[发明专利]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

说明书

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：