1 河北工业大学电子信息工程学院，天津 300401
2 邯郸学院信息技术研究所，河北省光纤生物传感与通信器件重点实验室，河北 邯郸 056005
3 石家庄铁路职业技术学院，河北 石家庄 050041
提出了一种干涉型微纳光纤磁场传感器，由微纳光纤干涉仪和TbDyFe 超磁致伸缩棒构成，单模光纤经过熔融拉锥形成双锥型微纳光纤干涉仪，与TbDyFe 超磁致伸缩棒平行固定封装，磁场作用下磁致伸缩棒和微纳光纤干涉仪发生轴向应变，引起干涉谱的波长漂移，形成波长编码型的光纤磁场传感器。实验结果表明，相同应变特性的微纳光纤干涉仪，磁致伸缩棒直径越小，磁场灵敏度越高，直径为2 mm的TbDyFe磁致伸缩棒组成的光纤磁场传感器灵敏度可以达到0.178 nm/mT，该传感器结构简单，易于制备，成本低廉，响应快，可以实现微弱磁场的高灵敏探测。
传感器 光纤传感 微纳光纤干涉仪 磁场传感 超磁致伸缩棒 激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0728003
光学 精密工程
2022, 30(22): 2876
1 上海大学 通信与信息工程学院, 上海 200444
2 国网江西省电力有限公司 信息通信分公司, 南昌330000
随着智能电网技术的发展, 电流参数的监测需求日益提升。提出了一种基于磁致伸缩效应的光纤布喇格光栅(FBG)电流传感器, 将FBG全部固定于磁致伸缩材料上, 使其感知通电螺线管所产生的磁场来实现电流传感。监测FBG的波长变化可知, FBG电流传感器在0~5 A电流范围最大实现了0.773 nm的布喇格波长漂移量, 传感灵敏度高达0.184 nm/A。
磁致伸缩效应 光纤电流传感器 光纤布喇格光栅 magnetostrictive effect, fiber current sensor, fib
重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室, 重庆 400030
提出一种基于超磁致伸缩材料(GMM)和光纤光栅(FBG)的无源非接触型电流传感器,利用COMSOL软件对参考GMM位置以及聚磁装置预留伸缩空间大小及方向、截面边长和上方开口长度等参数进行分析和优化,保证传感FBG粘接区域内的磁力线密集且均匀分布,最后通过双光栅-强度解调系统实现电流信号的温度无关性测量。传感器交直流特性测试表明,传感器在0.8~3.5 A的直流输入下的灵敏度为249.75 mV/A,线性相关系数高达0.9942;在1.6 A的偏置电流作用下,传感器对50 Hz~6.5 kHz的正弦输入信号具有良好的响应能力。同时传感器的温度特性测试证明,双光栅-强度解调方法可在很大程度上消除环境温度变化对输出电压的影响。本文提出的传感器具有体积小、结构简单、性能稳定和成本低等优点,并且具有温度无关特性。
光纤光学 电流传感 磁致伸缩效应 光纤光栅 双光栅-强度解调法
1 中国科学院 声学研究所，北京 100190
2 中国科学院大学，北京 100049
采用磁致伸缩薄膜FeGa作为敏感材料，优化设计了一种新型高灵敏声表面波(SAW)电流传感器。以中心频率150 MHz的延迟线型SAW器件作为传感元，利用射频(RF)磁控溅射法在其表面SAW传播路径上沉积FeGa磁性薄膜，由此构建SAW电流传感器件。将研制的传感器件接入由放大器及混频器组成的振荡电路中，通过与未镀膜参考器件进行差分，其输出信号用作传感信号。在电磁场作用下，FeGa薄膜产生的磁致伸缩效应引起SAW传播速度的改变，最终以相应的差分振荡频率偏移来评估施加的电流值。为进一步提升传感器性能，通过控制不同的溅射功率及退火热处理等制备工艺来确定优化的制备条件。实验结果表明，当FeGa薄膜厚度为500 nm，溅射功率为100 W，退火热处理温度为300 ℃时，所研制的电流传感器线性度及重复性良好，灵敏度较高(24.67 kHz/A)。
声表面波(SAW) 射频磁控溅射 电流传感器 磁致伸缩 surface acoustic wave (SAW) RF magnetically controlled sputtering current sensor FeGa FeGa magnetostriction
中国科学技术大学 精密机械与精密仪器系, 安徽 合肥 230026
高频涡流损耗限制了磁致伸缩致动器的输出速度。该文提出了一种采用硅钢片导磁框的高速磁致伸缩致动器。与整块硅钢结构的导磁框相比, 分区绝缘的硅钢片可降低等效电导率, 减小导磁元件中的涡流。该设计提高了磁致伸缩棒中的磁场强度, 使致动器在高频磁场激励下也能输出较大振幅。在有效值为35 A@2 kHz的正弦波励磁电流下, 采用叠片结构导磁框的磁致伸缩致动器输出振幅11.1 μm@4 kHz的振动, 比采用整体结构导磁框的致动器输出速度提升了44.2%。这说明将磁路元件分区绝缘有利于提升磁致伸缩致动器的输出速度。
