基于多种光纤传感机理的磁场监测技术研究

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1、中图分类号TP212论文编号102870118-S107学科分类号080402硕士学位论文基于多种光纤传感机理的磁场监测技术研究研究生姓名马超学科、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梁大开教授南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringResearchonmagneticfieldmonitoringtechnolog

2、ybasedonsensingprinciplesofvariousopticalfiberAThesisinMeasuringandTestingTechnology&InstrumentsByMaChaoAdvisedbyProf.LiangDakaiSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarth,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

3、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随着电力系统、生物医学以及航空航天领域对磁场参量的监测需求越来越迫切，急需研究具有尺寸小、灵敏度高、适于远程遥测以及便于分布式组网监测特点的新型磁场监测技术。考虑到光

4、纤传感器具有柔韧性好、体积轻、重量小、测量精度高、抗电磁干扰，是未来传感器研究的主要方向之一。本文研究基于多种光纤传感原理的磁场监测技术。主要工作包括以下几个方面：首先，根据光纤光栅应变传感原理和金属导体洛伦兹力特性，提出采用光纤光栅传感器监测由洛伦兹力引起的简支梁弯曲变形，推导出被测磁场所致简支梁挠度曲线函数，给出了FBG中心波长偏移量与简支梁形变函数曲率关系。构建了基于FBG中心波长偏移量的简支梁磁感应强度与电流双参量监测系统，实现了对被测磁场强度的有效监测。其次，根据单模光纤宏弯理论和磁流体液体特性，研制了基于宏弯效

5、应的光纤磁场传感器。在此基础上，进一步在宏弯型光纤磁场传感器尾部串接FBG，设计出基于宏弯效应的光纤磁场/温度传感器，实现对外界磁场和温度的双参数测量。再次，根据无芯光纤自映像原理和磁流体液体特性，开展了无芯光纤磁场测量理论模型推导、数值仿真和结构优化设计，分别研制了单模光纤-无芯光纤结构（SN）光纤磁场传感器和单模光纤-无芯光纤-单模光纤（SNS）结构光纤磁场传感器，并提出了基于光谱特征分析的磁场强度辨识方法。最后，分别研究了基于宏弯效应的Sagnac干涉型光纤磁场传感器模型和基于SNS结构的Sagnac干涉型光纤磁场传

6、感器模型。构建了基于上述两种Sagnac的结构干涉原理的磁场监测系统，提出了Sagnac干涉光谱特征分析的磁场强度辨识方法。关键词：磁场监测，光纤光栅，宏弯效应，无芯光纤，Sagnac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基于多种

7、光纤传感机理的磁场传感特性研究ABSTRACTWiththeincreasingdemandformonitoringofmagneticfieldparametersinpowersystem,biomedicine,AeronauticsandAstronautics,itisurgenttostudynewmagneticfieldmonitoringtechnologywithsmallsize,highsensitivity,suitableforremotetelemetry,andconvenientford

8、istributednetworkmonitoring.Consideringthatfiberopticsensorhasgoodflexibility,lightweight,smallweight,highaccuracyandanti-electromagneticinterference,it