干涉型光纖微弱磁場傳感器研究

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1、≥活爻毽夫淫SHANGHAlJlAOTONGUNIVERSITY博士學位論文DoCToRALDISSERTATIoN論文題目干涉型光纖微弱磁場傳感器研究學科專業(yè)作者姓名指導(dǎo)教師答辯日期電磁場與微波技術(shù)施長海陳建平二零零六年六月l’i{；’r{，‘上海交通大學博士學位論文：干涉型光纖徽弱磁場傳感器研究交反饋環(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，我們開展了兩方面工作，一方面在電路上進行改進，使電路具有自動復(fù)位功能：另一方面探索研究了一種能

2、夠克服系統(tǒng)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(tǒng)輸出的影響，測量了使用該方法的系統(tǒng)磁場響應(yīng)，結(jié)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(shè)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(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的干涉儀可見度，實驗驗證了Mach．Zelmder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時的系統(tǒng)分辨率與噪聲。提出噪聲抑制方法：對系統(tǒng)的性能進行了測試、分析和比較。偏振無關(guān)Michelson

3、光纖微弱磁場傳感器的實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)在普通實驗環(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)測量磁場接近20txT，對nT量級的磁場有響應(yīng)。’：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(xiàn)狀、面臨的問題及本文主要工作和安排。，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(jié)構(gòu)，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

4、析和實驗研究，提出了一種改進型的換能器結(jié)構(gòu)，給出了一種一體化的設(shè)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(yīng)用ANSYS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(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(guān)性；接著理論分析了系統(tǒng)最小可探測磁場與系統(tǒng)分辨率，以及光功率大于0．1mW時的系統(tǒng)噪聲及消除；最后從兩個方面研究了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一是光學偏振態(tài)抖動造成系統(tǒng)不穩(wěn)定及

5、其解決方法，另一個是干涉儀的偏置相位漂移對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響及解決方法。第五章給出了我們研制的光纖微弱磁場傳感器樣機，對偏振無關(guān)Michelson光纖微弱磁場傳感器的系統(tǒng)性能進行了詳細實驗測試和分析，實驗結(jié)果驗證了本文理論分析的可靠性。n上整奎整查蘭墮主堂垡簍壅!王塑至壟墅塞墨壁塹箜壁墨壁塞一。：一——再再兩彈：—莪們對干涉型光纖徽弱磁場傳感器陣列作了初步研究，包括陣列的結(jié)構(gòu)與復(fù)用方式、陣列用于目標定位的算法。第七章是對該論文進行了總結(jié)，并提出展望i關(guān)鍵詞：磁致伸縮，光纖磁場傳感器，干涉儀，換能器，靈敏度，分辨率，IllMach．Zeh

6、nder干涉儀，Michelson穩(wěn)定性上海交通大學博士學位論文：干涉型光纖徽弱磁場傳感器研究STUDYONFIBER．OPTICLOW．INTENSIRyINTERFERON旺!TRICMAGNETONIETERSABSTRACTModemwarisaninformationWar．Whoevgl"pos∞ss器theinformationinitiativewillgrasptheWarinitiative．Inordertoobtaintargetinformation,twodetectivemethodsCanbeadopt

7、ed：activedetectionandpassivedetection．Gettingthetargetinformationthroughdetectingthelow-intensitymagneticfieldpowerisoneofthepassivedetections．Besides．withthedevelopmentofscienceandtechnology,low-intensitymagnetometersandsensorarrayCallbeappliedwidelytoindustry,agricult

8、ure，biomedicine，geophysics，acousticsandspacenavigationete．TherearemanywaystOdetectlow-intensitymagneticfields．