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光—磁基弱磁测量传感器技术研究
作 者: 胡佳飞
导 师: 陈棣湘
学 校: 国防科学技术大学
专 业: 仪器科学与技术
关键词: 巨磁致伸缩 光纤磁传感器 换能器 镀膜 光纤干涉仪 相位解调
分类号: TP212
类 型: 硕士论文
年 份: 2008年
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内容摘要
本文主要研究基于巨磁致伸缩(GMS)效应的磁传感器的相关技术,致力于提高光纤磁传感器的灵敏度,减小换能器的体积,增加整个系统的稳定性。根据磁化矢量MS旋转的原理,对Livingston相干旋转模型进行了理论推导,并以此为基础分析了外加磁场方向与磁致伸缩的关系,指出了材料的磁致伸缩主要取决于外加磁场在垂直于易磁化矢量且平行于形变考察方向上的分量,在磁性材料未饱和磁化的情况下,材料中杂质和应力的钉扎效应和磁化矢量的不可逆旋转是造成磁滞效应的主要因素,在此基础上推导了磁畴壁位移与磁致伸缩的关系式,说明了磁滞对磁致伸缩的影响。分析了四种传统的巨磁致伸缩材料与光纤耦合结构,分别指出了它们各自的优缺点,通过改进外套耦合结构得到了换能系数大、负载效应小、灵活性强的巨磁致伸缩材料/光纤镀膜耦合结构,并且进一步分析了该耦合结构的负载特性和形变与输出相位之间的关系,在此基础上指出了采用跑道型结构的换能器具有更好的相位输出特性和方向性。尝试采用蒸镀方法制作巨磁致伸缩材料/光纤耦合结构,对镀膜工艺进行了探索,并利用悬臂梁结构进行了TbDyFe薄膜磁致伸缩性能的测试。通过分析不同光纤干涉仪的特点,指出马赫-曾德尔(Mach-Zenhder)光纤干涉仪比较适合于测量巨磁致伸缩换能器在磁场中的形变量。介绍了Mach-Zenhder光纤干涉仪在作为整个传感器测量环节时的结构以及相位正交的PI控制方法,然后具体分析了Mach-Zenhder光纤干涉仪的相位解调算法,并利用数字化的手段改进原有的算法,在自行搭建的Mach-Zenhder干涉测量系统上进行了相关测试。介绍了相位载波解调算法与3×3耦合器解调算法的基本原理,指出3×3耦合器解调算法具有结构简单、计算方便的优点,仿真结果显示其还具有更高的解调精度。在自行搭建的Mach-Zenhder干涉测量系统上进行测试,验证了该干涉测量系统在本文所述磁测方案中的可行性。
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全文目录
摘要 9-10 ABSTRACT 10-12 第一章 绪论 12-21 1.1 课题研究背景与研究意义 12-18 1.1.1 磁传感器的研究背景 12-14 1.1.2 各种磁传感器的主要特点 14-17 1.1.3 光纤干涉弱磁传感器的研究意义 17-18 1.2 光纤磁传感器技术国内外研究现状及发展趋势 18-19 1.2.1 光纤磁传感器技术国外研究现状 18 1.2.2 光纤磁传感器技术国内研究现状 18-19 1.2.3 存在的主要问题及发展趋势 19 1.3 本文的主要工作及安排 19-21 第二章 磁致伸缩与磁滞原理 21-31 2.1 磁致伸缩原理 21-26 2.1.1 磁致伸缩效应产生机制 21 2.1.2 磁弹性应变计算 21-23 2.1.3 磁致伸缩计算 23-24 2.1.4 磁致伸缩与外加磁场的关系 24-26 2.2 磁滞成因及对磁致伸缩的影响 26-30 2.2.1 磁滞的主要形成机理 26-29 2.2.2 磁滞对磁致伸缩的影响 29-30 2.3 本章小结 30-31 第三章 基于巨磁致伸缩效应的光纤磁传感器 31-54 3.1 换能器设计 31-45 3.1.1 GMM 与光纤的选择 31-32 3.1.2 GMM 与光纤的耦合形式 32-34 3.1.3 TbDyFe 薄膜的磁致伸缩性能测试 34-36 3.1.4 GMM/光纤镀膜耦合负载分析 36-42 3.1.5 GMM/光纤镀膜耦合结构形变与相位输出关系 42 3.1.6 换能器的结构 42-45 3.2 测量环节设计 45-53 3.2.1 干涉仪的类型 45-49 3.2.2 基于M-Z 干涉仪的测量环节 49-50 3.2.3 相位正交控制 50-53 3.3 本章小结 53-54 第四章 相位解调技术的研究 54-65 4.1 PGC 解调算法与3×3 耦合器解调算法 54-59 4.1.1 PGC 解调算法 54-56 4.1.2 3×3 耦合器解调算法 56-57 4.1.3 PGC 与3×3 耦合器解调算法的仿真对比研究 57-59 4.2 数字化相位解调算法 59-61 4.3 相关实验研究 61-64 4.4 本章小结 64-65 总结与展望 65-67 致谢 67-68 参考文献 68-70 作者在学期间取得的学术成果 70-71 附录A 实验系统照片 71-72
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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器(变换器)、传感器
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