[发明专利]一种带温度补偿的光栅光纤磁场传感器及制备方法和基于其的分布式测量系统

说明书

本发明公开了一种带温度补偿的光栅光纤磁场传感器及制备方法和基于其的分布式测量系统，属于光纤传感器技术领域。包括磁场测量光栅、温度补偿光栅、磁致伸缩Terfenol‑D颗粒及环氧树脂基体四部分。磁致伸缩Terfenol‑D颗粒在环氧树脂基体中呈一定取向分布，因此磁致伸缩材料沿磁场方向的形变ε更加集中，采用金属化镍层使应变传递损失更小，并且颗粒形态可以有效减小的超磁致伸缩材料由于磁滞损耗及涡流损耗导致的异常热的产生从而整体上提高了传感器的灵敏度。本发明的传感器有效解决了温度补偿的问题，提高了传感器的灵敏度；同时还解决了光纤和环氧树脂的连接问题，提高了传感器的稳定性和服役寿命，体积小巧，易于在较小的空间中完成高精度的测量。

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，涉及一种带温度补偿的光栅光纤磁场传感器及制备方法和基于其的分布式测量系统。

背景技术

随着我国城镇化和工业的迅速发展，人们生活质量和水平不断提高，人们更加追求健康的工作、生活环境，因此近年来对弱电磁场的测量和防护越来越得到重视，电磁污染等关键词也出现在公众视野，长期工作或者居住在高压输电线路、高压变电站等附近的人们深受影响。大量的研究数据显示了工频弱电磁场对人体健康和精神心理产生了不良的影响，细胞膜信息通道打开的惯性和受激灵敏度随着外界电磁场频率的提高而下降，并且外界磁场在人体中引起的感生电流会刺激到神经组织细胞。这都是弱电磁场对人体的危害。

专利CN201410019718公开了一种基于磁致伸缩材料的光纤光栅空间磁场强度传感器，其原理是传感器外壳内备有三个相互正交的磁致伸缩材料，其上分别通过光纤凸点固定三条光纤光栅进而分别测量空间三维磁场强度矢量分量。该装置具有可通过三个方向的磁致伸缩材料和固定其上的光纤光栅实时监测空间磁场强度矢量的特征，但是该特征使得这种传感器体积变大，且该传感器虽然采用Terfenol-D材料，获得了较大的磁致伸缩系数，但是Terfenol-D在动态时的磁滞损耗及涡流损耗很大，温升严重，导致热变形过大影响传感器的灵敏度，尤其传感器需要在环境温度等外界因素不断变化的影响下工作，而无法排除温度的影响，就会使测量数据的灵敏度欠缺。同时作为实时监控的磁场传感器，光纤光栅的固定方式也直接影响了传感器的精度和服役寿命，且该传感器采用传统的光纤布拉格光栅，其灵敏度也相对较低。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种带温度补偿的光栅光纤磁场传感器及制备方法和基于其的分布式测量系统，该传感器空间灵敏度高，体积小巧，结构简单，能用于不同环境下磁场的测量。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种带温度补偿的光栅光纤磁场传感器，其特征在于，包括环氧树脂基体、光纤、磁场测量光栅和温度补偿光栅；

所述环氧树脂基体由高模量环氧树脂和固化于其中的低模量环氧树脂组成，在低模量环氧树脂区域形成用于放置光栅的栅区；在高模量环氧树脂中排布有若干呈取向性的磁致伸缩Terfenol-D颗粒；

在环氧树脂基体中，沿纵向设有相互平行的金属化镍层和通孔，光纤由金属化镍层的一端穿入环氧树脂基体，从金属化镍层的另一端穿出环氧树脂基体，然后由通孔的一端穿入环氧树脂基体，由通孔的另一端穿出环氧树脂基体；

光纤的磁场测量光栅置于金属化镍层中的栅区处，光纤的温度补偿光栅置于通孔中的栅区处，承装磁场测量光栅的栅区和承装温度补偿光栅的栅区平行且处于同一截面位置。

优选地，所述金属化镍层由镀镍层和激光焊接于其外部的镍管构成。

进一步优选地，镍管表面为呈锯齿状的凹凸结构，磁场测量光栅的两端经金属化处理后与镍管焊接相连。

优选地，磁场测量光栅和温度补偿光栅为经腐蚀处理的微纳光纤光栅，直径为20～40μm。

优选地，通过在低模量环氧树脂中添加高分子物质以保证弹性模量足够小不束缚磁场测量光栅变形。