超磁致伸缩换能器预应力优化设计方法研究

为优化超磁致伸缩换能器的工作性能、提高输出振幅,基于预应力对磁致伸缩效应的作用机理,建立了饱和磁致伸缩系数与预应力的关系模型。提出磁致伸缩灵敏度的概念,建立其与预应力和外磁场强度之间关系的理论模型。以超声换能器输出振幅最大为目标,提出以磁致伸缩平均灵敏度最大为准则的最佳预应力值确定方法。实验结果表明:随着预应力的增大,磁致伸缩平均灵敏度存在极大值,该预应力可在一定驱动磁场强度下获得最大的超声振幅,由此验证了磁致伸缩灵敏度模型的正确性和最佳预应力确定方法的可行性。提出的最佳预应力模型对超磁致伸缩换能器设计中预应力的选择具有指导意义,有助于大振幅超磁致伸缩换能器的设计及应用。     

一种基于光学游标效应的光纤应变传感技术研究

游标效应是提高传感器测量灵敏度的有效方法，提出了一种具有温度稳定性的基于光学游标效应的高灵敏度光纤应变传感方法。详细阐述了高灵敏度光纤应变传感方法的理论基础和系统结构，并对基于光学游标效应的光纤应变传感器的增敏效果进行了仿真研究。理论分析和仿真结果表明：将光学游标增敏效应与SMS干涉仪传光特性相结合，通过两个干涉仪的级联，可以实现具有环境温度稳定的高灵敏度应变传感器，灵敏度相较于原有的光纤应变传感器提高了10倍。该技术的研究和推广对光纤应变传感技术的发展具有重要意义。     

温度自动补偿超磁致伸缩材料布拉格光栅光纤电流传感器

基于超磁致伸缩材料,提出了一种传感光纤光栅(S-FBG)和参考光纤光栅(A-FBG)相结合的温度自动补偿全光纤交流电流传感器。此传感器将传感光纤光栅和参考光纤光栅级联呈"十字形"后粘贴在超磁致伸缩材料上,然后将其置于聚磁回路狭缝内;同时控制传感光纤光栅的径向与磁场方向相同,而参考光纤光栅的径向与磁场方向相反。最后,将S-FBG的中心波长置于A-FBG反射谱的边带上,通过检测两光纤光栅级联反射光强的变化实现了电流测量及温度自动补偿。选用3dB谱宽分别为0.23nm和0.08nm的A-FBG和S-FBG进行了实验测试,结果表明:有效安匝电流为1.0~138.2A时,该传感器可实现线性测量,线性度为0.996 3,测量灵敏度为16.0 mV/A,最小可测有效安匝电流为1.0A。     

FeGa 膜 / AT 切石英晶片双面复合蝶形谐振磁场传感器

蝶形磁致伸缩膜由于磁汇聚,其中心区域的磁致伸缩应变增强,但是和矩形 AT 切石英晶片复合时,磁膜耦合至矩形晶 片电极区的应变会向周围无磁膜区域扩散,降低应变对晶片厚度剪切振动的作用,降低磁场传感器灵敏度。 提出 AT 切石英晶 片和 FeGa 膜形状一样的蝶形谐振磁场传感器,蝶形晶片可以将蝶形磁膜增强的晶片应变汇聚至晶片电极区,以提高传感器灵 敏度。 仿真结果预测,在 23. 8~ 118. 9 Oe 的磁场范围内,蝶形结构的灵敏度为蝶形磁膜/ 矩形晶片结构的 3. 73 倍。 通过微机械 加工,制作了蝶形器件,对实际器件测试的结果表明,在 76. 4~ 117 Oe 的线性区间内,蝶形传感器的灵敏度可达-29. 08 Hz/ Oe。     

