改善干涉型光纖微弱磁場(chǎng)傳感器性能的若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、微弱磁場(chǎng)傳感器具有廣泛應(yīng)用，包括導(dǎo)航、軍事、航空、航天等領(lǐng)域。隨著窄線寬激光光源、單模光纖及相關(guān)光器件性能的不斷完善，不僅光纖傳感器的種類在增加，其性能也在不斷地提高。光纖微弱磁場(chǎng)傳感器因其靈敏度高，被認(rèn)為是替代傳統(tǒng)純電學(xué)檢測(cè)手段的最有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)?；诠饫w干涉儀和磁致伸縮材料的干涉型光纖微弱磁場(chǎng)傳感器是最有望走向?qū)嵱玫募夹g(shù)之一。因此，開(kāi)展干涉型光纖微弱磁場(chǎng)傳感器的研究具有重要意義。 本論文主要研究高靈敏度和穩(wěn)定性的邁克耳遜(M

2、ichelson)干涉型光纖微弱磁場(chǎng)傳感器的若干關(guān)鍵問(wèn)題，包括：干涉型光纖微弱磁場(chǎng)傳感器理論與原理，干涉型光纖微弱磁場(chǎng)換能器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，干涉型光纖微弱磁場(chǎng)傳感器的解調(diào)技術(shù)、磁場(chǎng)探測(cè)能力、穩(wěn)定性與溫度特性等。 首先，論文系統(tǒng)分析和總結(jié)了干涉型光纖傳感器的基本理論和Michelson干涉型光纖微弱磁場(chǎng)傳感器的工作原理，主要包括：磁致伸縮效應(yīng)與光纖中光相位的調(diào)制原理、基于Michelson光纖干涉儀的干涉型光纖傳感器的結(jié)構(gòu)和原理、M

3、ichelson干涉型光纖磁場(chǎng)傳感器相位檢測(cè)原理與關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因及其解決措施等。 其次，論文對(duì)偏振無(wú)關(guān)Michelson干涉型光纖微弱磁場(chǎng)換能器進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，在分析干涉型光纖微弱磁場(chǎng)傳感器系統(tǒng)靈敏度基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)和制作方案。在骨架設(shè)計(jì)與制作方面，分析和對(duì)比了不同材料、形狀和結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)換能器的性能，確定了圓柱形作為換能器的基本結(jié)構(gòu)，并使用膠木材料完成了換能器骨架的制作。在Michelson光纖干涉

4、儀設(shè)計(jì)與制作方面，建立了偏振無(wú)關(guān)Michelson光纖干涉儀可見(jiàn)度的數(shù)學(xué)模型，對(duì)可見(jiàn)度的限制因素進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)值分析。計(jì)算結(jié)果表明，干涉儀臂長(zhǎng)差是其中最重要的一項(xiàng)因素。借助光學(xué)精密反射儀實(shí)現(xiàn)了對(duì)光纖干涉儀臂長(zhǎng)差的精確測(cè)量和控制，能有效消除臂長(zhǎng)差對(duì)可見(jiàn)度的影響，臂長(zhǎng)差可以被控制在1mm以內(nèi)，在此基礎(chǔ)上制作出了高可見(jiàn)度偏振無(wú)關(guān)Michelson光纖干涉儀。在換能器設(shè)計(jì)和制作方面，在對(duì)應(yīng)力和負(fù)載效應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)比較，

5、確定了粘貼劑的選取原則，給出了合理、有效的粘貼方式，形成了一套磁場(chǎng)換能器的制作方法和工藝，并完成了換能器的制作。 接著，論文研究了兩種傳感信號(hào)檢測(cè)技術(shù)：基于硬件電路的解調(diào)技術(shù)和軟件解調(diào)技術(shù)。在硬件解調(diào)方面，主要是對(duì)傳統(tǒng)鎖定放大器電路進(jìn)行改進(jìn)，使之具有更好的檢測(cè)性能。在軟件解調(diào)方面，詳細(xì)研究了偏振無(wú)關(guān)Michelson干涉型光纖磁場(chǎng)傳感器的噪聲來(lái)源，包括：環(huán)境噪聲、光源噪聲、熱噪聲、散彈噪聲以及電噪聲等，分析了這些噪聲的特點(diǎn)及對(duì)光

6、纖干涉儀輸出信號(hào)光相位的影響，發(fā)現(xiàn)熱噪聲是限制光纖干涉儀最小可探測(cè)相位的最主要噪聲。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于軟件解調(diào)和自適應(yīng)譜線增強(qiáng)器的信號(hào)解調(diào)方案，給出了具體的實(shí)現(xiàn)方法。論文系統(tǒng)測(cè)試和分析了所研制的傳感器在使用硬件解調(diào)方案時(shí)的系統(tǒng)性能，包括：換能器機(jī)械諧振頻率與頻率響應(yīng)，傳感器系統(tǒng)穩(wěn)定性，輸入光功率和交流激勵(lì)磁場(chǎng)幅度與系統(tǒng)輸出的關(guān)系，傳感器系統(tǒng)靈敏度和分辨率，以及磁場(chǎng)換能器方向性等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在沒(méi)有任何磁屏蔽措施的普通實(shí)驗(yàn)環(huán)境下

7、，該磁場(chǎng)傳感器系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和優(yōu)異的微弱磁場(chǎng)探測(cè)能力，最低可探測(cè)磁場(chǎng)在1Hz和5Hz處約為0.10nT/Hz1/2和0.04nT/Hz1/2，與目前國(guó)內(nèi)已報(bào)道的同類型磁場(chǎng)傳感器相比，具有一定優(yōu)越性。本文的檢測(cè)技術(shù)工作是與課題組其他同學(xué)共同完成的。 然后，針對(duì)干涉型光纖磁場(chǎng)傳感器的實(shí)用化問(wèn)題，論文對(duì)干涉型光纖微弱磁場(chǎng)傳感器的溫度特性進(jìn)行了分析。以彈性波理論為切入點(diǎn)，推導(dǎo)了帶狀磁場(chǎng)換能器機(jī)械諧振頻率的理論模型，給出了導(dǎo)致機(jī)械諧