基于光纤光栅和磁致伸缩材料的GMA内部磁场测量系统

发布时间：2017-08-02 21:09

  本文关键词：基于光纤光栅和磁致伸缩材料的GMA内部磁场测量系统

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【摘要】：在航空航天、深空引力波探测、超精密加工设备等领域,隔振减振技术都具有非常重要的意义,对其性能指标也提出了更高的要求。基于磁致伸缩材料的磁致伸缩微位移执行器由于其伸缩系数大、能量转换效率高、频率响应快等优点,在主动隔振领域占有重要的地位。然而,磁致伸缩材料具有典型的磁滞非线性,内部存在着复杂的能量转换以及能量损耗,这导致了执行器控制所需磁滞模型的不准确以及动态输出的能量衰减,对执行器内部信号转换过程进行研究成为提升其性能的唯一途径。本论文的研究目的是,基于已有的磁致伸缩微位移执行器,利用磁致伸缩材料的磁敏感性,并引入光纤光栅材料的应变敏感性,将二者联合搭建磁场测量系统,实现对磁致伸缩执行器内部磁场的测量。论文的主要内容包含以下四个部分:首先,分析光纤光栅及磁致伸缩材料的传感特性,建立光纤光栅测量量中心波长与待测量温度和应变的理论关系,磁致伸缩材料的Preisach磁滞模型;其次,对磁致伸缩棒与光纤光栅之间的应变传递进行理论推导和仿真分析,确定最佳的粘贴方案;基于Sagnac环对光纤光栅的返回光波长进行检测,完成相关理论仿真及实验分析;再次,搭建整体磁场测量系统,对原磁致伸缩微位移执行器导向块结构进行改进并对其影响进行磁场仿真,采用双光栅方式进行温度补偿以避免执行器内部温度变化带来的影响,完成整体控制及数据处理程序的编写;最后,完成整体测量系统的部分和整体实验分析。实验结果表明,实验中光纤光栅与磁致伸缩棒间应变传递的效率仅为28.2%,有进一步提升的空间;基于Sagnac环的光波长解调系统稳定性良好,3min波动范围0.1%,测量波长分辨力0.72pm;整体磁场测量系统在施加温度补偿的前提下,其稳定性3min内波动范围0.14%,磁场测量量程为111m T,在全量程内的分辨力为0.4m T,在中间区域小量程内的分辨力为0.18m T,其全行程测量的重复性为0.47%。该磁场测量系统基本实现了磁致伸缩微位移执行器内部磁场测量功能,具有应用于执行器内部信号研究领域的潜质。
【关键词】：磁致伸缩 光纤光栅 Sagnac环 磁场测量
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB535.1
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-22
• 1.1 课题背景和研究意义9-11
• 1.2 光纤磁场传感器的研究现状11-20
• 1.2.1 法拉第效应型光纤磁场传感器11-12
• 1.2.2 磁流体型光纤磁场传感器12-13
• 1.2.3 磁致伸缩效应型光纤磁场传感器13-20
• 1.3 本文主要研究内容20-22
• 第2章 光纤光栅及磁致伸缩材料传感特性分析22-37
• 2.1 引言22
• 2.2 光纤布拉格光栅的传感原理及模型分析22-26
• 2.2.1 光纤光栅传感原理22-24
• 2.2.2 光纤光栅传感模型分析24-26
• 2.3 超磁致伸缩材料的传感原理及磁滞非线性模型26-36
• 2.3.1 超磁致伸缩材料的传感原理26-27
• 2.3.2 磁致伸缩材料磁滞非线性模型分析27-36
• 2.4 本章小结36-37
• 第3章 光纤光栅应变测量系统设计37-55
• 3.1 引言37
• 3.2 表面粘贴式光纤光栅应变传递研究37-46
• 3.2.1 光纤光栅应变传递理论模型分析37-42
• 3.2.2 光纤光栅应变传递仿真分析42-46
• 3.3 光纤光栅反射光波长解调系统46-54
• 3.3.1 Sagnac效应46-47
• 3.3.2 插入单段PMF的Sagnac环滤波器原理分析47-50
• 3.3.3 插入单段PMF的Sagnac环滤波器仿真分析50-53
• 3.3.4 透射谱插值算法53-54
• 3.4 本章小结54-55
• 第4章 基于光纤光栅的磁场测量系统设计55-60
• 4.1 引言55
• 4.2 机械结构设计55-57
• 4.3 温度补偿方案57-58
• 4.4 控制系统58-59
• 4.5 本章小结59-60
• 第5章 磁场测量系统实验与分析60-76
• 5.1 引言60
• 5.2 光纤光栅应变测量实验60-65
• 5.2.1 光谱仪稳定性实验60-62
• 5.2.2 光纤光栅拉伸极限测试62-63
• 5.2.3 多次粘贴效果对比分析63-64
• 5.2.4 光纤光栅粘贴效果64-65
• 5.3 插入单段PMF的SAGNAC环滤波能力实验65-70
• 5.3.1 50:50分光比耦合器稳定性实验65-66
• 5.3.2 Sagnac环测试实验66-70
• 5.4 磁场测量系统实验分析70-75
• 5.4.1 磁场测量系统的搭建70
• 5.4.2 电流与磁场的关系曲线70-71
• 5.4.3 磁场测量稳定性实验71
• 5.4.4 磁场测量量程实验71-72
• 5.4.5 磁场测量分辨力实验72-73
• 5.4.6 磁场测量重复性实验73-75
• 5.5 本章小结75-76
• 结论76-77
• 参考文献77-82
• 致谢82

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本文编号：611235