高灵敏度温度自校准型光纤磁场传感器

高美玲,金可臻,宋荣和，乔学光

(1.西北大学 物理学院,陕西 西安 710127；2.陕西省建筑材料工业学校, 陕西 西安 710000)

磁场测量技术已被广泛应用于航海航天、生命科学、资源勘探、地震监测等领域[1-3]。鉴于在众多领域的应用前景,多种性能和用途的磁场传感器已被开发,如霍尔传感器、各向异性磁阻传感器、磁通门磁强计、超导量子干涉器件等[4-7]。传统的电磁类磁场传感器普遍存在体积笨重、动态范围小、抗电磁干扰能力差、复用性差等缺点。光纤磁场传感器以光纤为信号传感和传输的载体,与传统的电磁类磁场传感器相比,具有频带宽、重量轻、体积小、抗电磁干扰、抗化学腐蚀等优点,因而受到了国内外的广泛关注。

目前研究的光纤磁场传感器主要基于法拉第效应、磁流体以及磁致伸缩效应[8-12]。法拉第效应测量磁场的理论非常完美,但实际测量时灵敏度低[13],这是因为光纤的费尔德常数较小(在1 550 nm为0.198 8 rad/Tm)。基于磁流体的磁场传感器,利用磁流体折射率可调的特点来实现磁场传感,但由于磁流体的液体属性,在实际应用中难以包装和集成[14-15]。基于磁致伸缩效应的光纤磁场传感器,利用磁致伸缩材料在磁化时产生应变而实现磁场传感[16]。该类传感器按原理可分为光波的相位和波长调制。相位调制型光纤磁场传感器[17-18]也称为光纤干涉型磁场传感器,将光纤干涉传感探头与磁致伸缩材料相结合，利用光纤干涉原理和相位解调方法实现磁场传感。在磁场作用下,磁致伸缩材料的应变改变光的传播路径,而引起干涉光的相位差发生变化。波长调制型光纤磁场传感器是将磁致伸缩材料涂覆或粘贴于光栅之上,利用光纤光栅的应变敏感性和波长选择性来测量磁场[19-21]。磁致伸缩材料将应变传递给光栅,引起光栅的反射中心波长发生变化。

超磁致伸缩材料是20世纪70年代发展起来的新型的功能材料,其磁致伸缩系数比一般磁致伸缩材料(铁、钴、镍)高50～60倍。铽镝铁(Terfenol-D)作为一种非常具有研究价值的超磁致伸缩材料,有磁致伸缩系数大、耦合因子高响应速度快等特点。基于Terfenol-D材料与法布里珀罗(FP)研制的光纤磁场传感器性能卓越。马瑞等研制出一种基于Terfenol-D材料的本征型FP磁场传感器[22],本征型FP是用两个相同参数的FBG串联而成,利用波长解调的方法实现磁场传感,该传感器磁场灵敏度为1.7×10-3nm/mT。该传感器虽可测量磁场,但未考虑温度对测量灵敏度的影响。ZHOU Bin等提出一种具有温度自校准的磁场传感方法[23],传感探头也是由两个相同参数FBG的串联而成,利用FBG形成本征FP干涉结构的同时实现温度补偿,该传感器磁场灵敏度为348×10-2nm/mT,FBG和FP温度灵敏度分别为0.010 31 nm/℃、0.255 75 nm/℃。以上两个传感探头结构类似,容易制作,易于复制,但磁场测量灵敏度较低，这是由于本征型FP灵敏度低导致的。ZHANG Peng等研制了一种新型的光纤磁场传感探头[24],该探头是将EFPI结构粘贴于Terfenol-D平板制成的。在10～88 mT测量范围内,传感器最高灵敏度高达8.55 nm/mT。该传感器灵敏度高,测量范围大,但没有考虑温度对FP腔的横向交叉影响。

在ZHANG Peng等人的研究基础上,本文结合Terfenol-D材料和EFPI与FBG串联结构,研制出一种具有温度补偿作用的高灵敏度磁场传感器。Terfenol-D材料具有高效磁致伸缩性能,在外加磁场作用下易发生形变并改变EFPI腔长,通过监测干涉光谱漂移,利用高精度的波长解调技术,可实现静态磁场信号的高灵敏度检测。由于Terfenol-D材料的热膨胀系数较大,温度波动引起的材料伸缩量极大地影响了磁场探测的精度,将FBG与EFPI串联,可有效消除热效应对磁场测量的影响,实现磁场和温度的同时检测。此外,对该传感器的指向性、重复性、可逆性进行了研究。本文提出的磁场传感器具有灵敏度高、磁场和温度区分测量、成本低、制作简单等优点,该传感器在电磁场测量方面有着潜在应用价值。

