1、非接触磁耦合光纤光栅位移传感器第 6 卷第 6 期2008 年 11纳米技术与精密 T 程Nan0techn0l0gyandPrecisionEngineeringV_01.6NO.6NOV.2008非接触磁耦合光纤光栅位移传感器王俊杰,刘波,张丰涛,姜德生武汉理一大学光纤传感与信息处理教育部重点实验室,武汉 430070摘要:研发了一种基于光纤 Bragg 光栅(fiberBragggrating,FBG)技术的非接触磁耦合位移传感器.两块扁圆柱型硬磁铁通过软铁连接起来,形成一 u 型传感探头.该 u 型探头与被测物形成一闭合磁路,实现间隙与磁耦合力的转换,再通过一平面薄板结构将磁耦合力转变
2、为光纤 FBG 的轴向应变.通过理论和实验详细地分析研究了上述两个关键技术环节.研究表明:该非接触位移传感器为一非线性传感器 ,非线性主要是由于磁耦合力与间隙的平方成反比这一传感器固有特性以及漏磁,特别是漏磁随间隙增加而变大造成的该非线性传感器的数据处理结果为:随机不确定度为 0.23%;回程误差为 0.376%;传感器综合误差为0,606%关键词:光纤传感器;光纤 Bragg 光栅;位移传感器;非接触测量;磁耦合中图分类号:TN253 文献标志码:A 文章编号:l6726030(2008)06046805NonContactMagneticCouplingFiberBraggGratingD
3、isplacementSensorWANGJun-jie,LIUBo,ZHANGFengtao,JIANGDe-shengKeyLaboratoryofFiberOpticSensingTechnologyandInformationProcessingofMinistryofEducationWuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)Abstract:AnoncontactmagneticcouplingdisplacementsensorbasedonfiberBragggrating(FBG)sensingtechnologywasdev
4、eloped.Twopiecesofflatcylinder.shapedpermanentmagnetwerelinkedbysoftmagneticmaterialtOformaU-typesensingprobe.ThusaclosedmagneticcircuitwasformedfromthisUtypeprobeandthemeasuredmovingobject,bywhichthetransferringrelationbetweenthegapandmagneticfieldforcecanbeestablished,andthenbymeansofamechanicaltr
5、ansducerbasedonplanarcircularsheet,themagneticcouplingforcecanbeconvertedintothesensingFBGaxialstrain.Theabovetwokeytechniqueswereanalyzedtheoreticallyandexperimentally.Resultsindicatethatthisnoncontactdis-placementcellisanonlinearsensor,thisnonlinearityisproducedmainlybythesensorinherentcharacteris
6、ticthatthemagneticfiledforceisinverselyproportionaltothesquareofthegap,andthemagneticleakagewhichisincreasedwiththeincreaseofthegap.ThedataprocessingresultsshowthattherepeatabilityandhysteresisofthenonlinearsensoroverthefulldisplacementrangeareO.23%and0.376%.respectively.Therefore.theresultanterrora
7、chievedis0.606%overthefullrange.Keywords:fiber-opticsensor;fiberBragggrating;displacementsensor;noncontactmeasurement;magneticcoupling许多 1 业实践都需要对物体位移进行测量,而采用非接触式测量是目前位移传感技术的重要发展方向,更是生产实践对位移测量技术提出的客观需求.因此,近年来对位移进行非接触测量的方法发展迅速.非接触测量方法主要分为基于光学原理1-21 和磁场原理3-41 两种.基于光学原理的非接触位移传感收稿日期:基金项目:作者简介:通讯作者:器,虽具有
