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干涉型光纤磁场传感器稳定性研究

干涉型光纤磁场传感器稳定性研究

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作者：薛青上海交通大学

学位级别：硕士

干涉型光纤传感器因其灵敏度高、动态范围大、使用方便、抗干扰能力强等优点,而成为光纤传感器研究的一个重要组成部分。但要将其实用化需要解决偏振态变化和相位随机漂移导致的信号衰落问题,使输出信号稳定。 Mach-Zehnder结构和Michel... 详细信息

干涉型光纤传感器因其灵敏度高、动态范围大、使用方便、抗干扰能力强等优点,而成为光纤传感器研究的一个重要组成部分。但要将其实用化需要解决偏振态变化和相位随机漂移导致的信号衰落问题,使输出信号稳定。 Mach-Zehnder结构和Michelson结构是其中十分典型的两种干涉型光纤传感器。Mach-Zehnder结构的光纤磁场传感器受光偏振态随机变化的影响较大,稳定性较差。我们使用法拉第旋转镜代替传统Michelson干涉仪末端的反射镜,较好的解决了“偏振诱导信号衰落”。结果表明,该方法简单有效,无需任何其它附加的光信号处理,就得到了与偏振无关的Michelson光纤干涉仪。本文使用了直流相位跟踪法消除由相位随机漂移引起的信号衰落。引入线性系统理论对直流相位跟踪检测法进行分析,得到了反馈控制系统的传递函数为一阶高通的滤波器的特性。针对,PZT容性负载的特点,加入了隔离器,避免了系统的自激。使用了带阻滤波器,代替了传统的低通滤波器,也得到了很好的效果。由相应实验系统得到的结果表明:直流相位跟踪法有效地解决了相位随机漂移导致的信号衰落问题。经过大量实验和测试,通过对各模块电路及整个传感器系统的分析和调试,使系统在稳定性及测量弱磁场能力等方面取得了很大的进展。根据实际测试与分析的结果,我们得到偏正相关稳定度α≥97.7736%,系统最后输出电压的波动率γ≈0.039,单位时间系统输出电压的波动率为η≈1.1×10?6,可定量探测到的最小磁场达到10nT。

关键词：光纤磁场传感器干涉型光纤磁场传感器偏振衰落直流相位跟踪

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基于软件解调方法的干涉型光纤传感器信号处理研究

基于软件解调方法的干涉型光纤传感器信号处理研究

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作者：陈菽莹上海交通大学

学位级别：硕士

干涉型光纤磁场传感器涉及光电子学、材料学、信号处理、加工工艺等多个学科领域。由于干涉型光纤磁场传感器具有灵敏度高、动态范围大、抗干扰能力强、成本低等优点,有广泛的应用前景和发展潜力,是当今磁场传感器技术研究领域的一个热... 详细信息

干涉型光纤磁场传感器涉及光电子学、材料学、信号处理、加工工艺等多个学科领域。由于干涉型光纤磁场传感器具有灵敏度高、动态范围大、抗干扰能力强、成本低等优点,有广泛的应用前景和发展潜力,是当今磁场传感器技术研究领域的一个热门方向。干涉型光纤微弱磁场传感探头的灵敏度很高,因此对信号处理模块提出了相应的要求。一个设计良好的信号处理模块应该能很好地还原传感器探头所探测到的信号,并较少地引入噪声。而通常采用的硬件信号检测方法具有不灵活和局限性,特别是额外的引入了电噪声,所以本文考虑用软件的手段进行信号检测。由于系统噪声对传感器输出光信号会产生相位漂移,所以如何抑制系统噪声是信号检测的关键所在。干涉型光纤磁场传感器的系统噪声包括外界环境引入噪声和光源噪声、光纤热噪声、散弹噪声以及光电探测器噪声等本底噪声。本文详细分析和评估了这些噪声的来源及对输出信号相位影响的机理。其中,光纤热噪声、散射噪声是传感系统中对灵敏度(即最小可测相位)影响最大的起伏噪声,为此,本文提出了基于自适应谱线增强技术的滤波方案,对干涉型磁场传感探头现场获得的差分输出信号进行采样,将采样数据通过自适应谱线增强器滤波,利用波形中的三个相位点确定直流、基波、二次谐波分量等参数,实现被测磁场信号的软件解调。由于自适应谱线增强技术是一个通过时间延迟和多次迭代实现噪声滤除的方法,可以有效滤除光纤热噪声和散弹噪声等系统宽带白噪声。同时,在频域上,它是一个带宽可调的窄带滤波,可以动态跟踪光纤传感器谐振工作点,克服了硬件实现中带通滤波器中心频率受限的弱点。实验表明,自适应谱线增强器模块对系统本底噪声有很好的抑制作用,与未采用该模块相比,减少了13dB。同时,我们发现,解调线性度优于未经过滤波模块的结果,使光纤传感器灵敏度达到5.22×10 ?3mV nT。信号处理软件化的方法不仅设计参数灵活易调节,而且能抑制系统噪声的影响。本文结合传感网络的趋势,提出将基于软件解调方法的干涉型光纤传感器信号处理系统虚拟仪器化的思想,结合计算机的高性能处理能力,即可将信号处理系统处于远距离的监控中心进行实时测量,此为今后课题研究方向的一个参考。

关键词：干涉型光纤磁场传感器信号检测最小可探测相位系统噪声自适应谱线增强器软件解调灵敏度

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干涉型光纤弱磁传感器解调系统稳定性研究

干涉型光纤弱磁传感器解调系统稳定性研究

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作者：都智刚上海交通大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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2.5×10V/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。

关键词：光纤传感技术干涉型光纤磁场传感器稳定性三维矢量磁场相关解调反相放大技术

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