1 传感设计与传感机理

1.1 传感器设计

传感机理如图1A所示,传感结构包含一段单模FBG(中心波长为1 540 nm,带宽≤3 nm,反射率为85%)和EFPI,EFPI是由一段MMF和SMF构成。输入光分别在FBG和EFPI两个界面上(多模光纤空气界面、空气单模光纤界面)依次发生反射和透射。传感器制作过程如图1B所示：①将一小段MMF熔接于单模FBG,MMF主要起到准直的作用;②将单模FBG接入解调仪，熔接MMF的一端粘贴在Terfenol-D 棒的微型槽内,其中,Terfenol-D 棒材的几何尺寸为18 mm×4 mm×4 mm,微型槽是采用激光微加工技术沿Terfenol-D棒的轴向刻写的半圆弧形凹槽,直径为127 μm,一方面确保外径为125 μm的SMF可固定在微型槽内而不被损坏,另一方面可提高构成EFPI的两光纤端面的同心率;③取一段SMF,一端去除涂覆层后,切取8 mm,并将其置于微型槽的另一端,当MMF和SMF端面距离接近100 μm时,可看到明显干涉图案,调节两端面距离,当获得理想的共振干涉图样时,用环氧树脂将SMF固定于Terfenol-D棒的右端,传感器结构制作完成，如图1C所示。

A 传感器传感机理; B 光纤磁场传感器制作过程;C 传感器图1 传感器的传感机理、制作过程及传感器图片Fig.1 Sensor′s sensing mechanism, production process and sensor picture

传感器的反射谱如图2所示, 其自由光谱范围为12.08 nm, 消光比为37.16 dB。 反射谱由FBG和EFPI反射谱叠加而成, 干涉谱特性与EFPI有关。在磁场作用下,由于Terfenol-D材料高效的磁致伸缩性能,在外磁场作用下易发生形变。Terfenol-D 材料在0～450 mT磁场范围内,磁致伸缩系数与磁场关系如图3所示,本文研究0～100 mT范围内传感器的磁场特性。

图2 传感器反射光谱Fig.2 Reflection spectrum of the sensor

图3 铽镝铁材料磁致伸缩系数与磁场关系图Fig.3 Relationship between magnetostriction coefficient of Terfenol-D and magnetic field

1.2 传感机理

FBG-FP干涉仪的3个反射面分别为:单模光纤/FBG端面、多模光纤/空气端面、空气/单模光纤端面,该传感器传感机理为多光束干涉。当宽带光源发出的光传输到FBG时,其光强为Ii;在FBG中心波长处反射光强为I1，经由FBG传输到FP的输入光和反射光分别为I2和I3;从FP反射回的光叠加后再次传输到FBG,透过FBG后的光强为I4；从传感器输出光强为Iout,是I1和I4叠加，且输出光强满足[25]

Iout=I1+I4=Ii[fFBG+(1-fFBG)2fFP]。

(1)

其中，fFBG和fFP分别为FBG和FP的反射系数,且可表示为

(2)

(3)

其中：R为布拉格光栅的反射率；λB为中心波长；C为反射带宽;r为光纤端面反射率;L为FP腔长。

当外磁场作用于传感器时,由于磁致伸缩效应,Terfenol-D棒长改变，Terfenol-D棒的应变与磁场的关系为

(4)

其中：εT、ΔL、L分别为Terfenol-D棒的应变、伸长量和原长;Cf为磁致伸缩系数,与外磁场有关,且在特定磁场范围内满足线性关系;H为外磁场强度。

当磁场和环境温度发生变化时,由于磁致伸缩效应和热效应,EFPI反射光谱发生漂移。由磁场和温度变化引起的共振干涉谱的漂移量为

Δλm=λm(αHΔH+αTΔT)。

(5)

其中：λm、Δλm分别为m阶干涉谷对应的波长及波长漂移量;αH、αT分为磁场和温度灵敏系数;ΔH、ΔT分别为磁场强度和温度的变化量。因FBG对磁场不敏感,其中心波长漂移仅与温度有关,且满足

