CN103645447A - 一种基于电致伸缩效应的光纤Bragg光栅磁场传感器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于电致伸缩效应的光纤Bragg光栅磁场传感器及其使用方法，属于光电子测量技术领域。本发明包括直流异步电机、电机转轴、换向器、电刷、矩形线圈、桥式整流二极管、滤波电容、保护电阻、光纤Bragg光栅、压电陶瓷、粘接点、外接引出光纤；其中直流异步电机、电机转轴、换向器和矩形线圈固定在一起，电刷与换向器相接触且电刷的触点通过导线与桥式整流二极管相连，桥式整流二极管的引出端与滤波电容、保护电阻相连，光纤Bragg光栅通过两个粘接点粘接在压电陶瓷上，并与外接引出光纤相连。本发明提高了压电陶瓷的形变量，扩大了磁场的测量范围；抗干扰能力强；结构简单，使用方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于电致伸缩效应的光纤Bragg光栅磁场传感器及其使用方法，属于光电子测量技术领域。
背景技术
在工业生产和科学研究的许多领域人都要涉及到磁场测量问题，如磁探矿、地质勘探、磁性材料研究、磁导航、同位数分离、受控热核反应及人造地球卫星等。随着高压直流输变电的发展，变电站、高压输电线等周围磁场的监测对于电网的安全运行有着重要的意义。为此，电绝缘、抗电磁干扰、全光通信的光纤Bragg光栅磁场传感器成为磁场检测领域一个重要研究方向。
与本发明最接近的磁场检测技术是声波耦合磁电效应及器件（参见专利，授权公告号：102842575 A），该发明专利是利用磁致伸缩效应和压电效应，通过声波耦合制得复合磁电器件。当受到外界弱磁场干扰时，磁致伸缩薄片产生周期性弹性形变并传输到周围介质形成声波，在声波作用下压电陶瓷片受到周期性的外力，产生对应的电压输出，通过对电压的检测，该结构只能实现对弱磁场的测量，磁场测量范围较窄，并且该结构只采用一片压电陶瓷，对于压电陶瓷形变量测量的灵敏性不高。
发明内容
本发明提供了一种基于电致伸缩效应的光纤Bragg光栅磁场传感器及其使用方法，通过采用10片压电陶瓷薄片叠合而成，以用于解决单个压电陶瓷片应变量的测量灵敏度问题，并且采用的是光纤Bragg光栅作为传感元件，以用于解决传统传感元件只能实现弱磁场测量的问题。
本发明的技术方案是：一种基于电致伸缩效应的光纤Bragg光栅磁场传感器，包括直流异步电机1、电机转轴2、换向器3、电刷4、矩形线圈5、桥式整流二极管6、滤波电容7、保护电阻8、光纤Bragg光栅9、压电陶瓷10、粘接点11、外接引出光纤12；其中直流异步电机1、电机转轴2、换向器3和矩形线圈5固定在一起，电刷4与换向器3相接触且电刷4的触点通过导线与桥式整流二极管6相连，桥式整流二极管6的引出端与滤波电容7、保护电阻8相连，光纤Bragg光栅9通过两个粘接点11粘接在压电陶瓷10上，并与外接引出光纤12相连。
所述光纤Bragg光栅9通过环氧胶粘贴在叠堆型压电陶瓷10的表面中心轴线上。
一种基于电致伸缩效应的光纤Bragg光栅磁场传感器的使用方法，所述方法的具体步骤如下：
A、通过直流异步电机的电机转轴带动矩形线圈切割磁场；通过换向器和电刷，将磁场能转换成电能；将产生的电压通过导线，经过桥式整流二极管的整流，滤波电容的滤波，得到感应电压ΔU与磁场的变化量ΔB的关系ΔU= 
；式中，N为矩形线圈的匝数，S为矩形线圈的横截面积，W为矩形线圈旋转的角速度；
