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

1、微弱磁場傳感器具有廣泛應用，包括導航、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。光纖微弱磁場傳感器因其靈敏度高，被認為是替代傳統(tǒng)純電學檢測手段的最有競爭力的技術(shù)?；诠饫w干涉儀和磁致伸縮材料的干涉型光纖微弱磁場傳感器是最有望走向?qū)嵱玫募夹g(shù)之一。因此，開展干涉型光纖微弱磁場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傳感器的若干關(guān)鍵問題，包括：干涉型光纖微弱磁場傳感器理論與原理，干涉型光纖微弱磁場換能器的設計和實現(xiàn)，干涉型光纖微弱磁場傳感器的解調(diào)技術(shù)、磁場探測能力、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傳感器的工作原理，主要包括：磁致伸縮效應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干涉型光纖磁場傳感器相位檢測原理與關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)、系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因及其解決措施等。 其次，論文對偏振無關(guān)Michelson干涉型光纖微弱磁場換能器進行了深入系統(tǒng)的研究，在分析干涉型光纖微弱磁場傳感器系統(tǒng)靈敏度基礎上，提出了相應的設計和制作方案。在骨架設計與制作方面，分析和對比了不同材料、形狀和結(jié)構(gòu)磁場換能器的性能，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、儀設計與制作方面，建立了偏振無關(guān)Michelson光纖干涉儀可見度的數(shù)學模型，對可見度的限制因素進行詳細的數(shù)值分析。計算結(jié)果表明，干涉儀臂長差是其中最重要的一項因素。借助光學精密反射儀實現(xiàn)了對光纖干涉儀臂長差的精確測量和控制，能有效消除臂長差對可見度的影響，臂長差可以被控制在1mm以內(nèi)，在此基礎上制作出了高可見度偏振無關(guān)Michelson光纖干涉儀。在換能器設計和制作方面，在對應力和負載效應問題進行深入分析的基礎上，通過反復的實驗比較，

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檢測技術(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，主要是對傳統(tǒng)鎖定放大器電路進行改進，使之具有更好的檢測性能。在軟件解調(diào)方面，詳細研究了偏振無關(guān)Michelson干涉型光纖磁場傳感器的噪聲來源，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及對光

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

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