全光纖光柵F-P腔微弱磁場(chǎng)傳感器研究.pdf

1、光纖微弱磁場(chǎng)傳感器是最具有應(yīng)用潛力的一類微弱磁場(chǎng)傳感器。在目前的磁場(chǎng)傳感器研究中，主要難點(diǎn)是傳感器的結(jié)構(gòu)小型化與高靈敏度性能無法兼顧。本文提出了一種利用啁啾光纖光柵構(gòu)成寬帶法布里-珀羅干涉儀(Fabry-Perot interferometer，F(xiàn)PI）的全新弱磁敏感結(jié)構(gòu)，結(jié)合超磁致伸縮材料構(gòu)成全光纖磁換能器，利用基于反射光譜特性的相位解調(diào)，實(shí)現(xiàn)微弱磁場(chǎng)測(cè)量。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)穩(wěn)定、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，該結(jié)構(gòu)適合構(gòu)建大容量的磁場(chǎng)探測(cè)

2、陣列。本文圍繞全光纖光柵法布里-珀羅（F-P）腔微弱磁場(chǎng)傳感器展開研究，其主要內(nèi)容如下：
　　1.推導(dǎo)了啁啾光纖光柵的傳輸耦合模方程，運(yùn)用分段傳輸矩陣建立了啁啾光柵傳輸理論模型。仿真分析了影響寬帶光纖 F-P腔傳輸特性和反射光譜特性的各種因素，仿真結(jié)果表明：光柵長度越長或者啁啾系數(shù)越大，啁啾光柵的反射光譜越寬，形成的干涉條紋越密；腔長越長，干涉條紋的間距越小，干涉條紋數(shù)量越多。
　　2.根據(jù)相干旋轉(zhuǎn)理論推導(dǎo)出磁致伸縮材料在磁

3、場(chǎng)中的變化規(guī)律。利用邁克爾遜干涉儀測(cè)量稀土超磁致伸縮材料的磁致伸縮量，得到了與理論相符合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。設(shè)計(jì)并制作了磁換能器，結(jié)合磁換能器與 FPI性能，分析了光纖磁場(chǎng)傳感器系統(tǒng)的相位靈敏度，計(jì)算結(jié)果表明：磁場(chǎng)H=10μT時(shí)，其相位靈敏度為1.56 rad/μT；磁場(chǎng)H=20μT時(shí)，其相位靈敏度為1.96 rad/μT。
　　3.研究了基于條紋計(jì)數(shù)法的F-P腔相位解調(diào)算法，利用光纖F-P腔磁場(chǎng)傳感器對(duì)通電螺線管生成的磁場(chǎng)進(jìn)行了探測(cè)實(shí)驗(yàn)

4、，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該磁場(chǎng)傳感器系統(tǒng)的相位靈敏度為1.57 rad/μT，系統(tǒng)測(cè)量誤差的平均值為1.2μT，測(cè)量誤差的方差為0.6μT，引起測(cè)量誤差的原因可歸結(jié)于磁換能器的耦合損耗和被探測(cè)磁場(chǎng)的不均勻性。
　　4.研究了基于傅里葉變換法的 F-P腔相位解調(diào)算法，并采用三次樣條插值對(duì)光譜頻域內(nèi)的頻率采樣點(diǎn)進(jìn)行修正。采用頻域高斯插值法對(duì)傅里葉變換得到的基頻對(duì)應(yīng)下標(biāo)值進(jìn)行校正，從而實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)測(cè)量精度的提高。磁場(chǎng)探測(cè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：該磁場(chǎng)傳感器