ΔλB=λBβΔT。

(6)

其中：λB、ΔλB分别FBG的中心波长及其变化量;β为FBG的温度灵敏系数。

由式(5)和(6)得EFPI和FBG波长漂移量与磁场和温度的矩阵方程

(7)

由矩阵方程(7)计算得

(8)

利用矩阵方程(8)可进行温度校正。

2 测试与分析讨论

本文实验装置如图4所示,解调仪SI155(美国微光光学公司)内置宽带激光光源,其光谱范围为1 520～1 580 nm,具有高功率、低噪声等特点。待测磁场的实验装置如图5,圆饼形钕铁硼永磁铁(100 mm×20 mm)对称放置于导轨两端且异性磁极相对,可确保磁场沿轴向分布。旋转台底座放置于导轨上,不仅可沿导轨自由滑动,还可绕中心轴旋转。为了避免铁磁材料对磁场影响,该装置所有配件都用有机塑料、铝合金等材料制作而成。

图4 实验装置图Fig.4 Diagram of the experimental setup

图5 待测磁场装置图Fig.5 Experimental setup of the measured magnetic field

传感器放置于旋转台中心,Terfenol-D棒的轴与磁场方向一致,Terfenol-D棒附近的磁场可看作均匀磁场,特斯拉计的霍尔片固定在磁场传感器附近。通过改变旋转台与永磁铁的距离来改变磁场强度,测量范围为0～100 mT,步长约5 mT。为了减小磁滞现象导致的测量误差,测量过程中传感器始终沿同一方向移动。图6为不同强度磁场对应的光谱,随着磁场强度增加,干涉光谱向长波方向漂移,而FBG中心波长不发生变化,这说明FBG对磁场不敏感。干涉波谷随磁感应强度变化如图7,在0～25 mT,波长几乎不发生漂移,因为磁场对材料内磁畴的作用力不足以克服相邻磁畴间相互作用力,磁畴不发生旋转;在25～100 mT范围内,磁场对Terfenol-D棒内磁畴的作用使磁畴发生旋转,随着磁场加,磁致伸缩系数不断增大,光谱漂移量逐渐增大,直至光谱漂移量与磁场强度呈线性关系。对曲线进行线性拟合,得到干涉波谷漂移量对磁场强度的灵敏度为1.227 8 nm/mT,R2=99.54%。重复以上实验3次,得到反射光谱与磁场强度关系如图8,测试结果基本一致,该传感器重复性较好。

图6 不同磁场强度对应的反射光谱Fig.6 Reflection spectrum of different magnetic field intensity

图7 干涉波谷随磁感应强度变化Fig.7 Variation of interference wave trough with magnetic induction intensity

图8 传感器重复性测试Fig.8 Repeat measurement of the sensor

可逆性测试结果如图9所示,短线表示磁场增强过程,短线点表示磁场降低过程。磁场增加和降低过程中同一场强对应反射波谷不同。在0～4 mT,磁场升高和降低过程中，反射波谷相同，撤掉磁场后Terfenol-D恢复原状,因此传感器可反复使用;在4～30 mT，磁滞引起的反射波谷的差值逐渐增大直至达到稳定状态;在30～80 mT,磁滞现象稳定且磁滞现象最明显,磁滞引起的反射波谷差值达到15.19 nm;在80～90 mT,磁滞逐渐减小到零。在磁场增加和降低过程中磁滞现象不可忽略,但是可以通过合理的方法降低磁滞效应,从而获得更加理想的测试结果。

