（光学工程专业论文）光纤微弱磁场传感器技术.pdf

电子科技大学硕士论文 学科专业：光学工程 论文题目： ， 硕士生：薛志英 光纤微弱磁场传感器技术 导师：周晓军副教授 磁场测量技术已经在工业、农业、国防，以及生物、医学、宇航等各个部门 获得重要应用。本论文概述了国内外娄堑堂塑燮堑焦壁盔肋发展与研究现状。介 绍了非晶态合金的磁致伸缩原理，导出了磁场、应力、测量方向任意时磁致伸缩 与磁场的计算公式，并经试验证实。设计并建立了基于马赫一然得干涉仪的光纤 微弱磁场传感器系统，对马赫一然得干涉仪、磁致伸缩换能器、高频调制与最小 理论可测磁场进行了理论分析；讨论了峰一峰值法测量磁场的原理及应用范围： 分析了误差来源。髓过对系统的深入分析研究，创造性地提出用三点法来处理信 号，并用b o r l a n dc + + b u i l d e r 5 0 编制了一可运行于w i n d o w s 环境下的程序，用来 实现三点法的自动测量，使系统的响应时间缩短，测量动态范围扩大，并分析了 三点法的优缺点。创新性地提出用遗传算法来拟合传感器输出信号，阱达到探测 磁场的目的，为了能够对各种典型情况下传感器输出信号的模拟仿真，笔者编制 了一程序，通过很多次试验，证实了把遗传算法应用到光纤弱磁检测中是可行的。 - 十 ，r ，本文 所作研究对将来系统的实用化打下了一定的理论基础，具有重要的参考价值。，一- 关键词：光纤；传感器；磁场测量；m a c h z e h n d e r 干涉仪：遗传算法 电子科技大学硕士论文 a b s t r a c t t h em a g n e t i cf i e l dm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi sa p p l i e di ni n d u s t r y , a g i c i l l h i r c ，n a t i o n a ld e f e n c e ， b i o l o g y , m e d i c i n e c o s m i ca “a t i o n , e t ed e p a r t m e n t i nt h i sp a p e r , t h em e a r c ha n de n r r e n ts t a u i sa f d e v e l o p m e n to fo p t i c a lf i b e rw e a km a g n e t i cf i e l ds e n s o ra r eo u t l i n e d t b em a g n e t o s t r i c t i o n t h e o r yo fa m o r p h o u sa l l o yi si n t r o d u c e d , t h ec a l c u l a t e df o m f l a so fm a g n o d cf i e l d a n d m a g n e 州o d o ni si n v e s t g a t e da n dv e r i f i e db ye x p e r i m e n tw h e nc o n s i d e r i n gm a g n e t i cf i e l ds b c s s a n dm e a s u r e m e n td i r e c t i o n ao p t i c a lf i b e rw e a km a g n e t i cf i e l d $ o n s o rs y s t e mb a s e do n m a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e ri se s t a b l i s h e d t h ct h e o r yo fm a c h - z e i m d e ri n t e s f e r o m e t e r , m a g n e t o s t r i c t i v et t a n s d u o e s , h i g hf r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，t h em i n i m u mm a g n e t i cf i e l dt h a tc a nb e m e a s u r e di nt h e o r yi sa n a l y z e d t h ep r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o nc o n f m e so ft h ep i c k - p i