基于双长周期光纤光栅级联和Galfenol棒的光纤磁场传感器

《Optical Fiber Technology》：Fibre optic magnetic field sensor based upon double long period fibre grating cascade and Galfenol rod

基于级联长周期光纤光栅的矢量磁场传感器设计，通过LPFG?测量温度，LPFG?与Galfenol磁致材料结合检测磁场强度和方向，利用波长分离消除温度交叉干扰，结构简单且环境适应性强。

　　

作者列表：韩博文（Bowen Han）、李宏（Hong Li）、李彦生（Yansheng Li）、郭晓山（Xiaoshan Guo）、蒋超（Chao Jiang）、黄慧玲（Huiling Huang）、曹婷水（Tingshui Cao）、严天琪（Tianqi Yan）、蒋国洲（Guozhou Jiang）、孙思梅（Simei Sun） 所属机构：湖北师范大学物理与电子科学学院，光电转换材料与器件湖北省重点实验室，微纳光电子器件与集成湖北省工程技术研究中心，中国湖北省黄石市435002

摘要

本文提出了一种基于级联长周期光纤光栅（LPFG）的矢量磁场（MF）传感器。首先，使用飞秒激光在单模光纤芯中直接刻写周期不同的LPFG1和LPFG2，形成两个共振波长精确偏移的级联LPFG结构。随后，将LPFG2用紫外线胶粘剂牢固地粘贴在磁致伸缩材料Galfenol棒上。当磁场强度增加时，Galfenol棒会膨胀变形，导致LPFG2的周期发生变化，进而实现磁场强度的测量。此外，LPFG2对磁场方向的变化具有敏感性，能够确定磁场的方向。而LPFG1不与Galfenol棒接触，仅对温度敏感。通过利用LPFG1和LPFG2在不同温度和磁场强度下的共振波长，可以构建灵敏度矩阵，实现磁场和温度的同时测量，有效消除温度对磁场测量的干扰。该传感器具有高稳定性、结构简单、成本低廉、适用环境广泛以及测量范围宽等优点。

引言

磁场（MF）测量在许多科学研究和工业领域中占据核心地位，从物理实验探索、地球科学中的磁场监测、生物医学领域的磁成像技术，到航空航天中的导航与定位，磁场测量都发挥着不可或缺的作用。随着科学技术的快速发展，对磁场测量的精度、灵敏度和稳定性等关键指标的要求也越来越高。尽管传统的磁场测量技术一度满足了基本需求，但在面对更高精度要求和恶劣环境挑战时，其局限性逐渐显现。科学家们发现，由于光纤的独特性质，它们能够在大多数复杂应用中测量磁场。光纤磁场传感器应运而生，不仅突破了传统电磁传感器的限制，还符合小型化、智能化和集成化的趋势。然而，光纤本身对磁场不敏感，因此开发了基于不同磁性材料的光纤磁场传感器。其中，磁流体、铁粉和不同材料的磁棒是常用的磁性材料。不过，磁流体作为液体会增加传感器结构的复杂性并提高制造难度；而铁粉容易在传感器表面分布不均匀，导致传感器性能波动和测量误差增加[1][2][3][4][5]。 相比之下，磁致伸缩材料在磁场测量中表现出独特优势。当磁致伸缩材料受到磁场作用时，材料内部原子或离子的自旋和轨道耦合能发生变化，引发晶格变形。这种变形与磁场的方向和强度密切相关，并表现为材料长度和体积的微小变化。此外，当外部磁场消失后，磁致伸缩材料能迅速恢复到原始状态，具有良好的可逆性。因此，使用磁致伸缩材料棒制造高精度磁场传感器成为优选方案。目前，基于磁致伸缩效应的光纤磁场传感器已有大量研究[6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17][18][19][20][21][22]。这些传感器可分为干涉式光纤磁场传感器[6][7][8][9][10][11][12][13]和结合光纤光栅的磁场传感器[15][16][17][18][19][20][21][22]。例如，Tang等人提出了一种基于磁致伸缩效应的空气间隙法布里-珀罗干涉仪（FPI）磁场传感器[6]；Deng等人将锥形双模光纤与Terfenol-D材料结合使用，通过空心光纤实现磁场测量[11]；Dong等人将双泡马赫-曾德尔干涉仪（MZI）固定在锥形光纤上并与Terfenol-D棒结合，实现矢量磁场测量[12]；Tian等人设计了一种由保偏光纤和磁致伸缩棒组成的微型光纤磁场传感器，该传感器结合了萨格纳克回路和光纤激光振荡器[13]；Yu等人基于光纤环和光纤布拉格光栅（FBG）的磁致伸缩结构设计了高精度磁场传感器[15]；Huang等人发明了利用磁致伸缩材料的位移放大装置的光纤FBG磁场传感器[18]；Li等人提出的基于Terfenol-D和FBG的光纤磁场传感器成功消除了交叉敏感性[21]。然而，这些传感器大多制造复杂、稳定性差且成本较高。 不同材料的性能和优势各不相同。Galfenol棒在低磁场强度下具有较大的磁致伸缩效应，且应变过程中的滞后效应小，保证了材料的稳定性和可靠性[23][24][25]；与稀土磁致伸缩材料相比，Galfenol的脆性更低、抗拉强度更高，更适合对应用环境要求严格的复杂场景[26][27][28]。长周期光纤光栅（LPFG）传感器具有高灵敏度、多参数响应能力、无后向反射干扰、宽光谱特性、优异的环境适应性和测量性能、可调性和高分辨率等优点[29][30][31]。因此，本文选择使用Galfenol棒和LPFG组合来实现磁场矢量测量。 本文介绍了一种创新的双级联LPFG传感器设计，其中LPFG1和LPFG2的周期分别为330 μm和630 μm。LPFG2粘贴在Galfenol棒上用于测量磁场矢量，而LPFG1仅用于测量温度。当磁场强度变化时，会导致Galfenol棒长度变化，这种变化相当于对LPFG2施加轴向应变。在10 mT至52 mT的磁场范围内，FPI2对磁场强度的灵敏度为-9.55 pm/mT，线性度为0.9990。当磁场方向从90°旋转到180°时，FPI2对磁场方向的灵敏度为-12.4 pm/°。此外，LPFG1和LPFG2的温度灵敏度分别为36.78 pm/°C和47.2 pm/°C。通过利用LPFG1和LPFG2在不同温度和磁场强度下的共振波长，可以构建灵敏度矩阵，实现磁场和温度的同时测量，消除温度对磁场测量的干扰。

