馬 瑞，張文濤，李 芳

(1.中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 傳感技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國科學(xué)院大學(xué) 材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院，北京 100049)

0 引言

磁場測量在資源勘探、國防安全、地震監(jiān)測等領(lǐng)域都有著極為重要的應(yīng)用，例如：在資源勘探及國防安全方面，磁場傳感器可以用于監(jiān)測潛艇等水下目標(biāo)；在地震監(jiān)測方面，磁場傳感器可用于探索地震與磁異常信號(hào)之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)地震預(yù)測.

鑒于在眾多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景，多種性能和用途的磁場傳感器已經(jīng)被開發(fā)出來，如磁通門磁強(qiáng)計(jì)[1]、光泵磁強(qiáng)計(jì)[2]、質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀[2]、超導(dǎo)量子干涉器件[3]和光纖磁場傳感器[4]等.相比于電學(xué)類磁場傳感器，光纖磁場傳感器以光纖為傳感和信號(hào)傳輸?shù)拇艌鰝鞲衅?，具有頻帶寬、靈敏度高、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、易于組成大規(guī)模陣列等特點(diǎn).因此，光纖磁場傳感器的研究受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注.目前，研究的光纖磁場傳感器從原理上大體分為四類：第一類基于法拉第效應(yīng)[5]；第二類基于磁流體[6]；第三類是基于安培力[7]；第四類是基于磁致伸縮效應(yīng)[8].其中，基于磁致伸縮效應(yīng)的光纖磁場傳感器具有可靠性好、結(jié)構(gòu)緊湊、不需供電等優(yōu)點(diǎn)，是目前研究較多的一類光纖磁場傳感器.

從傳感器的傳感機(jī)理上來看，基于磁致伸縮效應(yīng)的光纖磁場傳感器主要分為干涉型[9]、光纖激光型[10]和光纖光柵型[11]三個(gè)大類，其分類主要是根據(jù)利用的敏感元件不同.干涉型磁場傳感器通過高靈敏度的光纖干涉儀技術(shù)，結(jié)合各種不同的增敏結(jié)構(gòu)，將磁場信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，并通過光纖傳至信號(hào)處理系統(tǒng)從而提取磁場信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場信號(hào)的還原.國外的科研單位早在八十年代就對(duì)這類傳感器展開了研究[12]，這類傳感器可以在高頻段達(dá)到較高的測量分辨率，但是在低頻段(10 Hz～DC)的分辨率因受限于激光頻率噪聲而難以進(jìn)一步提高[13].光纖激光器類型的傳感器主要利用光纖激光器作為敏感元件[10]，國內(nèi)科研者受限于摻雜光纖制作技術(shù)和光柵刻寫技術(shù)的發(fā)展，在光纖激光傳感技術(shù)研究上起步較晚，制作的光纖激光器較差，激光頻率噪聲較高，無論是在高頻段還是在低頻段，這類傳感器分辨率都較低[10].光纖光柵型主要利用光纖光柵作為敏感元件，這類傳感器的核心優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單、封裝工藝簡單、易于大規(guī)模復(fù)用，因而被普遍看好.但是，普通的光纖光柵線寬較寬，無論是在高頻段還是在低頻段，依其制成的光纖磁場傳感器分辨率較差、動(dòng)態(tài)范圍小，是該項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)弱點(diǎn).綜上所述，如何在低頻段提高傳感器的分辨率是目前研究的主要難點(diǎn).

最近，一種光纖布拉格光纖光柵法布里-珀羅(FBG-FP)腔的光柵器件被提出用于高精度光纖光柵波長解調(diào)技術(shù)[8].與FBG[14]腔相比，F(xiàn)BG-FP腔的反射譜線寬更窄；與光纖F-P干涉儀相比，F(xiàn)BG-FP腔的選頻特性更好.因此，采用FBG-FP腔，有望實(shí)現(xiàn)更高分辨率的磁場測量.

