基于偏振效应的磁场测量方法的研究

【摘要】电磁环境的检测一直是环境科学的一个重要的研究领域,其对于科学研究、工业生产、居民生活乃至国防安全等各个方面都具有重大的意义。现代电磁环境是多种电磁能量共存并且相互作用的环境,这些电磁能量可以简单地分为自然和人为两大类。传统的电磁场或是电磁脉冲的测量,主要依靠电学的方法,利用电偶极子和磁偶极子等各类天线作为测量的传感单元。测量稳定可靠并且技术成熟,但是其馈线容易感应产生强的涌浪电流,可能导致监测终端设备的损毁。光纤光栅传感是20世纪80年代发展起来的新兴传感技术,具有光学测量的高灵敏度、高精确性、抗十扰、耐腐蚀等诸多优点,对于温度、压力、应力等参量具有非常好的测量性能,已经广泛地应用于航空航天、健康监测、资源探索、医药卫生等各方面。鉴于光纤光栅传感的优良特性,很多学者都尝试将其应用于磁场的测量领域,利用电磁场中电场与磁场的相互关系,达到测量电磁场的目的。如将磁致伸缩材料涂敷于光纤光栅测表面,或是将其内嵌于光纤光栅的纤芯,利用机械效应测量磁场。虽然,利用磁致伸缩材料能够通过光纤光栅来测量磁场,但是,毕竟机械的测量方法的测量精度会随着时间的推移而下降,而且会影响传感头的使用寿命。因此,新的光纤光栅磁场测量方法的研究就显得更为重要。基于偏振效应的磁场测量方法,是以光纤材料的菲涅尔效应和以法拉第效应为代表的磁光效应为理论基础,由于处于磁场中的光纤光栅中存在圆双折射,左旋和右旋圆偏振光的偏振相关损耗、差分群时延和偏振模色散等偏振参量将与磁场之间的关系,通过测量偏振参量来测量磁场。从光纤光栅传感的基本理论与传统方法出发,介绍了光纤光栅温度、应力、压力传感的原理与各种传感器的结构；引出光纤光栅法拉第效应的本质——圆双折射；分别从测量原理、测量性能和交叉敏感的研究解决等方面,详细介绍并研究了基于偏振相关损耗和差分群时延的磁场测量方法；提出了基于偏振模色散的新的磁场测量方法,并对其测量性能进行了研究与比较。得到的结论为：在小磁场条件下,三种测量参量都能与磁场的大小保持良好的线性关系,但是测量的灵敏度与线性范围必须折中考虑；光纤纤芯的折射率、光栅周期和折射率调制深度等光纤光栅的参数会影响测量的性能；温度和应力不会影响测量的精度但会加大测量的难度；变化的压力会严重影响测量的性能；光纤光栅内应力在高精度测量时必须予以考虑；相较于偏振相关损耗和差分群时延,偏振模色散的测量方法具有更宽的线性范围和更平滑的测量曲线。
【作者】何亚蓉；
【导师】葛海波；
【作者基本信息】西安邮电大学，电路与系统，2013，硕士
【关键词】光纤光栅；磁场测量；偏振相关损耗；差分群时延；偏振模色散；

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