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《北京理工大学》 2017年
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高灵敏度光纤磁场传感技术的研究

陈菲菲  
【摘要】:磁场探测技术被广泛应用于地震灾害预报、油气和矿产勘测、医学诊疗、军事国防等多个领域,一直受到国内外科学家们的关注。相比于应用传统电学原理的磁场传感器,光纤磁场传感器的起步较晚。直至20世纪八十年代,光纤磁场传感器才随着光纤传感特性的发现而迅速发展起来。作为磁场传感技术的新生力量,光纤磁场传感器具有十分独特的优点,主要包括:抗电磁干扰,适用于恶劣的强电磁环境之中;耐腐蚀、绝缘性能好,适用于易燃易爆以及强腐蚀性环境中;灵敏度和分辨率高,适用于微弱磁场的探测;传感器结构紧凑、体积小、重量轻,便于器件小型化;易于复用,光传输损耗小,适用于长距离分布式多点测量。因此,光纤磁场传感器在工程应用中具有巨大的发展潜力。由于光纤中的传输光信号抗电磁干扰能力强,光纤磁场传感技术通常需要结合磁感应材料来实现,其基本工作原理为:将磁感应材料与光纤进行结构耦合,实现磁能到光能的间接转换,从而通过测量光纤中传输光信号的参数变化实现对外加磁场的探测。此外,磁感应材料与光纤的耦合结构设计主要依赖于磁感应材料的自身磁敏特性,目前广泛应用的磁感应材料包括磁致伸缩材料、磁致偏振材料、磁致折射率变化材料等。磁感应材料的多样性促进了不同功能和不同耦合结构的光纤磁场传感器的发展,从而满足多研究领域以及多工程环境下的磁场探测需求。本论文研究了磁感应材料与光纤的多种耦合结构,应用超稀土磁致伸缩材料和磁流体材料研制了多种光纤磁场传感器,分别实现了高灵敏度的交变磁场和静态磁场的探测。超稀土磁致伸缩材料受磁场的影响能够改变自身物理尺寸,通过与光纤干涉仪的结构耦合实现对光纤长度的改变,进而调制干涉信号;磁性流体材料受磁场影响将发生折射率变化,通过与光纤的结构耦合来改变光纤模式的有效折射率,从而实现光纤干涉仪和光纤光栅的输出光信号的调制。本论文的研究内容主要包括以下几个方面:1.研制了一种基于超稀土磁致伸缩材料的高灵敏度环状磁场换能器,用作双光束光纤干涉仪的传感臂,通过磁致伸缩材料的磁致形变对输出干涉光信号进行相位调制。研究了相位载波解调方法,实现了建立在光纤Michelson干涉仪结构上的高灵敏交变磁场传感系统,最小可测磁场达到23 p T/√Hz(rms)。对基于3×3耦合器的相位解调方法进行了研究,实现了建立在光纤Mach-Zehnder干涉仪结构上的高稳定性的交变磁场测量系统。2.研究了基于高精细度光纤非本征型Fabry-Perot干涉仪的磁场传感器。由两个经过增反处理的陶瓷芯端面构成干涉仪腔面,再将它们分别与入射光纤和磁致伸缩棒相连,两个陶瓷芯端面保持严格的对准与平行,形成一个高精细度的非本征型Fabry-Perot干涉仪。通过磁致伸缩棒的磁致形变来改变Fabry-Perot干涉仪的腔长,从而调制干涉仪的输出光信号,实现对静态磁场的测量,测量灵敏度为41.94nm/m T。实现了一种全固态、结构紧凑的静态磁场传感器。3.首次研制了一种基于微孔在线式光纤Mach-Zehnder干涉仪的光纤磁场传感器。描述了利用化学腐蚀方法制作在线式光纤Mach-Zehnder干涉仪;分析了在线式光纤Mach-Zehnder干涉仪的折射率传感特性;根据磁流体材料的磁致折射率变化特性,将其包裹于光纤Mach-Zehnder干涉仪的外表面,形成了一种高灵敏度微小型干涉仪的光纤静态磁场传感器,测量灵敏度达到0.2756nm/Oe,高于大多数磁流体型磁场传感器。4.首次研制了一种基于磁流体材料和拉锥式长周期光纤光栅的高灵敏度光纤磁场传感器。应用拉锥式的长周期光纤光栅的理论模型分析了拉锥型光纤光栅的传感特性;使用放电熔融拉锥的方法制作了长周期光纤光栅,并结合磁流体材料研制了光纤磁场传感器。该光纤磁场传感器结构紧凑、体积小,实现了高灵敏的微弱磁场探测,磁场灵敏度(0.354nm/Oe)达到了目前磁流体型光纤磁场传感器的最高水平。
【学位授予单位】:北京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN253;TP212

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