光纤微悬梁磁场探头的理论模型及优化设计

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随着微机械加工技术的发展和进步,结合磁致伸缩原理和光纤F-P腔原理研制的光纤磁场传感器越来越受到重视,本文设计了一种新型结构的光纤悬臂梁磁场传感探头。该磁场传感探头利用微加工工艺将光纤悬臂梁加工制作在光纤端面上,光纤悬臂梁与光纤端面形成法布里-珀罗(F-P)腔结构,并在光纤悬臂梁上镀上超磁致伸缩薄膜,当磁场变化时,光纤悬臂梁发生挠曲,通过F-P腔的反射光信号探测待测磁场大小,实现磁场的全光传感探测。本文对所提出的F-P干涉腔结构,特别是多层光纤悬臂梁的挠曲机理和振动频率进行了理论推导和仿真。首先在理论分析的基础上,建立了光纤悬臂梁磁致伸缩挠曲和光纤悬臂梁振动的理论模型,推导出光纤悬臂梁的挠曲随磁场变化的公式和光纤悬臂梁振动随磁场的变化公式。然后通过ANSYS有限元软件对挠曲变形进行仿真,得出该光纤微悬梁磁场探头的挠曲模型和最优化结构为:光纤悬臂梁长为105μm,悬臂梁的宽度为22μm,固支端长度是20μm,微悬梁光纤层厚度为8μm,铬层厚度为0.04μm,磁致伸缩薄膜材料为Terfenol-D,厚度为4μm,对应的优化传感探头可检测低于3×10-5T的磁场,灵敏度达到0.12μm/μT,该探头可用于微弱磁场的全光传感检测。基于对悬臂梁的理论研究和仿真,又提出一种悬臂桥结构的光纤磁场传感探头,并对其结构和性能进行仿真计算。
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