全光纤光栅F-P腔微弱磁场传感器研究

摘要

光纤微弱磁场传感器是最具有应用潜力的一类微弱磁场传感器。在目前的磁场传感器研究中，主要难点是传感器的结构小型化与高灵敏度性能无法兼顾。本文提出了一种利用啁啾光纤光栅构成宽带法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot interferometer，FPI）的全新弱磁敏感结构，结合超磁致伸缩材料构成全光纤磁换能器，利用基于反射光谱特性的相位解调，实现微弱磁场测量。该系统具有结构紧凑、系统稳定、测量精度高等优点，该结构适合构建大容量的磁场探测阵列。本文围绕全光纤光栅法布里-珀罗（F-P）腔微弱磁场传感器展开研究，其主要内容如下：
　　1.推导了啁啾光纤光栅的传输耦合模方程，运用分段传输矩阵建立了啁啾光栅传输理论模型。仿真分析了影响宽带光纤 F-P腔传输特性和反射光谱特性的各种因素，仿真结果表明：光栅长度越长或者啁啾系数越大，啁啾光栅的反射光谱越宽，形成的干涉条纹越密；腔长越长，干涉条纹的间距越小，干涉条纹数量越多。
　　2.根据相干旋转理论推导出磁致伸缩材料在磁场中的变化规律。利用迈克尔逊干涉仪测量稀土超磁致伸缩材料的磁致伸缩量，得到了与理论相符合的实验结果。设计并制作了磁换能器，结合磁换能器与 FPI性能，分析了光纤磁场传感器系统的相位灵敏度，计算结果表明：磁场H=10μT时，其相位灵敏度为1.56 rad/μT；磁场H=20μT时，其相位灵敏度为1.96 rad/μT。
　　3.研究了基于条纹计数法的F-P腔相位解调算法，利用光纤F-P腔磁场传感器对通电螺线管生成的磁场进行了探测实验，实验结果表明：该磁场传感器系统的相位灵敏度为1.57 rad/μT，系统测量误差的平均值为1.2μT，测量误差的方差为0.6μT，引起测量误差的原因可归结于磁换能器的耦合损耗和被探测磁场的不均匀性。
　　4.研究了基于傅里叶变换法的 F-P腔相位解调算法，并采用三次样条插值对光谱频域内的频率采样点进行修正。采用频域高斯插值法对傅里叶变换得到的基频对应下标值进行校正，从而实现磁场测量精度的提高。磁场探测实验的结果表明：该磁场传感器系统的相位灵敏度为1.62 rad/μT，系统测量误差的平均值为0.43μT，测量误差的方差为0.3μT。

目录

声明

第一章 绪论

1. 1 微弱磁场测量的意义

1. 2 光纤微弱磁场传感器的发展

1. 3 本文的研究意义

1. 4 本文所做的工作

第二章 啁啾光纤光栅F-P干涉仪

2. 1 耦合模理论

2. 2 啁啾光纤光栅理论模型及其传输特性

2. 3 啁啾光纤光栅F-P腔的传输特性

2. 4 数值模拟及结果分析

2. 5 本章小结

第三章 磁致伸缩换能器

3. 1 磁致伸缩基本原理

3. 2 磁致伸缩的测试

3. 3 磁致伸缩换能器设计制作

3. 4 本章小结

第四章 光纤光栅F-P腔微弱磁场传感器系统及实验

4. 1 微弱磁场传感器系统结构和传感原理

4. 2 信号分析

4. 3 温度传感实验及结果分析

4. 4 微弱磁场测量实验及结果分析

4. 5 本章小结

第五章 傅立叶变换法在传感器信号解调中的应用

5. 1 基于傅里叶变换法的F-P腔相位解调算法原理

5. 2 核心公式推导

5. 3 微弱磁场测量实验及结果分析

5. 4 本章小结

第六章 总结

6. 1 全文总结

6. 2 后续展望

致谢

参考文献

附录

A 啁啾光栅仿真程序部分代码

BF-P干涉仪仿真程序

C 三次样条插值部分代码