用于机械手稳定抓取的磁致伸缩触觉传感器设计与研究

针对智能机械手抓取物体时的滑动问题,为了给机械手提供滑动信号,利用铁镓合金(Galfenol)的逆磁致伸缩效应设计了一种高灵敏度的磁致伸缩触觉传感器。根据逆磁致伸缩效应、欧拉-伯努利梁结构力学原理和胡克定理,建立了触觉传感器的摩擦力测试模型,利用该传感器进行了滑动检测,对采集的滑动信号作了离散小波变换,分析了不同抓取力下滑动信号的DWT细节系数,通过设置阈值为0.05来控制机械手抓取物体。实验结果表明:在偏置磁场为4.2 kA/m,施加的摩擦力为4 N时,传感器输出电压峰值为256 mV,灵敏度达到64 mV/N,将传感器安装在机械手上,可以为机械手提供稳定抓取的控制信号。     

变截面 FeGa 膜 / AT 切石英晶片复合谐振磁场传感器

提出用变截面 FeGa 磁致伸缩膜与 AT 切石英晶片双面复合的磁场传感结构,变截面形状降低了磁膜汇聚区域的退磁 因子,进而将磁致伸缩应变汇聚到晶片的电极区域。 同时双面复合结构避免了晶片中沿厚度方向的应变方向发生改变,两者结 合提高了谐振传感器的磁场灵敏度。 推导的灵敏度公式表明,灵敏度与复合结构确定的应变传递系数、磁膜材料的压磁系数以 及磁膜厚度均成正比,与晶片厚度的平方成反比。 在厚度为 200 μm 的 AT 切石英晶片表面双面沉积 1 μm 厚的变截面 FeGa 膜 制备传感器样品,测试结果表明:传感器 Q 值为 5 489,线性区间的灵敏度达到 -0. 82 Hz / Oe,据此,当晶片厚度降低至 7. 5 μm 时,传感器灵敏度将达到 -583 Hz / Oe,并且可通过采用更高压磁系数的材料进一步提高。     

基于衰荡腔技术的传感器设计与计算机分析

文中将痕量气体测量中衰荡腔技术引入到了SPR传感器中,提高了性能。理论上分析了衰荡腔光路及出射光强与衰荡腔扫描速度间的关系。分析发现:设计的新方法相对于直接测量SPR归一化光强的方法可以显著提高灵敏度,降低检出限。通过改变可调谐激光器的输入波长,并利用衰荡时间信号反馈调节可调掺铒光纤放大器放大,可以在保证灵敏度条件下追踪SPR吸收峰变化,因此兼具波长解调型SPR系统动态范围广,适应性强的优点。     

磁致伸缩效应在圆管中激励纵向导波的理论和试验研究

分析了导波在圆管中传播的模态,探讨了在圆管中激励纵向导波的磁致伸缩作用力模型。纵向导波由平行于圆管轴向的磁致伸缩力的作用而产生,磁致伸缩力除与被检测材料的特性有关外,主要取决于设置的静态偏置磁场和交变磁场的耦合作用。根据该模型设计了在圆管中激励纵向导波的磁致伸缩传感器,试验中获得了纵向导波,并通过磁致伸缩传感器对圆管分别作用不同的静态偏置磁场和交变磁场,试验研究两者对激励的纵向导波的影响。结果表明：作用于圆管上的静态偏置磁场与激励的纵向导波幅值呈抛物线关系,在低偏置磁场作用下,纵向导波幅值随着偏置磁场的增加而增大,在高偏置磁场作用下,纵向导波幅值随着偏置磁场的增加反而减小。导波在圆管中传播时,存在多模式和频散特性,交变磁场大小与激励的纵向导波幅值之间呈非线性关系。     

偏置优化对Terfenol-D致动器性能的影响

从分析Terfenol-D材料的磁致伸缩机理出发,引申出预应力和偏置磁场是影响超磁致伸缩致动器性能的重要因素.零偏置磁场驱动下不同预应力对致动器位移输出影响的实验和零预应力下两种偏置磁场对致动器输出性能的比较实验,验证了合理选择预应力和偏置磁场可有效地改善致动器性能的论点.预应力和磁偏置的实验矩阵确定了不同预应力对应的优化偏置磁场,实际设计中需根据致动器要求确定优化的偏置条件.     