B、通过保护电阻将导线输出的电压端接在压电陶瓷上，根据压电陶瓷的逆压电效应，得到粘接在X轴上光纤Bragg光栅波长移位量
与施加在压电陶瓷Z轴上电压ΔU的关系
；式中：为光纤Bragg光栅的中心波长，P e 为有效弹光系数，K为所加电压与压电陶瓷形变量之间的正比系数，l为光纤Bragg光栅所在光纤的长度；
C、根据感应电压ΔU与磁场的变化量ΔB的关系及粘接在X轴上光纤Bragg光栅波长移位量
与施加在压电陶瓷Z轴上电压ΔU的关系得到粘接在X轴上光纤Bragg光栅波长移位量
与磁场的变化量ΔB的关系
；式中：
为光纤Bragg光栅的中心波长，P e 为有效弹光系数，K为所加电压与压电陶瓷形变量之间的正比系数，N为矩形线圈的匝数，S为矩形线圈的横截面积，W为矩形线圈旋转的角速度，l为光纤Bragg光栅所在光纤的长度。
直流驱动电机的转轴与安装换向器与电刷的转轴必须以同轴安装，确保中心旋转在同一方向上，使得同轴的转速传递达到最佳值。
本发明的工作原理是：
直流异步电机1的电机转轴2带动矩形线圈5切割磁场，发生电磁感应现象，通过换向器3和电刷4，根据直流异步电机1内部电磁感应原理，将磁场能转换成电能，产生的电压通过导线，经过桥式整流二极管6的整流，滤波电容7的滤波，通过保护电阻8将导线输出的电压端接在压电陶瓷10的Z轴方向上，根据压电陶瓷10的逆压电效应，当压电陶瓷10的Z轴方向加上电压时，使得粘接在压电陶瓷10X轴方向上的光纤Bragg光栅9的中心波长发生移位，通过对光纤Bragg光栅9波长移位的测量可以对滤波后的电压进行实时监测，根据直流发电机内部电磁感应原理和桥式整流电路的数学模型，通过电压与磁场关系的换算，可以对磁场进行实时监测。
本发明的数学模型分析如下：
光纤Bragg光栅均匀轴向应变引起的波长移位为：
（1）
式中，
为光纤Bragg光栅的中心波长，
为波长移位量，P e 为有效弹光系数，
为轴向应变量。
而轴向应变量
可表示为如下：
（2）
式中，l为光纤Bragg光栅所在光纤的长度（即表示在压电陶瓷上两个粘接点之间的长度），Δl为光纤的轴向拉伸。
根据直流发电机内部电磁感应原理，矩形线圈以恒定转速切割同一方向的磁场，可以得到同一方向的磁场B与感应电压U的关系：
U=NBSW （3）
式中，N为矩形线圈的匝数，S为矩形线圈的横截面积，W为矩形线圈旋转的角速度。
则在不同的周期内，可以得到磁场的变化量ΔB与感应电压ΔU的关系：
ΔU=NΔBSW （4）
经过桥式整流电路整流，电容滤波之后，提升了输出直流电压的平均值。可以得到磁场的变化量
与感应电压
的关系：
ΔU=
（5）
感应电压经过整流之后加在压电陶瓷上，压电陶瓷的伸长量Δc与所加电压的关系如下：
Δc=KΔU （6）
式中，
为所加电压与压电陶瓷形变量之间的正比系数（即与压电陶瓷的压电系数和拉伸结构有关的常量）。
由于光纤Bragg光栅通过两个粘接点粘接在压电陶瓷的X轴方向上，压电陶瓷的伸长量Δc与光纤轴向拉伸Δl相等，即：
Δl=Δc （7）
把式（6）和式（7）代入式（2）可得光纤轴向应变量
与整流后加在压电陶瓷上的电压关系：
把式（8）代入式（1），通过保护电阻将导线输出的电压端接在压电陶瓷上，根据压电陶瓷的逆压电效应，得到粘接在X轴上光纤Bragg光栅波长移位量
与施加在压电陶瓷Z轴上电压ΔU的关系：
把式（5）、（8）代入式（1），可以得到光纤光栅的波长移位量