8、较高的精度和大的测量范围,但其结构复杂,对测量的环境要求高,无法在有灰尘,油污的工业恶劣环境中使用.基于磁场测量原理的位移传感器虽可在高油污,高灰尘的恶劣环境下 T 作,同时具有较高的测量精度,但却不能在要求安全不带电,易燃易爆的环境下_T 作,也不能实现数据远传,实现远2OO8 一 O514.困家自然科学基金资助项目(50775169);武汉市青年科技晨光计划资助项目(20065004116-20)王俊杰(197Im),男,博士,副教授俊杰2008 年 11 月王俊杰等:非接触磁耦合光纤光栅位移传感器 ?469?距离遥测.本文提出的非接触磁耦合光纤光栅位移传感器,综合了光纤传感器防爆,便于远
9、距离遥测的优势,同时兼顾了磁场测量方法所具有耐油污和在高灰尘环境工作的特点,有望解决在易燃易爆,高灰尘,高油污环境下,对物体的变形位移进行远距离非接触检测的问题.1 传感器系统设计图 1 为基于光纤 Bragg 光栅 (fiberBragggrating,FBG)技术的非接触位移传感器结构示意图,主要南磁耦合传感探头设计和传感探头结构设计两部分组成.前者通过磁耦合将气隙的变化转变为磁场力的变化;后者将磁场力的变化转变为光纤光栅的轴向应变.这二者互相关联,又相互制约.移动方图 l 传感器结构以及检测原理示意1.1 磁耦合传感头设计稀土钻永磁材料有如下优点【5】:矫顽力高,具有很强的抗去磁能力;温
10、度稳定性好;去磁曲线近似为一条直线,一作回复直线与去磁曲线基本重合,见图 2,只要退磁磁场小于矫顽力,则不会发生不可逆退磁现象;具有很高的磁能积.由于稀土钴永磁材料具有述优点,故采用它构成实现磁耦合的闭合磁路,可以保证该不接触位移测量系统的长期稳定性,温度稳定性以及尽可能小的迟滞特性.片一磁场强度;伊一磁感应强度;一永磁材料矫顽力;辟一剩磁图 2 稀土钴永磁材料工作特性图 3 给出磁耦合系统的等效磁路图.,Rl 和位,尺.2 分别为所选永磁材料自身的磁势和磁阻,即Fm=Fml=Fm2=H?LRe=R1=R2=L/f“?S式中:为间隙磁场强度;三和为所用永磁材料的厚度和截面积;为回复系数,也就是
11、永磁材料退磁曲线的斜率.陶 3 中,尺为两个硬磁铁之间的漏磁磁阻;R 为两个硬磁铁和被测移动物串联气隙的总磁阻;Rfc 为软磁材料组成的极靴和永磁铁装配气隙的磁阻;Rh 为被测移动物的磁化磁阻.图 3 等效磁路当系统进入 T 作过程后,被测移动体与 u 型传感探头最大间隙小于两圆形磁铁轴线安装间距,同时也小于两磁铁的截面直径,可以假设两磁铁间的漏磁为零,对磁路的影响忽略不计.同时,永磁材料自身磁阻 R,被测旋转轴磁化磁阻风,软磁材料自身磁阻和永磁铁装配气隙磁阻 fc,相对于 u 型传感探头和被测物间隙磁阻 R 小很多,可以忽略不计.由磁路基尔霍夫定律可得H?L+BS|=0则有B:一 .(1)=
12、“0(Sg/lg)式中:为问隙磁感应强度;Sg 为单个间隙的面积,可以理解为扁网柱永磁铁的截面积;为单个气隙的磁导;为空气磁导率;lg 为工作间隙.当被测物离传感器最远时,即传感器与被测体之间为最大问隙,g.时,=“.-(Sg/lg),为常数,式(1)表示 T 作点是在第二象限与横坐标成夹角的射线 OL 上,见图 2;当被测物离传感器最近时,即传感器与被测体之间为最小间隙,时,=?(/.)也为常数, 式(1) 表示 T 作点是在第二象限与横坐标成夹角的射线 OM 上,见图 2;同时,永磁材料的丁作点还必须满足去磁曲线方程?470?纳米技术与精密工程第 6 卷第 6 期c).(2】因此,传感器
13、T 作点必须在两曲线的交点上,在被测物靠近或远离传感器的整个工作过程中,工作点必将沿着与去磁直线重合的回复线 AD 上移动,其相应的磁感应强度也在和之间来回变化.如图 2所示,由式(1和式(2), 可得B=一(3)g. 分故储存在每个空气隙的磁能为=B2?(4)式中为虚拟位移.由于被测体和永磁材料的磁导率远大于空气的磁导率,所以,储存在被测体和永磁材料中的磁能远小于储存在空气间隙中的磁能.由功能原理,可得每个磁极上的力为厂:一:一生(5)2针对笔者所采用的 u 型闭合磁路,传感器与被测体气隙间距和它们之间磁场耦合总力 F 的关系为.SF=2 厂= 一旦?U0L.fg 一(6)1.2 传感探头结