一种新型光纤电流传感器

一种新型光纤电流传感器王廷云孙圣和郑绳楦（哈尔滨工业大学哈尔滨１５０００１）（燕山大学秦皇岛０６６００４）０引言利用单模光纤，基于磁致伸缩效应，不仅能测量磁场，而且也能测量电流，由此建立的电流传感器与法拉第效应建立的电流传感器相比，它结构简单、灵敏...     

Refractive index sensor based on fiber loop ring-down spectroscopy

An optical fiber refractive index sensor based on fiber loop ring-down spectroscopy and a tapered fiber was fabricated using an ordinary single mode fiber with an arc fusion splicer. The performance of the sensor was controlled by the parameters of the tapered fiber. A fiber loop ring-down spectroscopy system was employed to enhance the sensitivity and demodulate the transmission spectrum. The results showed that a sensor with a waist diameter of 14 m and a length of 1.2 mm had good optical performance. By monitoring the ring-down time of the system, relatively high sensitivity of 411.576 s/ RIU was achieved with refractive index values from 1.333 to 1.412. This sensor offers few interferences, high sensitivity, easy fabrication, and low cost.     

Determination of refractive index by fiber-loop cavity ring-down spectroscopy and a long-period fiber grating

The combination of fiber-loop ring-down spectroscopy and a long-period fiber grating were employed in an intensity-interrogated refractive index sensing method using a broad band light source and the specifically designed long-period fiber grating. Compared with the traditional long-period-fiber-grating based refractive index sensors, this approach monitored the decay of the optical signal passing through the loop of the long fiber grating. The decay time changed regularly when the grating was immersed in surrounding media with varying refractive indices. This instrumentation offered reduced cost and eliminated the influence of source fluctuation. The sensitivity and resolution were 2421 ns/RIU and 3 × 10^?4 for refractive index values from 1.3330–1.3737.     

基于微纳光纤Sagnac环结构的光学电流传感器的响应特性研究

磁流体具有固体物质磁性及液体流动性的特性,且无本征矫顽力,无剩磁,磁场响应速度快,灵敏度高,将微纳光纤Sagnac环特殊的光传输性能与磁流体独特的磁光特性相结合,提出了一种基于磁流体包覆微纳光纤Sagnac环的全光纤电流传感器.理论推导了传感器的电流传感机理,设计了传感器的封装方法,并对传感器的温度特性和传感特性进行了...     

Characterization of a high mechanical-Q fiber laser Lorentz force dc magnetometer

A magnetic field sensor is described based on coupling the field into a time varying strain in a fiber laser strain sensor, through the Lorentzian force. A conducting bridge carries an ac current and oscillates at resonance in the presence of a magnetic field. A fiber laser strain sensor attached to the ribbon measures the deflections. The quality factor is shown to be limited by air damping resulting in a measurement resolution of 704 pT/Hz(1/2)±10% at ambient pressure and 360 pT/Hz(1/2)±10% at a reduced pressure of 1700 Pa at 1 Hz and 75 mA (rms).     

马赫-曾德尔干涉集成化的全光纤磁场与温度传感器

为了简化光纤磁场与温度传感器的结构并提高传感器灵敏度,设计并制作了马赫-曾德尔干涉集成化的全光纤磁场与温度传感器。将单根光纤的马赫-曾德尔模间干涉结构和双臂马赫-曾德尔干涉结构结合:将总长度为1.2m的单模光纤部分制备成长度为2.7cm、锥腰直径为30.1μm的锥形微纳光纤,并得到了拉锥时间与锥腰直径的关系。将锥形微纳光纤放置尼龙槽内并包覆磁凝胶构成传感头,实现模间干涉的马赫-曾德尔磁场传感器;将磁场传感器通过两耦合比为50%∶50%的耦合器并联带有可调谐光衰减器的单模光纤形成马赫-曾德尔干涉的温度传感器。从理论上分析了光谱漂移对磁场和温度传感的特性关系,实验测得室温下磁场强度在25~50mT时,磁场传感的灵敏度为0.301 14nm/mT;在磁场强度为0,温度由25℃升高到30℃时,温度传感的灵敏度为0.518 86nm/℃。该传感器可广泛应用于电力系统放电检测、材料加工、安全监控等领域。     