图9 可逆性测试Fig.9 Reversibility test

图10 磁场传感器指向性测试Fig.10 Directivity test of magnetic field sensor

基于Terfenol-D材料的本征特性,研究了传感器的指向性。首先,调整两个永磁铁,使其中心位置处磁场强度为30.80 mT,且保持不变。旋转台放置于两个永磁铁的中心位置,同时锁死底座,传感器固定于旋转台的中心,且方向与磁场方向平行。逆时针旋转旋转台,步幅为10°。指向性测试结果如图10所示,共振波谷漂移量与传感器方向有关,当磁场方与Terfenol-D棒的主轴方向平行时,传感器灵敏度最大;当磁场方向与Terfenol-D棒的主轴方向垂直时,传感器灵敏度最小。传感器的指向性可用Terfenol-D材料的轴向应力解释,如图11所示。当旋转旋转台时,磁场以不同方向作用于传感器。对于特定的旋转角度,传感器受到的拉力仅与轴向应力有关。作用于EFPI结构的轴向应力F1与旋转角度θ有关,且满足F1=Fcosθ,其中F为Terfenol-D棒的磁场力。指向性曲线的不完全对称性与以下因素有关：①Terfenol-D棒的磁滞现象导致对称方向上磁致伸缩量的不同;②验时传感器起始方向并非平行于磁场方向;③传感器没有放置于旋转台中心位置。

图11 磁场传感器的磁场力分析Fig.11 Magnetic force analysis of magnetic field sensor

在传感器的温度响应测试中,把传感器放入水浴锅内,从室温(34℃)起,每升高1℃,等温度稳定后,每隔1分钟记录一次数据,连续记录3分钟内数据,得到EFPI和FBG的温度响应分别如图12A和12B。其中正方形散点表示测试数据点,直线是对测量数据的平均值拟合后得到的。传感器输出光谱是EFPI和FBG的光谱叠加,将其等效为EFPI、FBG温度传感器。随着温度增加二者反射光谱均向长波方向漂移。实验结果表明:EFPI和FBG温度响应的稳定性好,灵敏度分别为2.696 3 nm/℃、0.008 2 nm/℃,线性相关系数R2分别为99.90%和99.70%。EFPI温度灵敏度远大于FBG的温度灵敏度,这是由于①Terfenol-D材料热胀系数比光纤大;②干涉结构的灵敏度高于FBG的灵敏度。由于EFPI腔对磁场和温度都很敏感,磁场测量时有必要对温度进行校正。通过以上实验我们得到磁场和温度的测量矩阵为

图12 传感器温度特性Fig.12 Senser temperature characteristic curve

最后，对本文提及的几种基于Terfenol-D材料的FP型磁场传感器性能进行比较，如表1所示。参考文献[22-23]中的磁场传感器都是基于Terfenol-D材料的本征型FP磁场传感器，本征型FP是用两个相同参数的FBG串联而成，利用波长解调的方法实现磁场传感，以上两个传感探头结构类似，容易制作且易于复制，但磁场测量灵敏度较低,这是由于本征型FP灵敏度低导致的。文献[24]中的光纤磁场传感探头是将非本征型FP结构粘贴于Terfenol-D平板制成的。在10～88 mT测量范围内，传感器最高灵敏度高达8.55 nm/mT。该传感器较本征型FP传感器灵敏度高、测量范围大，但忽略了温度对FP腔的横向交叉影响。本文提出的非本征型FP磁场传感器具有温度自校准、测量灵敏度高等特点，同时，本文较全面地研究了磁场传感器的各项性能，如磁场特性、温度特性、可逆性、指向性、重复性。

表1 基于Terfenol-D材料的FP型磁场传感器的比较Tab.1 Comparison of FP magnetic field sensors based on Terfenol-D material

3 结语

本文提出了一种具有温度补偿作用的高灵敏磁场传感器，传感器基于Terfenol-D材料，由一段单模光纤布拉格光栅和非本征法布里-珀罗干涉腔构成，利用波长解调技术研究传感器的多项特性。首先，研究了传感器的磁场特性，实验测量了0～100 mT内的磁场强度，传感器的磁场灵敏度为1.227 8 nm/mT，线性相关系数R2=99.54%，多次测量结果表明传感器灵敏度高且重复性好。然后，研究了传感器的指向性，实验结果表明共振波谷漂移量与传感器方向有关，当磁场方与Terfenol-D棒的主轴方向平行时，传感器灵敏度最大；当磁场方向与Terfenol-D棒的主轴方向垂直时，传感器灵敏度最小。最后，研究了传感器的温度特性，EFPI和FBG对温度响应的稳定性好，灵敏度分别为2.696 3 nm/℃、0.008 2 nm/℃，线性相关系数分别为99.90%和99.70%，由实验结果可知，该传感器的EFPI温度灵敏度较高，可实现温度的补偿测量。由于该传感器具有灵敏度高、温度区分测量、制作简单、成本低等特点，在电磁场检测领域有潜在的应用价值。