改善干涉型光纤微弱磁场传感器性能的若干关键技术研究

摘要

微弱磁场传感器具有广泛应用，包括导航、军事、航空、航天等领域。随着窄线宽激光光源、单模光纤及相关光器件性能的不断完善，不仅光纤传感器的种类在增加，其性能也在不断地提高。光纤微弱磁场传感器因其灵敏度高，被认为是替代传统纯电学检测手段的最有竞争力的技术。基于光纤干涉仪和磁致伸缩材料的干涉型光纤微弱磁场传感器是最有望走向实用的技术之一。因此，开展干涉型光纤微弱磁场传感器的研究具有重要意义。 本论文主要研究高灵敏度和稳定性的迈克耳逊(Michelson)干涉型光纤微弱磁场传感器的若干关键问题，包括：干涉型光纤微弱磁场传感器理论与原理，干涉型光纤微弱磁场换能器的设计和实现，干涉型光纤微弱磁场传感器的解调技术、磁场探测能力、稳定性与温度特性等。 首先，论文系统分析和总结了干涉型光纤传感器的基本理论和Michelson干涉型光纤微弱磁场传感器的工作原理，主要包括：磁致伸缩效应与光纤中光相位的调制原理、基于Michelson光纤干涉仪的干涉型光纤传感器的结构和原理、Michelson干涉型光纤磁场传感器相位检测原理与关键技术的实现、系统不稳定的原因及其解决措施等。 其次，论文对偏振无关Michelson干涉型光纤微弱磁场换能器进行了深入系统的研究，在分析干涉型光纤微弱磁场传感器系统灵敏度基础上，提出了相应的设计和制作方案。在骨架设计与制作方面，分析和对比了不同材料、形状和结构磁场换能器的性能，确定了圆柱形作为换能器的基本结构，并使用胶木材料完成了换能器骨架的制作。在Michelson光纤干涉仪设计与制作方面，建立了偏振无关Michelson光纤干涉仪可见度的数学模型，对可见度的限制因素进行详细的数值分析。计算结果表明，干涉仪臂长差是其中最重要的一项因素。借助光学精密反射仪实现了对光纤干涉仪臂长差的精确测量和控制，能有效消除臂长差对可见度的影响，臂长差可以被控制在1mm以内，在此基础上制作出了高可见度偏振无关Michelson光纤干涉仪。在换能器设计和制作方面，在对应力和负载效应问题进行深入分析的基础上，通过反复的实验比较，确定了粘贴剂的选取原则，给出了合理、有效的粘贴方式，形成了一套磁场换能器的制作方法和工艺，并完成了换能器的制作。 接着，论文研究了两种传感信号检测技术：基于硬件电路的解调技术和软件解调技术。在硬件解调方面，主要是对传统锁定放大器电路进行改进，使之具有更好的检测性能。在软件解调方面，详细研究了偏振无关Michelson干涉型光纤磁场传感器的噪声来源，包括：环境噪声、光源噪声、热噪声、散弹噪声以及电噪声等，分析了这些噪声的特点及对光纤干涉仪输出信号光相位的影响，发现热噪声是限制光纤干涉仪最小可探测相位的最主要噪声。在此基础上，提出了一种基于软件解调和自适应谱线增强器的信号解调方案，给出了具体的实现方法。论文系统测试和分析了所研制的传感器在使用硬件解调方案时的系统性能，包括：换能器机械谐振频率与频率响应，传感器系统稳定性，输入光功率和交流激励磁场幅度与系统输出的关系，传感器系统灵敏度和分辨率，以及磁场换能器方向性等。实验结果表明，在没有任何磁屏蔽措施的普通实验环境下，该磁场传感器系统具有良好的稳定性和优异的微弱磁场探测能力，最低可探测磁场在1Hz和5Hz处约为0.10nT/Hz1/2和0.04nT/Hz1/2，与目前国内已报道的同类型磁场传感器相比，具有一定优越性。本文的检测技术工作是与课题组其他同学共同完成的。 然后，针对干涉型光纤磁场传感器的实用化问题，论文对干涉型光纤微弱磁场传感器的温度特性进行了分析。以弹性波理论为切入点，推导了带状磁场换能器机械谐振频率的理论模型，给出了导致机械谐振频率随外界环境温度的变化而变化的各个因素，并通过模态分析找出了其中最主要的因素。通过一系列的实验，对换能器机械谐振频率、系统输出以及系统灵敏度的温度特性进行了测试，并拟合出了相应的温度特性函数，结果显示磁场换能器机械谐振频率以及传感器系统性能会受到外界环境温度的强烈影响。在实际应用中，为了减少环境温度对系统性能的影响，论文提出两种温度补偿的方案并进行了验证。 最后，对论文工作进行了总结和展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1光纤传感器的基本原理和特点