c kt h e o r y - w h i c hu s e di nt h em a g n e t i cf i e l dm e a s u r e m e n ti si n t r o d u c e d a l s ot h ee r r o rf a c t o r sa r ed i s c n s s e d t h cs y s t e mi sd e l v e da n dt h et h r e e - p o i n tm e t h o d o l o g yu s e di ns i g n a lp r e c e s s m gi se x p o u n d e d i n o r d e rt oa c h i e v et h et h r e e - p o i n tm e t h o d o l o g ym e a s u r e m e n t ap r o g r a mw h i c hc a nb eu s e du n d e r w i n d o w s 9 8i sc o m p i l e db ym e a no fb o r l a n dc + + b i i i i d 自r 5 0 a sar c s u l t ,l h er e s p o n s et i m ei s s h o r t e n e d t h ed y n a m i c a lr a n g eo fm e a s u r e m e n ti se n l a r g e da n dt h ea d ；c a n t a g ea n df a u l to ft h e t h r e e - p o m tm e t h o d o l o g yi sa n a l y z e d i no r d e rt om e a s u r em a g n e t i cf i e l d , t h et h e o r yt h a tu s i n g g c n o d ca l g o r i t h mt of i tt h eo u t p u ts i g n a lo ft h es d i s o rs y s t e mi sd e m o n s l y a t e df a s t i nt h ei n t e r e s t o ft h em o d e la n ds i m u l a t i o no ft h es e n s o rs y s t e m ，ap r o g r a mi sd e s i g n e d al o to fe x p e r i m e n t r e s u l t st h a ti ti sw o r k a b l ea p p l y i n gg e n o d ca l g o r i t h mt oo p 6 c a lf i b e rw e a km a g n e t i cf i e l ds c u s o r s y s t e m ：儿- 一一 “ 。 1。 一：一；* h 一 _ 。一 ：t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e r f o u n d so g r t a m t h e o r yb a s i sf o r t h ep r a c t i c a ls y s t e mi nf u t u r e k e y w o r d s ：o p t i c a ll j i b e r s ；s e n s o r s ；m a g n e t i cf i e l dm e a s u r e m e n t ；m a c h - z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r ；g e n e t i ca l g o r i t h m 2 电子科技大学硕士论文 第一章绪论 磁场测量技术的应用已深入到工业、农业、国防，以及生物、医学、宇航等 各个部门。在工业上，探磁法找矿、探测地下管道；在国防上，磁性扫雷、舰船 消磁、搜索武器、探测潜艇、近炸水雷等都离不开磁场测量技术；在医学上。通 过测量人体心脏跳动和头内磁场变化作出“心磁图”、“脑磁图”来诊断疾病。这 些都对磁场测量提出了新的要求，特别是探潜方面，随着现代潜艇的发展，在潜 艇中广泛应用了隐身技术，使潜艇的噪声很低，削弱了声纳的探潜效果。虽然， 一些国家也在研究磁隐身技术，但潜艇中有很多钢铁结构，难以做到完全磁隐身， 所以，用探磁方式来探潜是一种行之有效的方法。这给探磁仪提出了更高的要求： 探测极弱的磁场。