与磁场的变化量ΔB之间的关系：
通过计算，可以得到光纤Bragg光栅的波长移位对磁场变化ΔB的响应灵敏度为：
式（11）表明了磁场传感器实际测量的磁场变化与光纤Bragg光栅的Bragg波长移位之间的数学模型，通过测量光纤Bragg光栅的Bragg波长移位量可以计算出实测磁场的大小。
本发明的有益效果是：
1、本发明的敏感元件采用压电陶瓷薄片叠合而成，其形变量为单个压电陶瓷片的形变量的总和，来提高压电陶瓷的形变量。
2、经过桥式整流电路，使输出的电压更加平滑，根据滤波电容的充放电特性，来降低脉动成份，同时也提升了输出直流电压的平均值。
3、抗干扰能力强：采用电绝缘材料光纤Bragg光栅，传输信号为光信号，可以抗电磁干扰，同时，还有减少电火花引燃待测可燃气体气体的作用，减少了安全隐患。光纤Bragg光栅传感器适用于存在电磁干扰情况下的特殊工况下实时测量。
4、结构简单，使用方便。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中压电陶瓷的横向伸缩模式示意图；
图中各标号：1为直流异步电机、2为电机转轴、3为换向器、4为电刷、5为矩形线圈、6为桥式整流二极管、7为滤波电容、8为保护电阻、9为光纤Bragg光栅、10为压电陶瓷、11为粘接点、12为外接引出光纤。
具体实施方式
实施例1：如图1-2所示，一种基于电致伸缩效应的光纤Bragg光栅磁场传感器，包括直流异步电机1、电机转轴2、换向器3、电刷4、矩形线圈5、桥式整流二极管6、滤波电容7、保护电阻8、光纤Bragg光栅9、压电陶瓷10、粘接点11、外接引出光纤12；其中直流异步电机1、电机转轴2、换向器3和矩形线圈5固定在一起，电刷4与换向器3相接触且电刷4的触点通过导线与桥式整流二极管6相连，桥式整流二极管6的引出端与滤波电容7、保护电阻8相连，光纤Bragg光栅9通过两个粘接点11粘接在压电陶瓷10上，并与外接引出光纤12相连。
所述光纤Bragg光栅9通过环氧胶粘贴在叠堆型压电陶瓷10的表面中心轴线上。
一种基于电致伸缩效应的光纤Bragg光栅磁场传感器的使用方法，所述方法的具体步骤如下：
A、通过直流异步电机的电机转轴带动矩形线圈切割磁场；通过换向器和电刷，将磁场能转换成电能；将产生的电压通过导线，经过桥式整流二极管的整流，滤波电容的滤波，得到感应电压ΔU与磁场的变化量ΔB的关系ΔU=；式中，N为矩形线圈的匝数，S为矩形线圈的横截面积，W为矩形线圈旋转的角速度；
B、通过保护电阻将导线输出的电压端接在压电陶瓷上，根据压电陶瓷的逆压电效应，得到粘接在X轴上光纤Bragg光栅波长移位量与施加在压电陶瓷Z轴上电压ΔU的关系
；式中：
为光纤Bragg光栅的中心波长，P e 为有效弹光系数，K为所加电压与压电陶瓷形变量之间的正比系数，l为光纤Bragg光栅所在光纤的长度；
C、根据感应电压ΔU与磁场的变化量ΔB的关系及粘接在X轴上光纤Bragg光栅波长移位量与施加在压电陶瓷Z轴上电压ΔU的关系得到粘接在X轴上光纤Bragg光栅波长移位量
与磁场的变化量ΔB的关系
；式中：
为光纤Bragg光栅的中心波长，P e 为有效弹光系数，K为所加电压与压电陶瓷形变量之间的正比系数，N为矩形线圈的匝数，S为矩形线圈的横截面积，W为矩形线圈旋转的角速度，l为光纤Bragg光栅所在光纤的长度。
直流驱动电机的转轴与安装换向器与电刷的转轴必须以同轴安装，确保中心旋转在同一方向上，使得同轴的转速传递达到最佳值。