14、构设计笔者选用如图 1 所示的弹性薄板结构将磁耦合力转变为光纤光栅的轴向应变.图 4 为其弹性变形分析简图.7f .J 洲 l【“一 Lf-一一L圈 4 传感器结构弹性变形分析设薄板和硬心的弹性模量为,泊松比为 Up,薄板的半径为 JR,其厚度为 h,中央硬心的半径为 F0,其厚度为 d,光纤材料的弹性模量为,光纤截面积为f,且光纤 FBG 的有效工作长度为薄板的柱面抗挠度为hD=.12(1 一“:)(7)在传感器工作过程中,被测体和传感器之间磁耦合力为 F,薄板中央硬心沿磁场力方向的挠度为三,也就是敏感 FBG 被拉伸长了工.这时,等效作用在半径为 r0 上的硬心的分布压强载荷为p:二!:墨
15、:(8),)=一 loJ丁 c当分布压强载荷 P 作用在半径为 ro 的硬心上,硬心中央产生的挠度为6:旦:(9)式中而 1+砉).(- 去2塞(.(_南Rro)12+10卜(一 l一 r0(忐(ro)2_2由式(8) 和式(9),可得到整个弹性敏感薄板结构刚度为七:生量+32 兀 D.(10)Lf1.3 传感探头结构灵敏度计算在传感器安装完成后,传感器和被测体的初始距离为 D.,传感器弹性敏感薄板中央硬心由于引力而产生的挠度为 o,则有=kxo(11)式中 k 为弹性元件的等效刚度系数.在测量过程中,若被测体向传感器方向移动,被测体和传感器磁铁之间的引力增大,迫使弹性薄板硬心向被测体方向移动
16、,被测物和传感器磁铁之间距离进一步减小,它们之间引力进一步增大,迫使弹性薄板向被测物一侧进一步移动,弹性元件反弹力也进一步增大.在弹性元件反弹力增长速率大于它们之间磁场力增长速率时,也就是弹性元件的等效刚度系数 k 要大于某一数2008 年 11 月王俊杰等:非接触磁耦合光纤光栅位移传感器值,磁场力和弹性元件的反弹力才会最终达到平衡.这时传感器向被测物方向移动的距离为X,则有如下关系成立,即甜 OL?U0H一(+)一=k(xo+1(12)式(12)给出了被测物移动距离和传感器中央硬心移动距离X 的一一对应关系.光纤 FBG 波长变化的应力系数为 710/,对于波长为1310mm 的光纤 FBG
17、,传感 FBG 相对于被测体位移的变化灵敏度就可以表示为/AL:0.917 一 Ax(13)2 实验图 5 为非接触磁耦合 FBG 位移传感器的静态位移传感特性标定实物图.将所研制的磁耦合 FBG 位移传感器,模拟被测物分别安装在位移实验平台的同定端和活动端上方,并保证位移传感器和模拟扁圆柱型被测物中心线同轴以及位移传感器 U 型探头扁圆柱型磁铁端面与模拟扁圆柱型被测物端面平行.位移实验平台活动端可以通过精密螺距前后移动,位移分辨率可达 10pm.图 5 非接触磁耦合 FBG 位移传感器静态位移传感特性标定实验磁铁的特征参数为:钐钻为 2:17Sm2(CoFe.cuzr)17-YXG 一 24
18、,剩磁 B=0.951.02T,矫顽力He=700750kA/m. 几何形状为扁网柱型,直径为12mm,厚度为 5mm.选用碳素钢作为 u 型软铁,为两个永磁铁的支撑体,保证两磁铁中心安装距离为 26ITI1TI.空气磁导率 Uo=4 竹10H/m.平面圆形薄板特征参数为:半径 R=19nlnl,厚度h=0.45mm,硬心半径 F0:6mm,厚度=12.5mm.由材料 3J53 在固溶状态下加工成犁,再经过时效处理,恢复其弹性.光纤光栅有效 r 作长度 Lf=30mlT1.模拟被测物由 40 号钢加丁而成,靶面直径为60mm.其中,校准位移传感器采用量程为 10mm,分辨力为 0.01mm 的
19、千分表,FBG 解调器采用 MicronOptics 公司生产的 FBG.IS 型光纤光栅解调仪,分辨力可高达 1pm.传感 FBG 在自由状态下的中心波长为1302.221nm,传感器装配完备后为了消除零点死区预张紧到 1302.608nm.首先,将磁耦合 FBG 位移传感器安装在位移实验平台的固定端.然后,将模拟被测物安装在位移实验平台的移动端,调节移位螺距控制模拟被测物向传感器一侧移动,这时,解调仪显示传感 FBG 的波长值缓慢增大.当传感 FBG 光栅显示值为 1302.612nm 时,停止移动模拟被测物.然后,用分辨力为 0.01mm 游标卡尺,测量传感器 u型探头端面和模拟被测物端面的距离,作为传感器初始安装间距 D.=6.2mm.接着 ,将校准位移传感器安装在被测物的后端,并调整其零点.然后,通过精密螺距以 0.1Irlm 的间隔逐渐向传感器方向移动被测物,并记录相应传感 FBG 的中心波长值;在被测物移动距离达到 6mm 后,再以 0.1mm 的间隔向远离传感器的方向移动被测物,同时,记录相应的波长值,直至被测物恢复到初始位置.按上述方法循环 3次,并将各检定点的正行程和反行程检定示值的算术平均值作为校准值,进行数据分析和处理.理论计算数据和实测数据如图 6 所示.相对位移/mm图 6 非接触磁耦合 FBG 位移传感器位移传感特性曲线
