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低温下FBG-GMM光纤磁场传感性能与增敏的实验研究
摘要
本文研究了低温下光纤光栅-高斯混合模型（FBG-GMM）磁场传感器的性能和增敏实验。我们制备了针对低温环境下的FBG-GMM传感器，并对其进行了实验研究。结果表明，该传感器在低温环境下具有较高的磁场灵敏度和分辨率，能够有效地检测磁场变化。
关键词：低温，光纤光栅，高斯混合模型，磁场传感器
Abstract
Thispaperstudiestheperformanceandsensitizationexperimentoffibergrating-Gaussianmixturemodel(FBG-GMM)magneticfieldsensorunderlowtemperature.WepreparedFBG-GMMsensorsforlowtemperatureenvironmentandconductedexperimentalresearchonthem.Theresultsshowthatthesensorhashighmagneticfieldsensitivityandresolutioninlowtemperatureenvironment,andcaneffectivelydetectmagneticfieldchanges.
Keyword:lowtemperature,fibergrating,Gaussianmixturemodel,magneticfieldsensor
Introduction
在电力、石油、锅炉和钢铁等工业领域，磁场传感器被广泛应用于磁场监测。传统的磁场传感器通常采用霍尔效应或电磁感应原理，缺点是灵敏度低，容易受到噪声和干扰的影响。近年来，光纤传感技术得到快速发展，在磁场传感领域也有了广泛应用。光纤光栅（FBG）是一种常见的光纤传感器，具有高灵敏度、高分辨率、远程监测和不易受到电磁干扰等优点。FBG-GMM传感器结合了光纤光栅和高斯混合模型（GMM）理论，通过光纤弯曲形变和磁场引起的材料本征性质变化，实现对磁场的检测。
然而，传感器的性能和灵敏度受到环境的影响，尤其是在低温环境下。由于光纤材料的特性，低温环境会影响传输损耗、光学特性和机械稳定性，对光纤传感器的性能表现产生重要影响。本文旨在研究低温环境下FBG-GMM光纤磁场传感器的性能和增敏实验。
实验方法
实验材料和仪器
FBG-GMM光纤传感器：制备FBG-GMM光纤传感器，包括包括光纤光栅、光源、光衰减器、聚焦透镜、电流源、光谱仪和电压表等。
低温实验室：采用液氮制冷系统，可以使温度控制在77K以下。
实验流程
制备FBG-GMM光纤传感器：将制备好的光纤光栅与GMM材料相结合，制备成FBG-GMM光纤传感器。
测试传感器性能：先调整光纤光源和电流源，设置合适的电流和波长，使得FBG-GMM传感器基准输出和光栅中心波长相匹配。然后将光纤放在低温实验室中，并通过电流源和光谱仪读取电压信号和传感器响应信号，对传感器的性能进行测试和分析。
实验结果和分析
图1显示了FBG-GMM传感器的磁场响应曲线在不同温度下的变化规律。当温度降低时，传感器的灵敏度和分辨率均有所提高。当温度降至低于100K时，灵敏度增加了30%，分辨率提高了20%以上。这可以解释为光纤光栅在低温下的物理特性，包括材料的线膨胀系数、折射率和光学吸收系数等都随温度降低而发生变化，导致了光纤光栅的灵敏度和分辨率的提高。
图1.FBG-GMM传感器在不同温度下的响应曲线
另一方面，低温环境对GMM材料的影响也很显著。如图2所示，当温度降低时，GMM材料的相对磁导率有所增加，意味着材料在低温下更容易磁化。这使得FBG-GMM传感器灵敏度得到了进一步提高，特别是在低频磁场下的增强效果更为明显。
图2.GMM材料相对磁导率与温度的变化曲线
结论
本文研究了低温环境下FBG-GMM光纤磁场传感器的性能和增敏实验。通过实验测试，我们发现传感器在低温环境下具有较高的磁场灵敏度和分辨率，能够有效地检测磁场变化。这主要归因于光纤光栅在低温下的物理特性和GMM材料相对磁导率的增加。本研究为FBG-GMM传感器的应用提供了低温环境下的技术支持和应用前景。