干涉型光纖微弱磁場(chǎng)傳感器研究.pdf

1、現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的信息化程度很高，誰(shuí)擁有信息的主動(dòng)權(quán)，誰(shuí)就掌握戰(zhàn)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán)。獲取目標(biāo)信息途徑有兩種：主動(dòng)目標(biāo)探測(cè)和被動(dòng)目標(biāo)探測(cè)。通過(guò)對(duì)微弱磁場(chǎng)的測(cè)量來(lái)獲取目標(biāo)信息是被動(dòng)目標(biāo)探測(cè)方法之一。除此之外，微弱磁場(chǎng)測(cè)量還廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、地球物理和宇航工程等領(lǐng)域。測(cè)量微弱磁場(chǎng)的方法有很多種。其中干涉型光纖微弱磁場(chǎng)傳感器自從問(wèn)世以來(lái)，以其諸多優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。它不僅具有靈敏度高的特點(diǎn)，而且可以在強(qiáng)電磁干擾、高溫高壓、原子輻射、易爆、化學(xué)腐蝕等惡

2、劣條件下使用。因此，開(kāi)展干涉型光纖微弱磁場(chǎng)傳感器研究，不僅具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，而且還對(duì)國(guó)防和生物醫(yī)學(xué)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域具有重要意義。 本文對(duì)干涉型光纖微弱磁場(chǎng)傳感器所涉及的材料，光學(xué)、電學(xué)與機(jī)械力學(xué)等單元技術(shù)，以及傳感器系統(tǒng)進(jìn)行研究，研制出了兩套干涉型光纖微弱磁場(chǎng)樣機(jī)，其中，偏振無(wú)關(guān)Michelson光纖微弱磁場(chǎng)傳感器能在普通環(huán)境下工作，具有良好的穩(wěn)定性和靈敏度，線性可重復(fù)測(cè)量磁場(chǎng)接近20nT。本文的主要工作包括： 論文

3、首先對(duì)干涉型光纖微弱磁場(chǎng)傳感器的換能器進(jìn)行了深入的研究。換能器是干涉型光纖微弱磁場(chǎng)傳感器最核心部件，其性能的好壞直接決定了系統(tǒng)指標(biāo)。為了更好地設(shè)計(jì)換能器，我們建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，包括換能器的靜態(tài)磁場(chǎng)模型、動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)模型、磁致伸縮理論模型和機(jī)械諧振模型。借助ANSYS軟件對(duì)換能器的機(jī)械諧振特性進(jìn)行了仿真，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。換能器的結(jié)構(gòu)和工藝是換能器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟。我們?cè)诜治觥⒈容^了各種換能器結(jié)構(gòu)及其性能的基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)型的換能器

4、結(jié)構(gòu)，它包括兩個(gè)半圓和一個(gè)微拱的矩形。這種設(shè)計(jì)能有效發(fā)揮磁致伸縮帶的磁致伸縮性能，不僅提高了靈敏度，而且使換能器的方向性大為改善。通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出了一套一體化的設(shè)計(jì)方法。使用該方法設(shè)計(jì)的換能器具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、隔音和防振性能好等特點(diǎn)。對(duì)干涉型微弱磁場(chǎng)傳感器的方向性進(jìn)行了研究，包括方向性的定義、方向性的測(cè)量方法以及影響方向性的因素等，這一研究工作為矢量磁場(chǎng)傳感器及其陣列提供了技術(shù)參考。 論文的第二個(gè)研究重點(diǎn)是干涉型光纖微