用于磁场测量的方法有很多种测量微弱磁场的主要方法有： 磁通门法、磁光泵法、超导量子器件干涉法和光纤传感法。光纤传感法有基于法 拉第旋光效应的探磁方法和基于磁致伸缩的光纤磁场传感器探测法。 基于磁致伸缩的光纤磁场传感器可达到超导量子器件干涉法的灵敏度，并具 有抗电磁干扰、重量轻、体积小等优点。因此，是一种很有发展前景的微弱磁场 传感器。 。 1 1 光纤磁场传感器的发展及研究现状 自从1 9 8 0 年美国加利福尼亚技术学院的亚里夫教授首次提出了用磁致伸缩 材料对光纤的扰动改变光相位来探测微弱磁场的方法，并理论预测最小可探i 受| i 磁 场可达1 6 x1 0 - 1 2 g 后，美国军方给予了高度重视。当年美国海军实验室就制作 出了第一个利用磁致伸缩材料的光纤微弱磁场传感器，此后，这一领域的研究一 直很活跃，许多学者对此种传感器进行了研究。国外主要研究的单位有美国海军 实验室，英国的肯特大物理实验室等。目前，实验室里达到的探测范围可从d c 到1 m h z , 分辨率在0 1 i - i z 时为4 5 p t h z “，在3 5 k h z 时为0 0 7 p t i - i z “。1 9 9 3 年 美国海军实验室进行了两个三轴向光纤微弱磁场传感器阵列的水下试验，该系统 在0 1 h z 下相位分辨率为0 6ur a d i - - i z m ，相应的磁场分辨率为1 5 0 p t h z “2 。接着 美国海军实验室又在挪威海岸的水下进行了八个三轴向光纤传感器阵列的长达 电子科技大学硕士论文 z 俺 一年的水下跟踪舰船的全天昭斌验，由于美国军方的重视和大力投资，光纤微弱 磁场传感器将可能很快付诸使用而装备美国海军。 与国外的研究相比，国内对光纤微弱磁场的研究不仅起步晚，而且研究水平 低，进展缓慢。国内从八十年代末才开始进行这方面的研究，主要研究单位有电 子科技大学、华中理工大学、东南大学、武汉工业大学等。国内的研究由于资金 缺乏，组织不力，研究不深入，达到的指标也不高，报道的指标仅为1 0 4 0 e ，远 不能满足探潜的需要。 利用磁致伸缩效应的光纤弱磁场传感器，有基于m a c h - z e h n d e r 干涉仪的光 纤磁场传感器、基于m i c h e l s o n 干涉仪的光纤磁场传感器和基于f a b r y - p e r o t 干 涉仪的光纤磁场传感器。 1 1 1 基于f a b r y - p e r o t 干涉仪的光纤磁场传感器 光纤f a b r y p e r o t ( f p ) 干涉仪是多光束干涉，具有比m a c h - z e h n d e r 干涉仪和 m i c h e l s o n 干涉仪更高的相位灵敏度，但是，它要求窄线宽光源，并且输出函数 也复杂，使得在传感器的应用中研究较少，对基于光纤f a b r y - p e r o t 干涉仪的磁 场传感器研究，有两个方面，一个是寻找新的信号检测方法，另一个是利用多f p 腔结构来使输出函数简化。由于低精细度的f p 干涉仪，输出函数简单，信号检 测容易，光纤f p 传感器多采用低精度的f p 干涉仪。 1 9 9 7 年k id o n go h 等研制出了第一个基于 光纤f a b r y p e r o t 干涉仪的磁场传感器。他们利 用了低精细度的f p 干涉仪，测量了1 0 0 3 5 0 0 0 n t 范围的直流磁场。他们将单模光纤和金 属玻璃丝放在空心管中，构成了e f f p 弱磁传感 器，如图1 1 所示，光纤端面和金属玻璃丝端面 构成了f p 腔，由光纤传来的光在光纤端面反 射部分和在金属玻璃丝端面反射后再进入光纤 的光产生干涉，由于从光纤出来的光是发散的， 激光器 且光纤很细，此f p 腔精细度低，属于双光束干涉，输出函数为余弦形式。 在信号检测方面采用正交相移检测方法。即由两个相位差为n 2 的传感器组 合在一起，经过电路处理得到与相位变化出正比的信号，检测这个信号就测量出 电子科技大学硕士论文 磁场的变化。 使用高精细度印干涉仪的磁场传感器还未见报道。 虽然光纤f p 传感器具有结构紧凑、抗振动好的特点，用于弱磁场测量已经 取得了一些进展，但是，目前测量的最低磁场还比用马赫一然得干涉仪和麦克尔 逊干涉仪的结果要高。今后的研究方向是研制出基于高精细度的光纤f p 干涉仪 的磁场传感，以提高光纤微弱磁场传感器的灵敏度。 1 1 2 基于m a c h - z e h n d e r 干涉仪的光纤磁场传感器 在利用磁致伸缩的光纤微 弱磁场传感器中，这是一种研究 最多、最全面的一种结构。亚里 夫提出建议后，第一个利用磁致 伸缩的光纤微弱磁场传感器就 是基于m a c h - z e h n d e r 干涉仪 的光纤磁场传感器。