干涉型光纤弱磁传感器解调系统稳定性研究

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光纤传感技术是一种成熟的传感器技术,它具有很多优点:灵敏度(sensitivity)高、环境适应性强(可用于高压、高温、电磁干扰等工作环境)、安装方便(可以根据各类仪器或应用结构形状设计)、远程传感(可用光纤传输信息进行遥测)等等。而光纤微弱磁场传感器是光纤传感技术中一个重要的研究方向。本论文研究重点是干涉型光纤传感器解调系统,在实验室原有研究工作的基础上,改进了整套系统,具体包括:对磁场换能器的磁致伸缩材料、光纤长度、骨架形状等工艺进行实验探讨及设计,对传感信号的处理电路进行了稳定性、灵敏度两个方面的改进,并且利用磁场换能器的方向性对三维矢量磁场进行了测量。同时还和其他同学合作,参与了电场换能器设计等工作。本文分别从光路稳定性和电路稳定性两个方面对干涉型微弱磁场传感器进行了详细研究。在光路稳定性分析中,对不同结构的干涉仪(M-Z干涉仪和Michelson干涉仪)进行了实验比较,验证了带法拉第旋转反射镜的干涉仪具有很好的稳定性。在电路稳定性分析中,主要针对弱磁解调系统的电路特性稳定性进行分析,具体包括:通过电路自相关和互相关解调方法的理论比较,得出采用互相关解调的锁定放大技术对微弱光传感信号经过光电转换后端处理具有较强的适应性,与此同时,采用了基于反相放大技术的闭环反馈电路设计,从而使系统稳定性及灵敏度有了较大的提高,传感系统更具实用性。最后经过改进的干涉型磁场传感器系统能够有效地测试微弱磁场,重复性非常好,系统的灵敏度可达49.4μV/nT,在1Hz时系统的本底噪声为2.5×10-5V/Hz1/2,系统在1Hz处的最小可测磁场约为0.5nT。在改进之前,原有系统最小只有20nT,提高了40倍。
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