低温下FBG-GMM光纤磁场传感性能与增敏的实验研究

发布时间：2024-03-27 22:15

　　超磁致伸缩材料(Giant magnetostrictive material, GMM)是一种响应快、应变大、能量密度高的新型功能材料,广泛应用于传感、能量转换等关键元器件中。特别是在某些实际应用中(例如航天器服役环境),GMM需要工作于低温环境,其低温下的力-磁行为越来越引起人们的关注。本文基于实验室自主搭建的低温力-磁加载实验装置,利用光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)低温应变测量方法与GMM磁致伸缩特性,开展了磁致伸缩-光纤光栅磁场传感结构在两种低温环境273K和77K下的力-磁特性实验,获得了GMM在预应力和外加磁场下的应变特征。研究结果表明:温度对GMM力-磁性能有显著影响,相对于室温(293K)和273K,GMM在77K下的磁致应变减小一个数量级;预压力对GMM磁致伸缩增强效果大大减弱。进一步,采用FBG测试部分的悬空结构设计,实现FBG-GMM磁场传感器性能的有效增敏,相比传统粘贴型FBG磁场传感器,测量敏感系数提高约7倍,可用于低温环境下的磁场高灵敏监测。

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【部分图文】：

图1FBG-GMM低温下的测试装置示意图

为了高效地开展相关的性能测试与标定实验,我们自主设计并搭建了低温测试装置,包括低温恒温箱体、预应力施加系统、外加磁场、传感信号采集与处理系统等(如图1),可实现不同低温环境下的预压力和磁场施加。同时,为了进行传感结构的波长与磁场转化系数标定,我们基于Labview软件和NI硬件数....

图3电磁体磁场-电流关系

实验测试中的外加磁场是通过电磁体实现的,相关的纵向磁场与载流的励磁测试结果参见图3。可以看出,电磁体产生的磁场与通电电流呈理想的线性关系,电流精确控制到0.01A,对应的磁场可控精度为0.4Gs。其次,我们进行了冷却过程中的结构变形特征测量,图4为降温过程中3根FBG的波长漂移变....

图2FBG-GMM传感器结构示意图和实体图

为对比不同结构设计的灵敏度和有效性,我们采用了两种光纤光栅的装配方式,实验室制备了FBG-GMM磁场传感,结构如图2所示。一种设计是将光纤粘贴于GMM凹槽中,形成直接粘贴式FBG-GMM传感结构(FBG1、FBG2),FBG粘贴区约为10mm,所测GMM变形区与其栅区一致;另一....

图4液氮降温过程中FBG波长漂移

图3电磁体磁场-电流关系(2)FBG-GMM磁响应测试

本文编号：3940574