文献报道的 光纤弱磁场传感器多数是关于 这种传感器的，其结构如图1 2 输出 图12 基于m a c h - z e h n d e r 干涉仪的磁场传感器 所示。基于m a c h - z e h n d e r 干涉仪的光纤磁场传感器是将磁致伸缩材料粘接在 m a c h - z e h n d e r 干涉仪的一个臂上，组成信号臂，当施加的外部磁场h 在磁致伸缩 材料上时，磁致伸缩材料产生应变，引起干涉仪中的相位变化通过电路测量出 相位变化就能测量出引起相位变化的磁场。由于磁致伸缩与磁场的关系是非线性 的，通常施加调制磁场h c o s u t 以获得相位随待测磁场线性变化的输出，它的研 究主要分为换能器结构、信号检测及噪声抑制等三方面。 1 1 3 基于m i c h e l s o n 干涉仪的光纤磁场传感器 m i c h e l s o n 干涉仪和m a c h - z e h n d e r 干涉仪一样属于双光束干涉，m i c h e l s o n 结 构也被称为折叠的m a c h - z e h n d e r 结构，因此，它们的光损耗和输出类似。但是， m i c h e l s o n 干涉仪只需要一个耦合器，光两次通过传感臂和参考臂，单位长度光 纤中的相移增加倍。在物理结构上，m i c h e l s o n 结构更易于小型化。缺点是现 电子科技大学硕士论文 在光纤端的反射镜还未商业化，不过低效率的m i c h e l s o n 结构可利于空气一光纤 界面的反射来完成。反射光进入激光器会引起光源不稳定带来噪声，需要应用光 隔离器。基于m i c h e l s o n 干涉仪的光纤磁场传感器的研究方法与基于m a c h z e n d e r 干涉仪的光纤磁场传感器相同在文献中也报道不多。在这种结构中，首先实现 了光纤微弱磁场传感器的阵列化和室外试验。 1 9 9 3 年fb u c h o l t z 等制作 两个三轴向的磁场仪，如图13 所示。并进行海底实验。这种磁 场仪是基于m i c h e l s o n 干涉仪 的光纤磁场传感器，法拉第镜的 作用是消除偏振态变化的影响， 光隔离器用于消除寄生 f a b r y p e r o t 腔的影响，三个方向的换能器应用不同频率的交流调制磁场。该磁场 仪得到的相位分辨率为0 6ur a d j h z ”2 ，在0 1 h z 时对应的磁场分辨率为 1 5 0 p t h z m 。1 9 9 4 年他们制作出了l 8 的三轴向探测阵列，置于挪威海岸水下， 进行长达一年的试验。这个系统每个通道的磁噪声在0l i - l z 时低于03 n t h z “2 。 他们的研究说明，应用先进的单模光纤技术和磁致伸缩换能器的制作技术能 制作出可靠的、长期稳定的光纤磁场传感器，并能在恶劣的条件下正常工作。 1 2 光纤弱磁场传感器面临的问题 虽然光纤微弱磁场传感器取得了很大的进展，但还存在一些问题，报道的最 低探测磁场与理论预测有很大差距。存在的主要问题是：1 ) 探测的灵敏度还不够 高，2 ) 传感器系统的稳定性和可靠性还有待提高。具体表现在以下几方面： 1 、换能器方面，采用敷镍光纤方式的换能器，由于受电子束镀膜、电镀工 艺的限制，很难得到足够长的镀镍光纤。采用粘接金属玻璃方式的换能器，由于 光纤与金属玻璃的粘接工艺还不成熟，制作的换能器性能不太理想。 2 、信号检测方面，目前的检测方法的相位灵敏度为1 0 一r a d ，对低频时磁场传 感器中的l f 噪声还没有办法完全消除。 3 、光纤传感器对振动敏感的问题还没有很好的解决办法。 由上所述，基于磁致伸缩的光纤磁场传感器今后的发展仍然是提高灵敏度、 d 电子科技大学硕士论文 可靠性和稳定性。在提高灵敏度方面，鉴于磁致伸缩材料的长度有限，且研制 体积小的磁场传感器时，磁致伸缩材料也不能太长这使得基于双光束干涉仪 如m a c h - z e h n d e r 干涉仪和m i c h e l s o n 干涉仪的光纤磁场传感器的灵敏度要受到 限制。 1 3 本文的主要工作及安排 本文的工作是结合项目“光纤微弱磁场传感技术”，为提高光纤微弱 磁场传感器的灵敏度、可靠性及实用化开展的。用己研究基于m a c h - z e h n d e r 干涉 仪的光纤磁场传感器。 本文主要针对基于m a c h - - z e h n d e r 干涉仪的光纤磁场传感器迸行了系统的 研究，研究的结果对研制高灵敏度的光纤磁场传感器具有创新的意义。 本文的安排如下： 第一章综述了光纤磁场传感器的发展及研究现状，基于三种干涉仪的光纤 磁场传感器的特点及光纤微弱磁场传感器所面临的问题。 第二章介绍了磁致伸缩的原理，导出了磁场、应力、测量方向任意时的磁致 伸缩公式。并对金属玻璃的磁致伸缩性能进行了测量，得到的磁致伸缩曲线与理 论相符合。 