筆者提出了一種基于光纖布拉格光纖光柵法布里-珀羅(FBG-FP)腔和超磁致伸縮材料(Terfenol-D)的磁場傳感器：采用FBG-FP腔作為傳感元件、Terfenol-D材料作為磁場靈敏元件.將FBG-FP腔封裝在其中，當(dāng)磁場變化時(shí)，Terfenol-D材料就會(huì)產(chǎn)生伸縮，帶動(dòng)FBG-FP腔也產(chǎn)生伸縮.結(jié)合高精度的低頻光纖光柵波長解調(diào)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)微弱磁場信號(hào)的探測，且相比于普通的無源光纖光柵磁場傳感器，信號(hào)探測能力可以提高幾個(gè)數(shù)量級(jí).

1 傳感器設(shè)計(jì)方案

1.1 傳感器設(shè)計(jì)

傳感器結(jié)構(gòu)如下圖1所示，外筒長55 mm，直徑35 mm，采用鋁合金材質(zhì)，上下兩端有內(nèi)螺紋，分別與頂蓋和底蓋上的外螺紋配合.Terfenol-D管材長40 mm，外徑10 mm，一端嵌入底蓋的凹槽中，另一端嵌入頂桿的凹槽中.FBG-FP穿過Terfenol-D管材，兩端分別點(diǎn)膠固定在底蓋和頂桿上.模具彈簧套在頂桿上.釹鐵硼磁環(huán)長3 mm，外徑15 mm，套在Terfenol-D棒外，用于提供偏置磁場.

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)外加磁場作用在傳感器上時(shí)，Terfenol-D管材伸長，通過頂桿使FBG-FP腔也伸長，使得FBG-FP腔反射譜諧振峰的峰值波長發(fā)生變化，通過檢測峰值波長的變化，可以得出磁場的變化量.

1.2 高精度低頻應(yīng)變解調(diào)系統(tǒng)

本文中的光纖磁場傳感器系統(tǒng)由光纖磁場傳感器探頭和高精度低頻應(yīng)變解調(diào)系統(tǒng)[15]組成.解調(diào)系統(tǒng)的示意圖如圖2所示.

圖2 解調(diào)系統(tǒng)原理圖

解調(diào)系統(tǒng)的工作原理是：首先，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生掃描波形，將該信號(hào)送入PI-PZT驅(qū)動(dòng)器.PI-PZT驅(qū)動(dòng)器實(shí)際上是一個(gè)高精度電壓放大器，將電壓放大后，輸出給可調(diào)諧的窄線寬激光器，來驅(qū)動(dòng)激光器以固定的調(diào)諧方式輸出光波，該光經(jīng)過隔離器進(jìn)入耦合器.耦合器將光分為兩束，一束進(jìn)入到環(huán)形器，經(jīng)環(huán)形器入射到傳感FBG-FP腔中，并按激光器的調(diào)諧方式掃描傳感FBG-FP腔，掃描后返回的光再經(jīng)過該環(huán)形器的另一個(gè)端口輸出給光電探測器；另一束以相同的方式進(jìn)入到參考FBG-FP腔并進(jìn)行掃描，并將返回的光輸出給另一個(gè)光電探測器.兩光電探測器將得到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后利用數(shù)據(jù)采集卡采集該信號(hào)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)便可以得到兩路FBG-FP腔的反射譜.最后，在電腦中利用解調(diào)算法對(duì)反射譜進(jìn)行解調(diào)處理，便可以得到靜態(tài)應(yīng)變的測量結(jié)果.當(dāng)兩個(gè) FBG-FP腔傳感器受到外界應(yīng)變時(shí)，其反射譜的中心波長將發(fā)生漂移.由于兩個(gè)傳感器中，一個(gè)作為參考，另一個(gè)作為傳感.當(dāng)受到外界應(yīng)變作用時(shí)，傳感用FBG-FP腔除受外界應(yīng)變作用的影響外，還受環(huán)境溫度及其他環(huán)境因素的影響；而參考FBG-FP腔主要受環(huán)境溫度及其他環(huán)境因素的影響.因此，兩個(gè)FBG-FP腔的反射譜的中心波長漂移量會(huì)有所不同.基于這個(gè)原理，利用解調(diào)算法計(jì)算出兩個(gè)FBG-FP腔傳感器反射譜中心波長的差值，該差值既反應(yīng)了所受外界應(yīng)變量的大小，又在很大程度上進(jìn)行了溫度補(bǔ)償并消除外界環(huán)境的干擾.

