基于MF与LPFG磁场传感方案的改进与设计

发布时间：2017-07-20 21:22

  本文关键词：基于MF与LPFG磁场传感方案的改进与设计

  更多相关文章： 磁流体 LPFG 薄包层FBG 同步测量 温度补偿

【摘要】：长周期光纤光栅(LPFG)是一种新式的无源光纤器件,对外界温度、应变、折射率等因素均很敏感。磁流体(MF)是一种具有明显磁光效应的特殊液体,因其折射率会随外界磁场的改变而改变,常被用于磁场传感中。将LPFG的折射率敏感性与MF的磁光效应相结合,通过检测LPFG的谐振波长偏移量可以进行磁场的测量。这种磁场传感系统不仅拥有LPFG灵敏度高的优点,还拥有MF转换效率高的优点,对实际应用具有一定意义。本文阐述了LPFG的传感原理,从MF的组成、性质、应用等方面进行了详细描述。重点对基于MF的LPFG磁场传感器的温度特性进行了仿真,仿真结果表明,外界温度的变化不仅会使LPFG的谐振波长产生漂移,还会改变MF的折射率,进而影响磁场的测量精度,因此需要加入温度改良模块；通过对改良模块原理的分析,得出只需测量出外界折射率与温度值便可准确得到磁场强度的结论；针对布拉格光纤光栅(FBG)具有感温范围广的优点及方案改良的需要,研究了其包层厚度与温度和折射率之间的关系,结果显示,包层的厚度不会影响FBG的温度敏感性,但会影响折射率敏感性,包层厚度越薄,折射率敏感度越高;通过对改良模块的分析结论与FBG包层厚度的研究结果提出两种改进方案。第一种是采用添加薄包层FBG,形成温度与折射率同步测量的方法对原方案进行改进。通过对折射率敏感区间的分析与数值拟合,提炼出了温度和折射率的同步测量公式。并根据MF的三维仿真图验证了该公式的正确性,证明了此改进方法可以提高磁场的测量精度,并且当折射率在1.45-1467之间时,该方案的磁场测量精度会达到最高。最后通过设计新式的传感探头,做出了改进后的系统模型。第二种是采用添加FBG,构成温度补偿模块的方法对原方案进行改进。首先通过对温补介质的对比研究,选用具有较宽感温范围的FBG作为温度补偿介质。然后针对FBG温度不敏感的缺陷,选用了硼锗共掺法、逐点写入法和聚四氟乙烯封装法来提高FBG的温度灵敏度。最后通过对改进后方案的建模与分析,得出此温补方法也可以精确测量磁场的结论,实现了提高磁场测量精度的目的。
【关键词】：磁流体 LPFG 薄包层FBG 同步测量 温度补偿
【学位授予单位】：西安邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212;TN253
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第1章 绪论8-14
• 1.1 引言8-9
• 1.2 光纤光栅传感器的特点与应用9-11
• 1.2.1 光纤光栅传感器的特点9
• 1.2.2 光纤光栅传感器的应用9-11
• 1.3 光纤光栅测量磁场技术国内外的发展状况11-13
• 1.4 本文主要研究内容13-14
• 第2章 磁流体的基本性质及特性仿真14-22
• 2.1 磁流体概述14-16
• 2.1.1 磁流体的组成14-15
• 2.1.2 磁流体的分类15
• 2.1.3 磁流体的制备15-16
• 2.2 磁流体在传感领域的应用16-17
• 2.2.1 角度传感器16
• 2.2.2 体积传感器16
• 2.2.3 流量传感器16-17
• 2.2.4 加速度传感器17
• 2.3 磁流体性质分析及仿真17-20
• 2.3.1 磁流体性质分析17-19
• 2.3.2 磁流体折射率与磁场和温度的仿真19-20
• 2.4 本章小结20-22
• 第3章 LPFG与FBG的传感原理及特性仿真22-40
• 3.1 LPFG传感的基本原理及应用22-29
• 3.1.1 LPFG耦合原理与频谱特性22-24
• 3.1.2 LPFG的制作方法24-26
• 3.1.3 LPFG的应用26-29
• 3.2 LPFG的特性仿真29-31
• 3.2.1 LPFG温度特性仿真29-30
• 3.2.2 LPFG折射率特性仿真30-31
• 3.3 FBG的特性分析31-35
• 3.3.1 FBG温度特性分析31-33
• 3.3.2 FBG应力特性分析33-35
• 3.4 薄包层FBG的基本理论与特性仿真35-39
• 3.4.1 薄包层FBG的基本理论35-36
• 3.4.2 薄包层FBG折射率特性与仿真36-39
• 3.5 本章小结39-40
• 第4章 采取薄包层FBG与LPFG的混并式结构改进方案40-54
• 4.1 基于MF与LPFG传感方案的缺陷分析及改进思路40-41
• 4.2 基于薄包层FBG与LPFG混并式结构的分析及验证41-49
• 4.2.1 光纤光栅的折射率区间及温度特性分析与拟合41-46
• 4.2.2 同步测量温度与折射率的公式及可行性分析46-49
• 4.3 混并式结构传感探头的制作49-50
• 4.4 采用混并式结构改进实验方案50-51
• 4.4.1 改进后方案的原理综述50-51
• 4.4.2 改进后方案的方案模型51
• 4.5 本章小结51-54
• 第5章 采取FBG的温补办法改进方案54-62
• 5.1 LPFG的温补方案分析与选择54-56
• 5.1.1 采用涂覆材料温度补偿54-55
• 5.1.2 热敏材料温度补偿55-56
• 5.1.3 FBG温度补偿56
• 5.2 FBG的温度敏感性分析与增强方法56-58
• 5.2.1 FBG的温度敏感性分析56-57
• 5.2.2 增强敏感性的方法选择57-58
• 5.3 采取FBG的温补办法改进实验方案58-60
• 5.3.1 改进后方案的可行性分析58-59
• 5.3.2 改进后的系统模型59-60
• 5.4 本章小结60-62
• 第6章 结论和展望62-64
• 6.1 全文总结62-63
• 6.2 下一步展望63-64
• 参考文献64-68
• 攻读学位期间取得的研究成果68-70
• 致谢70-72

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