实施例2：如图1-2所示，一种基于电致伸缩效应的光纤Bragg光栅磁场传感器，包括直流异步电机1、电机转轴2、换向器3、电刷4、矩形线圈5、桥式整流二极管6、滤波电容7、保护电阻8、光纤Bragg光栅9、压电陶瓷10、粘接点11、外接引出光纤12；其中直流异步电机1、电机转轴2、换向器3和矩形线圈5固定在一起，电刷4与换向器3相接触且电刷4的触点通过导线与桥式整流二极管6相连，桥式整流二极管6的引出端与滤波电容7、保护电阻8相连，光纤Bragg光栅9通过两个粘接点11粘接在压电陶瓷10上，并与外接引出光纤12相连。
所述光纤Bragg光栅9通过环氧胶粘贴在叠堆型压电陶瓷10的表面中心轴线上。
一种基于电致伸缩效应的光纤Bragg光栅磁场传感器的使用方法，所述方法的具体步骤如下：
A、通过直流异步电机的电机转轴带动矩形线圈切割磁场；通过换向器和电刷，将磁场能转换成电能；将产生的电压通过导线，经过桥式整流二极管的整流，滤波电容的滤波，得到感应电压ΔU与磁场的变化量ΔB的关系ΔU=
；式中，N为矩形线圈的匝数，S为矩形线圈的横截面积，W为矩形线圈旋转的角速度；
B、通过保护电阻将导线输出的电压端接在压电陶瓷上，根据压电陶瓷的逆压电效应，得到粘接在X轴上光纤Bragg光栅波长移位量与施加在压电陶瓷Z轴上电压ΔU的关系
；式中：
为光纤Bragg光栅的中心波长，P e 为有效弹光系数，K为所加电压与压电陶瓷形变量之间的正比系数，l为光纤Bragg光栅所在光纤的长度；
C、根据感应电压ΔU与磁场的变化量ΔB的关系及粘接在X轴上光纤Bragg光栅波长移位量
与施加在压电陶瓷Z轴上电压ΔU的关系得到粘接在X轴上光纤Bragg光栅波长移位量
与磁场的变化量ΔB的关系
；式中：为光纤Bragg光栅的中心波长，P e 为有效弹光系数，K为所加电压与压电陶瓷形变量之间的正比系数，N为矩形线圈的匝数，S为矩形线圈的横截面积，W为矩形线圈旋转的角速度，l为光纤Bragg光栅所在光纤的长度。
直流驱动电机的转轴与安装换向器与电刷的转轴必须以同轴安装，确保中心旋转在同一方向上，使得同轴的转速传递达到最佳值。
所述方法的具体实施步骤为：
1、选用的直流异步电机的驱动电压U=12V，转速n=3000r/min；
2、矩形线圈选用：矩形线圈选用铜线制材，电阻率
，长a=20cm，宽b=10cm，匝数N=10，矩形线圈的横截面积S=20×10cm2，线圈旋转的角速度W=2π/T=2πn，将n=3000r/min代入，则W=100πrad/s；
3、整流二极管的选取：选用1N5402硅整流二极管，反向重复峰值电压为
，正向平均整流电流为I=3.0A；
4、考虑到电路的无功功率损耗，滤波电容选取
；
5、考虑到矩形线圈铜线和整流二极管的最大承受电流和电压，选取接入保护电阻的阻值
；
6、压电陶瓷选用压电陶瓷片堆叠，其所加电压与压电陶瓷形变量之间的正比系数K=1.16×10-5/V；
7、压电陶瓷的横向伸缩模式按附图2所示；
8、光纤Bragg光栅技术参数：中心波长
nm，有效弹光系数P e =0.22；
9、测量传感光纤有效长度取l=100mm；
10、按附图1，附图2配置实验；
11、用光纤Bragg光栅解调仪获取光纤Bragg光栅的波长值；
12、根据式
得到光纤Bragg光栅的波长移位
对磁场变化ΔB的响应灵敏度；