1.3 理論計(jì)算

當(dāng)外加磁場作用在傳感器上時(shí)，Terfenol-D管材伸長，產(chǎn)生的應(yīng)變與外加磁場的關(guān)系表示為：

(1)

式中：εT為Terfenol-D管的應(yīng)變量；ΔL為Terf-enol-D管的伸長量；L為Terfenol-D管的長度；Cf為Terfenol-D管的磁致伸縮系數(shù)，該系數(shù)的取值隨著偏置磁場的增大而增大；H為外加磁場的大小.

在外加磁場作用下，Terfenol-D管產(chǎn)生應(yīng)變，使得傳感FBG-FP腔也產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，傳感FBG-FP腔中心波長的變化量Δλ1與該應(yīng)變值εT的關(guān)系為：

Δλ1=[(1-pe)εT+α1T]λc,

(2)

式中：pe為光纖的有效光彈系數(shù)；α1為Terfenol-D材料的熱膨脹系數(shù)；λc為FBG-FP腔的中心波長值.

由于Terfenol-D材料的熱膨脹系數(shù)與FBG-FP腔的熱膨脹系數(shù)差別較大，當(dāng)外界環(huán)境溫度變化時(shí)，二者的熱膨脹系數(shù)不同會(huì)使得附著在FBG-FP腔上的Terfenol-D材料形變量大于光纖，因此，需要引入測量誤差,對(duì)傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償.選用與Terfenol-D具有非常相近熱膨脹系數(shù)的Monel-400合金，將該合金與參考FBG-FP腔耦合，采用與圖1中相同的方式進(jìn)行封裝，進(jìn)行溫度補(bǔ)償.參考FBG-FP腔峰值波長的變化量Δλ2與溫度的關(guān)系為：

Δλ2=α2Tλc,

(3)

式中：α2為Monel-400合金的熱膨脹系數(shù)；λc為FBG-FP腔的中心波長值.由于Monel-400合金與Terfenol-D材料的熱膨脹系數(shù)非常相近，可以近似認(rèn)為α1=α2=α.

結(jié)合式(1)～(3)，可以得出傳感FBG-FP腔峰值波長與參考FBG-FP腔的反射譜峰值波長差Δλ與外加磁場的關(guān)系為：

Δλ=Cf(1-pe)λcH2.

(4)

因此，傳感器的磁場靈敏度可以表示為：

(5)

由上述表達(dá)式(5)可以看出，磁致伸縮系數(shù)Cf是影響傳感器磁場靈敏度的主要因素.在該傳感器的設(shè)計(jì)中，采用釹鐵硼永磁體的方式提供偏置磁場，可以增大磁致伸縮系數(shù)，從而提高傳感器的靈敏度.

2 測試結(jié)果分析與討論

2.1 測試系統(tǒng)

采用的測試系統(tǒng)如圖3所示.零磁空間采用高純鋁制材料鑄造的正八角26面體骨架作為主體框架，包裹兩層高純鋁板(電屏蔽層)和八層高磁導(dǎo)率的坡莫合金材料(磁屏蔽層)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地磁場的“靜態(tài)”屏蔽，零磁空間內(nèi)部的剩余磁場小于20 nT，不到正常地磁場強(qiáng)度的萬分之五.在零磁空間中放置有環(huán)型標(biāo)準(zhǔn)線圈，線圈的直徑為60 cm，磁場的均勻區(qū)半徑為20 cm.使用高精度恒流源可以調(diào)節(jié)線圈中電流的大小和方向，從而控制磁場的大小和磁場方向，線圈可以產(chǎn)生的磁場范圍為-100 μT～100 μT.其中，符號(hào)代表磁場方向的兩個(gè)軸向.磁場傳感器放置在線圈的中心位置，加載在傳感器上的磁場可以看做均勻的軸向磁場.

圖3 測試系統(tǒng)示意圖

2.2 測試內(nèi)容及方法

(1)傳感器的磁場靈敏度測試.將傳感器放置在線圈中，Terfenol-D管的軸向與線圈的軸向一致；從-100 μT開始，步長20 μT，不斷增大磁場，每次增大磁場并穩(wěn)定后，連續(xù)記錄30 s數(shù)據(jù)，取30 s內(nèi)反射譜中心波長差的平均值作為中心波長差值，從而準(zhǔn)確測定傳感器響應(yīng)的線性度以及軸向靈敏度.