第三章介绍了光纤微弱磁场传感器的基本原理，提出用峰一峰值法来处理信 号，研究了光源、损耗等对系统灵敏度的影响。 第四章创造性的提出应用三点法来处理磁场信号。 第五章介绍了遗传算法，并讨论了用遗传算法处理磁场信号的可能性，分析 了各种情况下，用遗传算法拟合得结果。为将来把遗传算法应用于磁场信号处理 打下一定的理论基础。 第六章对全文的主要内容进行了总结。 参考文献 1 f p r i m d a h l ，t h ef l u x g a t em a g n e t o m e t e r ，j p h y s e1 2 ，2 4 1 2 5 2 ( 1 9 7 9 ) 2 p r i p k a ，r e v i e wo ff l u x g a t es e n s o r s ，s e n s o r s a n da c t u a t o r sa ， 3 3 ( 1 9 9 2 ) ，1 2 9 1 4 1 3 a l b l o o m ，a p p l o p t ，l ( 1 9 6 2 ) 6 1 皇型塾查堂堡主堡壅 4 5 6 7 k b o r e r ，n u c l i n s t r u m m e t h o d s ，1 5 4 ( 1 9 7 8 ) 6 1 a p a u l ，n u c l i n s t r u m m e t h o d s ，1 3 5 ( 1 9 7 6 ) 4 5 9 i e t h o m p s o n i e e et r a n s 0 ni m - 2 5 ，1 ( i 9 7 6 ) i g c h i t o na n dg d e l a p i e r r e ，i e e et r a n s m a g n e t i c s ，m a g - 1 5 ，6 ( 1 9 7 9 ) 1 8 1 5 8 h 。p b a l t e sa n dr s p o p o v i c ，i n t e g r a t e ds e m i c o n d u c t o rm a g n e t i cf i e d s e n s o r ，p r o c i e e e ，7 4 ( 1 9 8 6 ) ，11 0 7 11 3 2 9 t v a nd u z e ra n dc w t u r n e r ，p r i n c i p l e so fs u p e r c o n d u c t i n gd e v i c e s a n dc i r c u it s ，e 1 s e v i e r ，n e wy o r k ，1 9 8 1 i o g w d a ya n da h r o s e ，f a r a d a ye f f e c ts e n s o r ：t h es t a t ee ft h ea r t ， p r o c s p i e9 8 5 ( 1 9 8 8 ) ，1 3 8 一j5 0 1 1 a d k e r s e y ，f b u c h o l t z ，a n da d a n d r i d g e ，s e n s i t i v e b a n d w i d t h l i m i t a t i o ni no p t i c a l f i b e rf a r a d a y r o t a t i o nc u r r e n ts e n s o r ，i n t j o p t o e l e c t r e n 3 ( 1 9 8 8 ) ，3 2 3 3 3 2 1 2 m b e r w i c k ，j d c j o n e s ，a n dd a j a e s o n ，a 1 t e r n a t i n g - c u r r e n t m e a s u r e m e n ta n dn o n i n v a s i v ed a t ar i n gu t i l i z i n gt h ef a r a d a ye f f e c ti n a c l o s e l o o pf i b e rm a g n e t o m e t e r ，o p t l e t t 1 2 ( 1 9 8 7 ) ，2 9 3 2 9 6 1 3 f b u c h o l t z ，k p k e o ，a d k e r s e y ，a n da d a n d r i d g e ，f i b e r0 p t i c m a g n e t i cs e n s o rd e v e l o p m e n t ，p r o c s p i e7 1 8 ( 1 9 8 7 ) ，5 6 - 6 5 1 4 n s m it h ， f j e f f e r s a n d j f r e e m a n ， a h i g h s e n s i t i v i t y m a g n e t o r e s i s t i v em a g n e t o m e t e r ，j a p p l p h y s ，6 9 ( 1 9 9 1 ) ，5 0 8 2 5 0 8 4 1 5 3 m d m e r m e l s t e i n a n da d a n d r i d g e ，l o w f r e q u e n c ym a g n e t i cf i e l d d e t e c t i o nw i t ham a g n e t o s t r i c t i v ea m o r p h o u sm e t a lr i b b o n ，a p p l p h y s l e t t 5 10 9 8 7 ) ，5 4 5 5 4 7 1 6 1 y a r i va n dh v w i n s o r ，p r o p o s a l f o rd e t e c t i o no fm a g n e t i cf i e l d t h r o u g hm a g n e t o s t r i c t i v ep e r t u r b a t i o n o f f i b e r ，o p t l e t t 5 ( 1 9 8 0 ) ：8 7 8 9 1 7 k p k o e ，a d a n d r i d g e ，a b t v e t e n ，a n dg h s i g e l ，j r ，a f i b e r - o p t i c d em a g n e t o m e t e r ，i e e ej l i g h t w a v et e c h n 0 1 l t l ( 1 9 8 3 ) ， 5 2 4 - 5 2 5 1 8 d a g e n a i s ，d m ，k e o ，k p ，a n d b u c h o l t z ，f ，ah i g h r e s o l u t i o n 6 电子科技大学硕士论文 t h r e e a x i sf i b e r o p t i cm a g n e t o m e t e r ，p r o c o p t f i b e rs e n s o r c o n f ，19 9 2 ，o f s 一8 ，4 0 6 4 0 9 1 9 f b u c h o l t ze ta 1 f i b e ro p t i cm a g n e t o m e t e r s y s t e m f o ru n d e r s e a h p p li c a t i o n s ，e l e c t r o n l e t t 2 9 ( 1 9 9 3 ) 。1 0 3 2 1 0 3 3 2 0 j d m d a g e n a i s ，k p k o o ，a n df b u c h o l t z ，ah i g hr e s o l u t i o n 2 1 f b u c h o l t ze ta l ，u n d e r s e ap e r f o r m a n c eo fe i g h t e l e m e n tf i b e ro p t i c m a g n e t o m e t e ra r r a y ，e l e c t r o n l e t t 3 0 ( 1 9 9 4 ) ，1 9 7 4 1 9 7 5 2 2 k id o n g0 h ，j a y d e e pr a n a d e ，v i v e kh r y ae ta 1 o r t i c a lf i b e rf a b r y p e r o t i n t e r f e r o m e t r i cs e n s o rf o r m a g n e t i c f i e l dm e a s u r e m e n t i e e ep h o t o n t e c h n 0 1 l e t t ，1 9 9 7 ，v 0 1 9 ，n o 6 ：7 9 7 7 9 9 2 3 黄旭，刘延冰，张金如，关于光纤传感器测弱磁场的最高分辨率问题，中国 激光，v 0 1 1 7 ，1 ( 1 9 9 0 ) 。1 3 1 7 2 4 程玉琪，邹昆，高灵敏度光纤弱磁传感器，光学学报，v 0 1 1 1 ， n o 1 2 ( 1 9 9 1 ) ，1 1 2 0 1 1 2 4 2 5 孙宇，刘延冰，光纤弱磁场检测系统分析，电测与仪表，n o 1 ( 1 9 9 1 ) ，4 3 4 6 2 6 刘岚，一种测量静态磁场的光纤传感仪，传感器技术。