干涉型光纤微弱磁场传感器研究

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1、≥活爻毽夫淫SHANGHAlJlAOTONGUNIVERSITY博士学位论文DoCToRALDISSERTATIoN论文题目干涉型光纤微弱磁场传感器研究学科专业作者姓名指导教师答辩日期电磁场与微波技术施长海陈建平二零零六年六月l’i{；’r{，‘上海交通大学博士学位论文：干涉型光纤徽弱磁场传感器研究交反馈环路。反馈环路中的积分器易受环境因素等影响而出现积分饱和，使系统工作点发生漂移，甚至较容易造成系统失锁，系统必须复位之后才能继续工作·为此，我们开展了两方面工作，一方面在电路上进行改进，使电路具有自动复位功能：另一方面探索研究了一种能

2、够克服系统不稳定的周期性信号扫描方法．实验研究了三角波信号的周期和幅度对系统输出的影响，测量了使用该方法的系统磁场响应，结果表明，该方法是可行的。作为论文的第三个研究重点，我们设计制作了基于Mach-Zehnder和Michelson光纤干涉仪的传感器样机两套：分析了系统的相位灵敏度、系统灵敏度和系统分辨率；分析了光源为高斯线形时的干涉仪可见度，实验验证了Mach．Zelmder光纤干涉仪的偏振相关性；研究了光源输出功率大于0．1mW时的系统分辨率与噪声。提出噪声抑制方法：对系统的性能进行了测试、分析和比较。偏振无关Michelson

3、光纤微弱磁场传感器的实验结果表明，系统在普通实验环境下，具有很好的重复性和线性响应范围，线性可重复测量磁场接近20txT，对nT量级的磁场有响应。’：论文安排如下：’，、’第一章是绪论，简要地介绍了干涉型光纤微弱磁场传感器研究的目的和意义、发展及研究现状、面临的问题及本文主要工作和安排。，第二章介绍了干涉型光纤微弱磁场传感器的基本原理，包括理论分析、开环检测、闭环检测、正交跟踪反馈回路等．’‘第三章对干涉型光纤微弱磁场传感器的换能器展开了研究，包括磁致伸缩材料、换能器的工艺与结构，换能器的磁场模型和机械谐振模型。该章中，我们通过理论分

4、析和实验研究，提出了一种改进型的换能器结构，给出了一种一体化的设计方案，提出了换能器方向性研究。为换能器建立了机械谐振模型、磁场模型和磁致伸缩模型，并应用ANSYS软件分析了换能器的机械谐振特性。第四章主要研究干涉型光纤微弱磁场传感器的系统性能。首先给出了干涉仪的相位灵敏度与系统灵敏度的表达形式；然后对采用两种不同光源的干涉仪可见度进行了研究，实验验证了干涉仪可见度的偏振相关性；接着理论分析了系统最小可探测磁场与系统分辨率，以及光功率大于0．1mW时的系统噪声及消除；最后从两个方面研究了系统的稳定性，一是光学偏振态抖动造成系统不稳定及

5、其解决方法，另一个是干涉仪的偏置相位漂移对系统稳定性的影响及解决方法。第五章给出了我们研制的光纤微弱磁场传感器样机，对偏振无关Michelson光纤微弱磁场传感器的系统性能进行了详细实验测试和分析，实验结果验证了本文理论分析的可靠性。n上整奎整查兰堕主堂垡篓壅!王塑至垄墅塞墨壁堑箜壁墨壁塞一。：一——再再两弹：—莪们对干涉型光纤徽弱磁场传感器阵列作了初步研究，包括阵列的结构与复用方式、阵列用于目标定位的算法。第七章是对该论文进行了总结，并提出展望i关键词：磁致伸缩，光纤磁场传感器，干涉仪，换能器，灵敏度，分辨率，IllMach．Zeh

6、nder干涉仪，Michelson稳定性上海交通大学博士学位论文：干涉型光纤徽弱磁场传感器研究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．