传感器工作原理

所提出的传感器采用双级联LPFG结构（如图1所示）。LPFG1不与Galfenol棒接触，仅用于温度测量；Galfenol棒通过紫外线胶粘剂牢固地粘贴在LPFG2上，用于测量磁场和温度。传感器的光路可简要描述为：光传输到LPFG1后，核心模式部分耦合到包层模式。

传感器实验装置

图7展示了用于测量磁场变化的实验装置配置。本实验使用的磁场测量设备是中国国家仪器量子技术有限公司自主研发的X波段脉冲电子顺磁共振谱仪EPR100。EPR100中的磁场由电磁系统产生，通过电流流经线圈形成稳定且可调的恒定磁场。线圈通电后因电阻产生热量。

结论

本文设计了一种创新的双级联LPFG传感器，其中LPFG1和LPFG2的周期分别为330 μm和630 μm。通过紫外线胶粘剂将LPFG2牢固地粘贴在磁致伸缩材料Galfenol棒上，实现磁场强度和方向的测量。LPFG1仅用于温度测量。当磁场强度变化时，会导致Galfenol棒长度变化，这种变化相当于对LPFG2施加轴向应变。

作者贡献声明

- 韩博文（Bowen Han）：撰写初稿、数据整理 - 李宏（Hong Li）：指导、方法论设计、概念构思 - 李彦生（Yansheng Li）：软件开发、数据整理 - 郭晓山（Xiaoshan Guo）：项目管理、方法论设计 - 蒋超（Chao Jiang）：撰写、审稿与编辑、指导、方法论设计 - 黄慧玲（Huiling Huang）：结果验证、资源协调、数据整理 - 曹婷水（Tingshui Cao）：数据可视化、资金申请、数据分析 - 严天琪（Tianqi Yan）：结果验证、资源协调、数据整理 - 蒋国洲（Guozhou Jiang）：项目管理、文件整理

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

感谢湖北省自然科学基金创新与发展联合基金（2024AFD001）、湖北省本科教学改革研究项目（2024377）、国家自然科学基金（12304281）以及湖北省重点研发项目（2020BAA004）的支持。