基于磁流体材料的光纤磁场传感技术研究

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1、中图分类号：TP212论文编号：102870118-S115学科分类号：080402硕士学位论文基于磁流体材料的光纤磁场传感技术研究研究生姓名王计刚学科、专业测试计量技术及仪器研究方向光纤结构健康监测指导教师曾捷副教授南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二О一八年四月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringResearchonMagneticFieldSensingTechnologyBasedonMagneticFlu

2、idMaterialsAThesisinMeasuringandTestingTechnology&InstrumentsByWangJigangAdvisedbyAssociateProf.ZengJieSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringApril,2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南

3、京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要光纤传感器具有体积小、抗电磁干扰、灵敏度高、耐腐蚀以及易于构建分布式网络等独特优点使其在空间环境监测领域得到广泛应用。在航空航天、电力系统等领域，空间环境中磁场对仪器设备的正常、稳定运行有着很大影响。及时监测磁场的大小，对于保障仪器设备健康、稳定运行，降低维修成本，具有重要的实用价值。因此，

4、本文提出研究基于磁流体材料的光纤磁场传感技术，主要工作包括以下几个方面：首先，构建了基于菲涅尔反射原理的端面反射式光纤传感系统，实现了对于磁流体材料折射率测量。利用COMSOL多物理场仿真软件构建了永磁铁和螺线管模型，数值模拟得到在不同参量作用下永磁铁和螺线管的磁场分布特征。其次，研究了LPG与FBG复合传感结构，采用OptiGrating软件研究了栅区周期、长度以及调制深度对透射光谱的影响，通过幅值调制实现对磁场强度的快速监测。再次，研究了基于光时域反射原理（OTDR）的光纤磁场传感原理，提出了一种远距离的分布式光纤磁场监测方法，实现了单个探头以及双探头的磁

5、场传感测试。接着，研究了单模-多模光纤结构，采用RSOFT软件数值仿真得到多模纤芯长度和纤芯直径对传输能量的影响特性。通过构建反射型单模-多模光纤传感监测系统，实现对磁场强度测量。然后，针对飞行器结构服役状态监测需求，研究了基于瑞利散射原理的OFDR光纤传感机制。在此基础之上，构建了基于OFDR的分布式光纤传感监测系统，实现对磁场、应变等多种参量的监测。最后，针对基于光谱特征辨识的光纤磁场传感机制，设计了基于GPIB通信的光纤磁场响应光谱测试软件，实现了基于光谱分析的空间环境磁场实时监测。关键词：光纤磁场传感器，磁流体，LPG与FBG复合传感结构，OTDR，O

6、FDR本文得到国家自然科学基金项目（U1537102）、航空科学基金（20152852036）、中央高校基本科研专项资金（NS2016004）、机械结构力学及控制国家重点实验室（南京航空航天大学）（MCMS-0516K01）、上海航天科技基金（SAST2015062）的资助。本文工作在南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室完成。I基于磁流体材料的光纤磁场传感技术研究ABSTRACTOpticalfibersensorsarewidelyappliedinthefieldofspaceenvironmentmonitoringbecauseofthei

7、runiqueadvantages,suchassmallsize,antielectromagneticinterference,highsensitivity,corrosionresistanceandeasytobuilddistributednetwork.Inaerospace,powersystemandotherfields,themagneticfieldintheenvironmenthasagreatinfluenceonthenormalandstableoperationoftheinstrumentandequipment.Thet

8、imelymonitoringofth