高灵敏度腔增强吸收式乙炔气体检测系统

基于超窄线宽激光特性和光源波长扫描技术,构建了高灵敏度腔增强吸收式乙炔气体检测系统。该系统采用超窄线宽可调谐半导体激光器作光源,使用两块高反射率平凹透镜组成的光学谐振腔作吸收池,通过扫描腔长使入射激光频率与谐振腔模式相匹配,利用激光失谐技术快速断开入射激光,从而实现对微量乙炔气体浓度的衰荡测量。利用腔增强吸收技术测得了激光衰荡时间和6 518.824 cm^-1附近的乙炔弱吸收光谱并进行了分析。结果表明,乙炔气体浓度线性相关系数优于0.999,最大相对误差小于2.5%,极限检测灵敏度为2×10^-6;逐次充入一定体积的乙炔气体,动态响应时间均小于10 s。该检测系统精确度好、灵敏度高,具有较好的动态响应特性,可用于电力变压器故障气体实时在线监测。     

保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环的光学游标效应及温度传感器

为了实现高灵敏度的温度传感,通过在基于保偏光纤Sagnac干涉仪的Sagnac环内增加一段保偏光纤,控制两段保偏光纤快轴熔接角度接近45°,设计并制造了保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环结构。在理论上通过Jones矩阵推导了保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环的干涉谱公式,基于仿真分析研究了主要参数对保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环输出特性的影响。仿真结果表明,保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环实现了光学游标效应,两段保偏光纤的平均长度、两段保偏光纤的长度差分别影响保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环输出干涉谱的波长间隔和包络周期;在实验中,将保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环应用在光纤温度传感器中。实验结果表明,在2cm的感温区域,保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环温度传感器的灵敏度就达到了-2.44nm/℃,是普通Sagnac干涉环温度传感器(-0.163nm/℃)的14.97倍。     

Sensitivity-optimized long-period fiber gratings for refractive index and temperature sensing

A long-period fiber grating sensor was fabricated by periodically changing the structure of single-mode fiber with an electric arc discharge technique. After the fabrication, the refractive index and temperature sensitivities were optimized by etching the cladding with hydrofluoric acid solution. The experimental results illustrate that the thinner cladding shows relatively higher refractive index and temperature sensitivities for the same order cladding mode, which are accordant with that of numerical simulation. After the long-period fiber grating was etched for 15?min, average refractive index sensitivities of 214?nm/refractive index unit (RIU) (1.3333?–?1.3931) and 1987?nm/RIU (1.4115–1.4555) were achieved. An extremely higher refractive index sensitivity of 2731?nm/RIU appears near 1.4555. By systematically studying the temperature sensing characteristic of cladding-etched long-period fiber grating in this work for the first time, the temperature sensitivity can reach as high as 144.23?pm/°C when the ambient temperature changes from 30 to 80°C. This work provides a theoretical reference for the fabrication of a high-sensitivity refractive index and temperature sensor based on arc-induced long-period fiber grating.     

微型膜结构全光纤珐珀干涉高温传感器

制作了一种微型膜结构的全光纤在线珐珀干涉式高温传感器。该传感器是在单模光纤端面依次熔接一段大芯径空芯光纤和一段研磨的多模光纤膜片而构成的,因此,温度引起的珐珀腔光程差改变量由空芯光纤的热膨胀和温度引起腔内压强改变从而改变膜片的扰度两部分组成,从而使相同温度变化下传感器的光程差变化量更大,分辨率更高。实验结果表明,在100～650℃,该传感器单位温度变化的光程差变化量约为1.029 nm,温度分辨率约为1.5℃,测量线性度约为0.996 7,且滞回小,重复性好。这种膜结构的全光纤珐珀干涉式高温传感器因其体积小,温度分辨率高,将在多点高温测量领域有好的应用前景。