1.2光纤传感器的分类

1.3微弱磁场传感器

1.3.1微弱磁场测量的意义

1.3.2微弱磁场传感器的研究现状与干涉型光纤磁场传感器

1.4干涉型光纤微弱磁场传感器

1.4.1基于Mach-Zehnder光纤干涉仪的干涉型光纤微弱磁场传感器

1.4.2基于Michelson光纤干涉仪的干涉型光纤微弱磁场传感器

1.5干涉型光纤微弱磁场传感器面临的问题

1.6论文主要工作与安排

第二章 Michelson干涉型光纤微弱磁场传感器原理

2.1干涉型光纤传感器理论基础

2.1.1光纤中光相位的调制原理

2.1.2光的干涉

2.1.3相干性

2.1.4光程与光程差

2.1.5 Michelson干涉仪

2.2 Michelson干涉型光纤传感器的结构与原理

2.3干涉型光纤传感器相位检测技术

2.3.1主动零差检测

2.3.2被动零差检测

2.4微弱磁场换能材料

2.4.1磁致伸缩材料特性

2.4.2磁致伸缩分析

2.4.3磁场与相位差之间的关系

2.5 Michelson干涉型光纤微弱磁场传感器的主要问题

2.5.1灵敏度和稳定性

2.5.2控制与解调电路及其关键技术

2.5.3产生系统不稳定的原因及其应对措施

2.6本章小结

第三章 Michelson干涉型光纤微弱磁场换能器设计与工艺实现

3.1系统灵敏度与光纤磁场换能器的关系

3.2光纤磁场换能器的常见结构

3.3 Michelson光纤干涉仪可见度

3.3.1 Michelson光纤干涉仪可见度的数学模型

3.3.2 Michelson光纤干涉仪可见度的限制因素

3.3.3光纤干涉仪臂长差分析

3.4光纤干涉仪臂长差测量与控制工艺

3.4.1菲涅尔反射

3.4.2光程相对差值测量方法

3.4.3 Mach-Zehnder光纤干涉仪臂长差的测量与控制

3.4.4 Michelson光纤干涉仪臂长差的测量与控制

3.5磁场换能器制作工艺

3.5.1磁场换能器的骨架

3.5.2磁场换能器工艺的主要问题

3.5.3磁场换能器的制作

3.6本章小结

第四章 Michelson干涉型光纤微弱磁场传感器解调技术

4.1偏振无关Michelson干涉型光纤微弱磁场传感系统

4.2基于改进的锁定放大器电路的解调方案

4.3 Michelson干涉型光纤微弱磁场传感器测试

4.3.1换能器机械谐振频率与频率响应

4.3.2光功率与传感器系统输出

4.3.3交流激励磁场与传感器系统输出

4.3.4传感器系统灵敏度

4.3.5传感器系统分辨率

4.3.6磁场换能器方向性分析

4.4 Michelson干涉型光纤微弱磁场传感器噪声

4.4.1干涉型光纤传感器系统噪声来源及特性

4.4.2抑制干涉型光纤传感器系统固有噪声的方法

4.4.3干涉型光纤磁场传感器热噪声和散弹噪声分析

4.5基于数字信号处理的降噪解调方案

4.5.1消除噪声的方法

4.5.2传感信号的软件解调

4.5.3自适应滤波器的降噪原理

4.5.4自适应谱线增强器工作原理

4.5.5自适应谱线增强器的实现及实验结果

4.6本章小结

第五章 Michelson干涉型光纤微弱磁场传感器稳定性

5.1传感器系统稳定性

5.1.1干涉仪偏振稳定性

5.1.2干涉仪工作点稳定性

5.2磁力共振与换能器温度特性

5.2.1磁力共振

5.2.2磁致伸缩材料的机械谐振特性

5.2.3磁场换能器的机械谐振特性

5.2.4磁场换能器机械谐振频率温度特性的引入

5.3 Michelson干涉型光纤微弱磁场传感器温度特性的实验研究

5.3.1换能器机械谐振频率与传感器系统输出的温度特性

5.3.2传感器系统灵敏度的温度特性

5.3.3传感器温度特性的补偿与消除

5.4本章小结

第六章 结束语

6.1总结

6.2论文的创新点

6.3今后工作展望

参考文献

附录：符号说明

致谢

攻读博士学位期间已发表和录用的论文