n o 1 ( 1 9 9 5 ) 。2 8 3 0 7 电子科技大学硕士论文 第二章磁致伸缩及其测量 2 1 磁致伸缩 物体在磁场中磁化时，其长度尺寸及体积太小均发生变化，这一现象称为磁 致伸缩或磁致伸缩教应。磁致伸缩现象有三种表现：沿外磁场方向尺寸大小的相 对变化称为纵向磁致伸缩；垂直于外磁场方向尺寸大小的相对变化称为横向磁致 伸缩；体积大小的相对变化称为体积磁致伸缩。纵向和横向磁致伸缩又称为线磁 致伸缩，它表现为物体在磁化过程中具有限度的伸长或缩短。体积磁致伸缩只有 在铁磁体技术磁化到饱和以后的顺磁过程中才明显表现出来，故磁致伸缩一般指 线磁致伸缩。它的产生是由于铁磁或亚铁磁材料在居里点以下发生自发磁化，形 成磁畴。在每一个磁畴内，晶格都沿磁化强度方向发生形变。当施加外磁场时， 磁体内部随机取向的磁畴即发生旋转，使各磁畴的磁化方向与外加磁场方向趋于 一致，物体对外显示宏观磁性，即沿外磁场方向伸长或缩短。伸长者为正磁致伸 缩，缩短者为负磁致伸缩。磁致伸缩的大小用磁致伸缩系数来度量。在一些晶态 合金和非晶态合金中都存在磁致伸缩。在光纤磁场传感器中，通过测量磁致伸缩 材料引起光纤长度的变化来测量磁场，因此了解材料的磁致伸缩性能和磁致伸 缩的测量是很重要的。由于磁致伸缩效应的数量级很小，材料的磁致伸缩系数的 测量是很困难的。本章我们介绍金属玻璃的磁致伸缩原理，提出种高分辨率的 位移测量方法，用于测量磁致伸缩，并对金属玻璃的磁致伸缩进行了测量。 非晶态合金( 金属玻璃) 己经被证明具有比普通的晶态合金更好的磁机械性 质口1 因此，被用于各种换能器和传感器中。用于光纤微弱磁场传感器，具有极高 的探磁灵敏度p 】，在光纤微弱磁场传感器的研究中是首选的换能器材料。所以， 必须对其磁致伸缩性质加以了解。在金属玻璃的磁致伸缩的计算中，l i v i n g s t o n 的相干旋转模型是一种简单有效的模型，已经被很多人使用。本节介绍l i v i n g s t o n 的相干旋转模型并由此计算各种情况下，金属玻璃的磁致伸缩与磁场关系。 2 1 1 相干旋转模型 s 电子科技大学硕士论文 在非晶态合金中，磁各向异性的主要来源是在磁场( 或加应力) 下退火感应 的结构各向异性和磁致伸缩应变与残存应力相互作用产生的磁致伸缩各向异性。 磁机械性质由这两种因素相互竞争决 定。在相干旋转模型中，认为金属玻璃 带在平行于带宽方向的大磁场下退火， 产生一横向的易磁化轴，假设是一级单 轴各向异性，自发形变的各向异性能为 丘，c o s 2 0 ，其中，k ， 0 ，0 是磁化强度矢 量( 假设仍在带平面内) 和带长方向的 夹角，无外加磁场和应力时，磁畴分布 ( a ) fj f m jl m a ? 孓 厶 l 】 图2l 如图2 1 a ，纵向磁场h 使磁化强度矢量从带宽方向转向长度方向图2 1 b 。产生磁 场能量密度- - m = h c o s0 ，式中m 。是单位体积磁畴的磁化强度矢量。设在磁化方向的 自发磁致伸缩应变为 ：，在垂直方向是一 。2 ，因此，随着磁化矢量从宽的方向 转到长方向，纵向应变e ，从一 。2 变到 。，得到纵向应变为 s = 孚( c o s 2 口一尹1 ( 2 _ 1 ) 找出能量最小的日角，将得到磁致伸缩与磁场的关系。由前面知总的自由能为 f = e c o s 20 一m ，h c o s o( 2 2 ) 由最小能量原理，令 等- - - - 2 k ，s i n0 c o s 0 + m ，h s i n 0 = 0( 2 3 ) a 目 6 得到 c o s 0 ：婴：昙 ( h h a ) ( 2 4 ) 2 k 。hd 式中h a = 2 k ，m 。，是各向异性场。将( 2 2 4 ) 式代入( 2 2 1 ) 式得 s = 孚一争= 孚舞一争 她s ， 此式即是金属玻璃的磁致伸缩与外加磁场的关系式。 2 2 2 应力对磁致伸缩的影响 电子科技大学硕士论文 设在金属玻璃带上施加一纵向应力。，产生的应力能为一! 当仃c o s 2 p ，净各 向异性能变为( k ，一妄 ，盯) c o s 2 0 ，当t 盯 o 时- 即张应力施加在正磁致伸缩材料上 或压应力旌加在负磁致伸缩材料上，使各向异性能减小，导致磁致伸缩加大。当 五，d q ，磁场在磁致伸缩换能器产生的相移由d c 、o 、2 q 、2 u 、 o 等分量组成。其中。、。q 分量的相移为 丸：掣以 ( 3 2 2 ) 丸+ 0 2 n k m , c , h 。日。 ( 3 2 3 ) 高频调制磁场将直流和低频传感信号上变为u 及边带u q 上。设在频率范 围( ( 1 ) 一q ) 2 ( v ( u + q ) 2 每单位带宽的最小可测干涉仪相移为 妒。