硅钢片 高速磁致伸缩致动器 涡流 等效电导率 磁场强度 silicon steel sheet high-speed magnetostrictive actuator eddy current equivalent conductivity magnetic field strength
昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500
针对基于超磁致伸缩材料的光纤布拉格光栅（GMM-FBG）电流传感器响应灵敏度低和温度补偿效果差的问题，提出并设计了一种双环杠杆式GMM-FBG电流传感器。首先，构建了该传感器的理论模型，并用COMSOL软件仿真了2个硅钢片之间的距离对2个FBG应变量差值的影响，得到了合理的磁路间距。然后，针对FBG的栅区长度，进行了参数优化。最后，考虑到磁路间距和FBG的栅区长度，仿真得到2个FBG应变量差值与被测电流之间的关系。结果表明，当磁路间距为16 mm，环境温度为20~70 ℃时，2个FBG上的温度变化趋势基本一致。当FBG的栅区长度为10 mm，输入电流为0~100 A时，传感器的灵敏度为45.4 pm/A；当FBG解调仪的分辨率为1.64 pm时，最小可测电流为0.036 A。
光纤光学 电流传感器 光纤布拉格光栅 磁致伸缩材料 温度 激光与光电子学进展
2021, 58(17): 1706004
1 西南科技大学 信息工程学院, 四川 绵阳 621010
2 西南科技大学 微系统中心, 四川 绵阳 621010
3 电子科技大学 电子科学与工程学院, 四川 成都 610054
在体声波(BAW)磁电天线结构中, 磁致伸缩层中的磁性薄膜在高频磁场中产生的感生电流会引起涡流损耗, 进而影响天线器件的辐射性能。为了分析和抑制磁性薄膜的涡流损耗, 利用有限元仿真法建立了FeGaB磁性薄膜的涡流损耗模型, 根据涡流的趋肤效应, 同时讨论了磁性薄膜表面和体内的涡流损耗。采用在FeGaB中插入Al2O3薄膜的隔离方法抑制涡流损耗, 比较并讨论了Al2O3薄膜的3种不同隔法, 分别得到表面和体内涡流抑制的最优隔法。综合考虑总涡流损耗的影响, 提出了一种“交叉隔”方式为抑制总涡流损耗的最优隔法。仿真结果表明, 采用该优化方法在磁性薄膜中加入10 nm Al2O3薄膜隔离后, 总涡流损耗的抑制率高于65%。
体声波磁电天线 磁致伸缩薄膜 涡流损耗 bulk acoustic magnetoelectric antenna magnetostrictive film FeGaB FeGaB eddy current loss Al2O3 Al2O3
陆军工程大学 石家庄校区, 河北 石家庄 050003
为了满足大行程、高精度旋转运动的需求, 以尺蠖型累积步进角位移为原理, 设计了尺蠖型超磁致伸缩旋转驱动器。以超磁致伸缩棒为动力源、直角柔性铰链为回弹元件, 通过施加特定时序的激励信号, 使钳紧机构和驱动机构有效配合, 实现了转子的步进式角位移输出。将直角柔性铰链简化为超静定梁进行了静动态特性分析, 并建立了空间力学模型。搭建了实验测试系统, 对超磁致伸缩旋转驱动器的输出性能、钳紧稳定性和输出角位移稳定性进行了实验测试。实验结果表明: 在驱动电压为4.5 V、频率为2 Hz的条件下, 平均单步角位移为278.81 μrad, 最大误差为7.92 μrad, 最大相对误差为2.83%; 系统钳紧机构的径向跳动小于1.35 μm, 驱动器工作状态稳定可靠, 输出精度高, 可实现360°转动; 模型计算结果与实验结果基本一致, 最大误差为12.11 μrad, 最大相对误差为4.34%。
超磁致伸缩 旋转驱动器 尺蠖型 直角柔性铰链 giant magnetostrictive rotary actuator inchworm right angle flexible hinge 光学 精密工程
2019, 27(10): 2215
1 河北工业大学 省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室, 天津 300130
2 河北工业大学 河北省电磁场与电器可靠性重点实验室, 天津 300130
为了校正扭转波速度、补偿温度、抑制脉冲电流噪声以及提高输出信号的信噪比, 设计了一种双检测线圈结构应用于磁致伸缩液位传感器。推导了扭转波速度与温度的数学模型, 得到了扭转波速度随温度的变化趋势; 分析了单检测线圈结构存在温度影响测量结果与脉冲电流幅值大等问题。通过理论分析, 最终的实验结果表明, 与单检测线圈结构相比, 双检测线圈结构能够快速计算扭转波速度, 补偿温度对测量结果的影响, 将脉冲电流噪声信号幅值降低至原来的1/27, 测量误差由原来的0.18 mm降低至0.02 mm。双检测线圈结构为磁致伸缩液位传感器优化设计提供了理论指导。
磁致伸缩 液位传感器 双检测线圈 噪声抑制 温度补偿 magnetostriction liquid level sensor double detection coils noise suppression temperature compensation