(2)傳感器的指向性測試.指向性是Terfenol-D材料的固有屬性，即當(dāng)磁場方向與Terfenol-D棒的易磁化方向一致時(shí)，磁致伸縮引起的波長變化量最大.觀察Terfenol-D棒與線圈軸向夾角為0°～ 360°、步長10°時(shí)，傳感器在100 μT軸向磁場作用下的響應(yīng)，得出響應(yīng)幅值與傳感器和磁場夾角的關(guān)系.

2.3 測試結(jié)果及討論

圖4 磁場靈敏度測試圖

(1)磁場靈敏度測試.如2.2節(jié)中測試方法所述，測得的兩FBG-FP腔波長差與環(huán)形線圈產(chǎn)生的磁場關(guān)系，如圖4所示.圖4中，紅色點(diǎn)為測試點(diǎn)，紅色曲線為線性擬合曲線，擬合得到相關(guān)系數(shù)為0.997，曲線的斜率即為傳感器的磁場靈敏度，為1.5×10-3pm/μT，高精度低頻應(yīng)變解調(diào)系統(tǒng)的波長分辨率為1.0×10-3pm，因此，傳感器的磁場分辨率為0.67 μT.

(2)傳感器指向性測試.當(dāng)磁場方向與Terfenol-D棒的易磁化有一定夾角時(shí)，滿足如下規(guī)律：

Δλθ=Δλmax·cosθ,

(6)

式中：Δλθ是傳感FBG-FP腔和參考FBG-FP腔的波長差值；Δλmax是當(dāng)磁場方向與Terfenol-D棒軸向平行時(shí)，兩FBG-FP腔波長的差值；θ是Terfenol-D棒軸向與磁場的夾角.

如圖5所示，將傳感器放置在線圈中心的旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，磁場大小固定為100 μT，設(shè)置0°為磁場方向，保持該方向不變，以步長10°改變Terfenol-D棒與線圈軸向夾角，觀察傳感器的響應(yīng).

圖5 傳感器指向性測試圖

圖6為傳感器指向性的測試結(jié)果圖.圖6中，紅色曲線是實(shí)際測量結(jié)果；黑色曲線是理論計(jì)算結(jié)果.0 dB代表當(dāng)磁場方向與Terfenol-D棒軸向平行時(shí)，傳感器具有最大的響應(yīng)；同時(shí)，當(dāng)傳感器方向與磁場方向垂直時(shí)，其對(duì)磁場沒有響應(yīng)，凹點(diǎn)深度約為-20 dB，這與式(6)基本相符，滿足余弦變化規(guī)律.

圖6 傳感器指向性測試結(jié)果圖

實(shí)際的測量結(jié)果與理論值有一定差距，推測產(chǎn)生這一結(jié)果的原因有兩種：(1)實(shí)驗(yàn)中人為手動(dòng)調(diào)整旋轉(zhuǎn)臺(tái)，可能產(chǎn)生一定的誤差;(2)在實(shí)驗(yàn)過程中，由于人不斷靠近傳感器，會(huì)對(duì)傳感器周圍的溫度產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致波長差發(fā)生變化.

3 結(jié)論

筆者研究了基于磁致伸縮效應(yīng)的光纖磁場傳感器，提出了一種基于光纖布拉格光纖光柵法布里-珀羅(FBG-FP)腔和超磁致伸縮材料(Terfenol-D)相結(jié)合的磁場傳感器方案.該方案采用釹鐵硼永磁體提供偏置磁場，將Monel-400合金與FBG-FP腔耦合，作為溫度補(bǔ)償元件，有效消除了溫度的影響；介紹了高精度低頻應(yīng)變解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)原理，并對(duì)傳感器的磁場靈敏度公式進(jìn)行了理論推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)磁致伸縮系數(shù)是影響傳感器靈敏度的重要因素.最后，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)傳感器的性能進(jìn)行了測試，可知磁場靈敏度為1.5×10-3pm/μT，磁場分辨率為0.67 μT，并且該傳感器具有良好的指向性，因此，有望用于微弱靜態(tài)磁場測量.