干涉型光纖微弱磁場傳感器研究.pdf

1、現代戰(zhàn)爭的信息化程度很高，誰擁有信息的主動權，誰就掌握戰(zhàn)爭的主動權。獲取目標信息途徑有兩種：主動目標探測和被動目標探測。通過對微弱磁場的測量來獲取目標信息是被動目標探測方法之一。除此之外，微弱磁場測量還廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、生物醫(yī)學、地球物理和宇航工程等領域。測量微弱磁場的方法有很多種。其中干涉型光纖微弱磁場傳感器自從問世以來，以其諸多優(yōu)點而備受關注。它不僅具有靈敏度高的特點，而且可以在強電磁干擾、高溫高壓、原子輻射、易爆、化學腐蝕等惡

2、劣條件下使用。因此，開展干涉型光纖微弱磁場傳感器研究，不僅具有重要的學術價值，而且還對國防和生物醫(yī)學等現代科學技術領域具有重要意義。 本文對干涉型光纖微弱磁場傳感器所涉及的材料，光學、電學與機械力學等單元技術，以及傳感器系統進行研究，研制出了兩套干涉型光纖微弱磁場樣機，其中，偏振無關Michelson光纖微弱磁場傳感器能在普通環(huán)境下工作，具有良好的穩(wěn)定性和靈敏度，線性可重復測量磁場接近20nT。本文的主要工作包括： 論文

3、首先對干涉型光纖微弱磁場傳感器的換能器進行了深入的研究。換能器是干涉型光纖微弱磁場傳感器最核心部件，其性能的好壞直接決定了系統指標。為了更好地設計換能器，我們建立了相應的數學模型，包括換能器的靜態(tài)磁場模型、動態(tài)磁場模型、磁致伸縮理論模型和機械諧振模型。借助ANSYS軟件對換能器的機械諧振特性進行了仿真，并通過實驗進行了驗證。換能器的結構和工藝是換能器設計的關鍵步驟。我們在分析、比較了各種換能器結構及其性能的基礎上，提出一種改進型的換能器

4、結構，它包括兩個半圓和一個微拱的矩形。這種設計能有效發(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。通過反復實驗，總結出了一套一體化的設計方法。使用該方法設計的換能器具有靈敏度高、結構簡單、隔音和防振性能好等特點。對干涉型微弱磁場傳感器的方向性進行了研究，包括方向性的定義、方向性的測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傳感器及其陣列提供了技術參考。 論文的第二個研究重點是干涉型光纖微

5、弱磁場傳感器的系統穩(wěn)定性。系統的不穩(wěn)定因素主要有兩個。一個是光纖干涉儀的光學偏振態(tài)漂移，我們采用了偏振無關Michelson光纖干涉儀來克服。另一個就是光纖干涉儀的偏置相位變化，即干涉儀的工作點漂移。為了使得干涉儀的工作點穩(wěn)定在正交相位點處，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積分飽和，使系統工作點發(fā)生漂移，甚至較容易造成系統失鎖，系統必須復位之后才能繼續(xù)工作。為此，我們開展了兩方面工作，一方面在電路上進行改

6、進，使電路具有自動復位功能：另一方面探索研究了一種能夠克服系統不穩(wěn)定的周期性信號掃描方法。實驗研究了三角波信號的周期和幅度對系統輸出的影響，測量了使用該方法的系統磁場響應，結果表明，該方法是可行的。 作為論文的第三個研究重點，我們設計制作了基于Mach-Zehnder和Michelson光纖干涉儀的傳感器樣機兩套；分析了系統的相位靈敏度、系統靈敏度和系統分辨率；分析了光源為高斯線形時的干涉儀可見度，實驗驗證了Mach-Zehnd

7、er光纖干涉儀的偏振相關性；研究了光源輸出功率大于0.1mW時的系統分辨率與噪聲，提出噪聲抑制方法；對系統的性能進行了測試、分析和比較。偏振無關Michelson光纖微弱磁場傳感器的實驗結果表明，系統在普通實驗環(huán)境下，具有很好的重復性和線性響應范圍，線性可重復測量磁場接近20nT，對nT量級的磁場有響應。 論文安排如下： 第一章是緒論，簡要地介紹了干涉型光纖微弱磁場傳感器研究的目的和意義、發(fā)展及研究現狀、面臨的問題及本文

8、主要工作和安排。 第二章介紹了干涉型光纖微弱磁場傳感器的基本原理，包括理論分析、開環(huán)檢測、閉環(huán)檢測、正交跟蹤反饋回路等。 第三章對干涉型光纖微弱磁場傳感器的換能器展開了研究，包括磁致伸縮材料、換能器的工藝與結構、換能器的磁場模型和機械諧振模型。該章中，我們通過理論分析和實驗研究，提出了一種改進型的換能器結構，給出了一種一體化的設計方案，提出了換能器方向性研究。為換能器建立了機械諧振模型、磁場模型和磁致伸縮模型，并應用AN

9、SYS軟件分析了換能器的機械諧振特性。 第四章主要研究干涉型光纖微弱磁場傳感器的系統性能。首先給出了干涉儀的相位靈敏度與系統靈敏度的表達形式；然后對采用兩種不同光源的干涉儀可見。度進行了研究，實驗驗證了干涉儀可見度的偏振相關性；接著理論分析了系統最寫小可探測磁場與系統分辨率，以及光功率大于0.1mW時的系統噪聲及消除：最后從兩個方面研究了系統的穩(wěn)定性，一是光學偏振態(tài)抖動造成系統不穩(wěn)定及其解決方法，另一個是干涉儀的偏置相位漂移對系