13、将光纤Bragg光栅的中心波长、有效弹光系数，矩形线圈的匝数、面积，转轴的角速度，传感光纤有效长度等具体参数代入步骤12中的公式，理论计算表明，该磁场传感器的灵敏度为1.4268pm/mT。因此，当光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨率为1pm时，该传感器的分辨力为0.7mT；该磁场传感器测量磁场的范围在0.7mT~2.1T。
14、经过桥式整流电路，使输出的电压更加平滑，根据滤波电容的充放电特性，来降低脉动成份，同时也提升了输出直流电压的平均值。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (4)
1.一种基于电致伸缩效应的光纤Bragg光栅磁场传感器，其特征在于：包括直流异步电机（1）、电机转轴（2）、换向器（3）、电刷（4）、矩形线圈（5）、桥式整流二极管（6）、滤波电容（7）、保护电阻（8）、光纤Bragg光栅（9）、压电陶瓷（10）、粘接点（11）、外接引出光纤（12）；其中直流异步电机（1）、电机转轴（2）、换向器（3）和矩形线圈（5）固定在一起，电刷（4）与换向器（3）相接触且电刷（4）的触点通过导线与桥式整流二极管（6）相连，桥式整流二极管（6）的引出端与滤波电容（7）、保护电阻（8）相连，光纤Bragg光栅（9）通过两个粘接点（11）粘接在压电陶瓷（10）上，并与外接引出光纤（12）相连。
2.根据权利要求1所述的基于电致伸缩效应的光纤Bragg光栅磁场传感器，其特征在于：所述光纤Bragg光栅（9）通过环氧胶粘贴在叠堆型压电陶瓷（10）的表面中心轴线上。
3.一种基于电致伸缩效应的光纤Bragg光栅磁场传感器的使用方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：
A、通过直流异步电机的电机转轴带动矩形线圈切割磁场；通过换向器和电刷，将磁场能转换成电能；将产生的电压通过导线，经过桥式整流二极管的整流，滤波电容的滤波，得到感应电压ΔU与磁场的变化量ΔB的关系ΔU= 
；式中，N为矩形线圈的匝数，S为矩形线圈的横截面积，W为矩形线圈旋转的角速度；
B、通过保护电阻将导线输出的电压端接在压电陶瓷上，根据压电陶瓷的逆压电效应，得到粘接在X轴上光纤Bragg光栅波长移位量
与施加在压电陶瓷Z轴上电压ΔU的关系
；式中：
为光纤Bragg光栅的中心波长，P e 为有效弹光系数，K为所加电压与压电陶瓷形变量之间的正比系数，l为光纤Bragg光栅所在光纤的长度；
C、根据感应电压ΔU与磁场的变化量ΔB的关系及粘接在X轴上光纤Bragg光栅波长移位量
与施加在压电陶瓷Z轴上电压ΔU的关系得到粘接在X轴上光纤Bragg光栅波长移位量与磁场的变化量ΔB的关系
；式中：
为光纤Bragg光栅的中心波长，P e 为有效弹光系数，K为所加电压与压电陶瓷形变量之间的正比系数，N为矩形线圈的匝数，S为矩形线圈的横截面积，W为矩形线圈旋转的角速度，l为光纤Bragg光栅所在光纤的长度。
4.根据权利要求3所述的基于电致伸缩效应的光纤Bragg光栅磁场传感器的使用方法，其特征在于：直流驱动电机的转轴与安装换向器与电刷的转轴必须以同轴安装，确保中心旋转在同一方向上，使得同轴的转速传递达到最佳值。
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