetic fluid-based sensor 1999（07 5.YANG S Y.YANG I J.HORNG H E

14、Observation and modeling of ordered structures of magnetic fluid films under perpendicular magnetic fields 2000（01 6.D A G.BRUGGEMAN.WASSENAAR BerecHnung verscHiedener pHysikaliscHer Konstanten von Heterogenen Substanzen.I Dielektrizitts-konstanten und LeitfHigkeiten der MiscHkrper aus isotropen Substanzen 1935（07 7.YANG S Y.CHIU Y P.JEANG B Y Origin of field-dependent optical transmission of magnetic fluid films 2001（15 本文链接： 授权使用：北京交通大学（北京交通大学，授权号：75979618-1205-4a0f-96e0-9e3301720150 下载时间：2010年11月19日