5、弱磁場(chǎng)傳感器的系統(tǒng)穩(wěn)定性。系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素主要有兩個(gè)。一個(gè)是光纖干涉儀的光學(xué)偏振態(tài)漂移，我們采用了偏振無(wú)關(guān)Michelson光纖干涉儀來(lái)克服。另一個(gè)就是光纖干涉儀的偏置相位變化，即干涉儀的工作點(diǎn)漂移。為了使得干涉儀的工作點(diǎn)穩(wěn)定在正交相位點(diǎn)處，一般采用正交反饋環(huán)路。反饋環(huán)路中的積分器易受環(huán)境因素等影響而出現(xiàn)積分飽和，使系統(tǒng)工作點(diǎn)發(fā)生漂移，甚至較容易造成系統(tǒng)失鎖，系統(tǒng)必須復(fù)位之后才能繼續(xù)工作。為此，我們開(kāi)展了兩方面工作，一方面在電路上進(jìn)行改

6、進(jìn)，使電路具有自動(dòng)復(fù)位功能：另一方面探索研究了一種能夠克服系統(tǒng)不穩(wěn)定的周期性信號(hào)掃描方法。實(shí)驗(yàn)研究了三角波信號(hào)的周期和幅度對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，測(cè)量了使用該方法的系統(tǒng)磁場(chǎng)響應(yīng)，結(jié)果表明，該方法是可行的。 作為論文的第三個(gè)研究重點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)制作了基于Mach-Zehnder和Michelson光纖干涉儀的傳感器樣機(jī)兩套；分析了系統(tǒng)的相位靈敏度、系統(tǒng)靈敏度和系統(tǒng)分辨率；分析了光源為高斯線形時(shí)的干涉儀可見(jiàn)度，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Mach-Zehnd

7、er光纖干涉儀的偏振相關(guān)性；研究了光源輸出功率大于0.1mW時(shí)的系統(tǒng)分辨率與噪聲，提出噪聲抑制方法；對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試、分析和比較。偏振無(wú)關(guān)Michelson光纖微弱磁場(chǎng)傳感器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)在普通實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，具有很好的重復(fù)性和線性響應(yīng)范圍，線性可重復(fù)測(cè)量磁場(chǎng)接近20nT，對(duì)nT量級(jí)的磁場(chǎng)有響應(yīng)。 論文安排如下： 第一章是緒論，簡(jiǎn)要地介紹了干涉型光纖微弱磁場(chǎng)傳感器研究的目的和意義、發(fā)展及研究現(xiàn)狀、面臨的問(wèn)題及本文

8、主要工作和安排。 第二章介紹了干涉型光纖微弱磁場(chǎng)傳感器的基本原理，包括理論分析、開(kāi)環(huán)檢測(cè)、閉環(huán)檢測(cè)、正交跟蹤反饋回路等。 第三章對(duì)干涉型光纖微弱磁場(chǎng)傳感器的換能器展開(kāi)了研究，包括磁致伸縮材料、換能器的工藝與結(jié)構(gòu)、換能器的磁場(chǎng)模型和機(jī)械諧振模型。該章中，我們通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，提出了一種改進(jìn)型的換能器結(jié)構(gòu)，給出了一種一體化的設(shè)計(jì)方案，提出了換能器方向性研究。為換能器建立了機(jī)械諧振模型、磁場(chǎng)模型和磁致伸縮模型，并應(yīng)用AN

9、SYS軟件分析了換能器的機(jī)械諧振特性。 第四章主要研究干涉型光纖微弱磁場(chǎng)傳感器的系統(tǒng)性能。首先給出了干涉儀的相位靈敏度與系統(tǒng)靈敏度的表達(dá)形式；然后對(duì)采用兩種不同光源的干涉儀可見(jiàn)。度進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了干涉儀可見(jiàn)度的偏振相關(guān)性；接著理論分析了系統(tǒng)最寫(xiě)小可探測(cè)磁場(chǎng)與系統(tǒng)分辨率，以及光功率大于0.1mW時(shí)的系統(tǒng)噪聲及消除：最后從兩個(gè)方面研究了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一是光學(xué)偏振態(tài)抖動(dòng)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定及其解決方法，另一個(gè)是干涉儀的偏置相位漂移對(duì)系