，矿，最小可测磁场为 ! 壁垒2 鲤：堡! 圭坌2 。! ! 垒!( 3 2 4 ) 0 v 2 n t d c 玎n 驷。1 最小可测磁场反比于传感光纤长度，有效磁致伸缩系数，高频调制磁场幅度， 当： 弹善= 11 4 ，= 1 1 0 5 t 2 ，h 。= 5 t , y = 1 0 0 0 h z ，蛾2 o r e 庐胁_ 1 l 。_ 6 删时，计算得到 訾= 1 1 4 7 x 1 0 - 。t 压。 3 3 峰一峰值法信号检测 前面已经表明m - z 干涉仪在工作在正交工作点时系统的灵敏度最龌是， 由于它对外界影响特别敏感，工作点酌稳定在灵敏度最高点是极其困难的，本文 采取了动态移动工作点的方法来测量高灵敏度的光纤磁场传感器的信号，此方法 经实验证明是可行的。为了说明此方法我们先分析光纤m z 磁场传感器的输 电子科技大学硕士论文 出信号特点。 3 3 1 输出信号特点 设有直流磁场h 。和交流磁场h 。s i n ( ( 1 】t ) 加在磁致伸缩材料上。则由( 3 1 9 ) 一 ( 3 1 0 ) 式可知其输出是含有直流、频率为u 和2 。的交流分量，在小信号调制时， 其幅值与磁场大小和m z 干涉仪的工作点有关。在同样磁场的情况下，在不同的 工作点，干涉仪的输出信号幅度不同。高灵敏度的m z 干涉仪对环境的变化如 温度、振动等敏感。外界的微小变化都会影响干涉仪的工作点，因此，即使外加 磁场不变，干涉仪的信号输出幅度也是随时间变化的，其幅度的变化在晟大值与 零之间，当干涉仪于相位灵敏度最大点时，输出信号幅度最大。根据干涉仪处于 最佳工作点时，输出交流信号幅度最大的特点我们可以通过检测m z 干涉仪 输出的交流信号幅度来测量磁场。 3 3 2 测量原理 由于外界干扰是随机的，其引起的工作点移动是无规则的，必须采取措施移 动工作点，以保证在测量时间内相位变化经过最佳工作点。作者利用p z t 来达到 这目的，在p z t 上加一个慢变的锯齿波信号改变相位，传感器的工作点随锯齿 波电压改变。在磁致伸缩上加个较高频率的交流调制磁场，此时m z 干涉仪 的位相变化是一个缓慢的变化和一个快速变化的叠加，其输出是幅度随时闻变化 的交流信号。选择锯齿波电压，使在锯齿波周期内，干涉仪相位移动1 8 0 。以上， 则若无外界突变的干扰，干涉仪将过相位最敏感点，给出最大的输出信号。因此， 比较锯齿波周期内输出信号的幅度，当幅度最大时，m z 干涉仪就处于最佳工 作点，此时同样的磁场变化引起信号幅度变化最大，即探磁灵敏度最高。 同时，还可以用直流磁场来抵消地磁或确定最佳偏置直流磁场，即找出磁致 伸缩材料的最敏感位移点。传感器的直流磁场由地磁( 包括其它外部直流磁场) 和偏置磁场组成，在改变偏置直流磁场的同时测量传感器输出，输出最小时，传 感器中的直流磁场为零，对应地磁被抵消；输出最大时，对应磁致伸缩材料处于 最佳工作点。 电子科技大学硬士论文 3 , 3 3 检测电路 下图是信号检测电路，探测器将接收到的光信号转变为电信号，经前置放大、 图3 3 光纤撇弱磁场传感牿榆测电路 差分放大、低通滤波、再放大、经a d 采样后送入计算机进行信号处理。 3 3 4 信号处理 根据上面的原理可知，只需要检测出每一次扫描周期内的峰峰值，就可以知 道磁场的大小。图3 j 是根据上述原理及检测电路采集到的信号波形。由图3 , 4 ，漤鬻渗一蒋辫藕 、 、 ，上垂墅匦固 图3 4 传感器系统输出波形 爹黪j 。 可见，每个p z t 扫描周期内，传感器输出波形约有两个峰峰值输出，这是因为扫 描电压相对比较大的原因，可以适当减小扫描电压，使每个扫描周期内，只出现 一个峰峰值输出，但其实并无必要，只要保证计算机每次处理的采样信号中最少 有一个峰峰值就可以了，适当增大扫描电压或减小扫描周期就可以让计算机减少 采样时间，使系统响应时间减小。但这种测量方法只能用于微弱的磁场信号，当 2 3 一_ _ - _ - - _ _ l - _ _ - _ - _ - - 一_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - h _ 。一。+ - 。，一 电子科技大学硕士论文 信号较大时，传感器线性化程度变差。下图就是传感器的测量线性曲线。 e y 箨 越 耋 婴 嚣 l ( r r # ) 图3 5 传感器电流与输出磁场曲线 可见，当所加电流约等于一个地磁场( 对于我们使用的螺旋管，加4 个m a 的电流即可产生一个地磁场幅度大小的磁场) 的大小时，传感器线性已经变差， 这是因为当被测磁场较大时，已经不能再用峰一峰值检测的方法了，继续应用此 法只能采取修正的方法来减小测量误差。 经过多次试验证明，此法当被测信号很小时适用，精确度较高，当信号变大 时不再适用。 3