【摘 要】
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磁场作为一个基础物理量与人类生活息息相关,它既有强度上的大小,也有方向上的不同。目前,用于探测磁场的磁场传感器已经被广泛地运用在在工业、军事和生物医学等方面。传统的磁场传感器多是电学式传感器,主要存在占用空间大、成本高、抗电磁干扰弱等弊端,而光纤磁场传感器已经成为了下一代全光传感器网的关键部分,具备集成度高、敏感度高、抗电磁干扰能力强等优势,并且便于集成复用在现有全光传感网络当中,以达到更高效、高
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磁场作为一个基础物理量与人类生活息息相关,它既有强度上的大小,也有方向上的不同。目前,用于探测磁场的磁场传感器已经被广泛地运用在在工业、军事和生物医学等方面。传统的磁场传感器多是电学式传感器,主要存在占用空间大、成本高、抗电磁干扰弱等弊端,而光纤磁场传感器已经成为了下一代全光传感器网的关键部分,具备集成度高、敏感度高、抗电磁干扰能力强等优势,并且便于集成复用在现有全光传感网络当中,以达到更高效、高速的组网磁场监测。基于此,本论文针磁场传感的应用需求,设计了基于微纳光纤耦合器干涉仪（Optical Microfiber Coupler Interferometer,OMCI）的折射率调控型光纤磁场传感器,并开展基于光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）的磁致伸缩效应型光纤磁场传感器的研究,其主要研究内容如下:（1）首先对光纤磁场传感技术的研究进展进行综述,对比了电学式磁场传感器和光纤式磁场传感器的优缺点,并对法拉第旋光效应型、安培力光电混合型、原子自旋光泵型、折射率调控型、磁致伸缩集成型、等光纤式传感结构的优缺点进行总结对比,分析了不同类别光纤式磁场传感器的应用前景。（2）提出一种基于OMCI和磁流体的反射式折射率调控型光纤磁场传感器结构,通过光纤耦合的光场传输机理和微纳光纤的折射率调控理论对传感器的输出进行理论公式推导,并通过数值分析计算的方法仿真分析了OMCI传输光谱和其结构参数的调控关系,同时,对提出的折射率调控型传感器磁场响应、温度响应进行了仿真对比。仿真结果表明,输出光谱的干涉特征波峰随着磁场的增大而红移,并随着温度的升高而蓝移。仿真的结果为该类型的光纤磁场传感器提供了设计基础和理论基础。（3）通过实验设计了所提出的OMCI折射率调控型光纤磁场传感器,利用聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane,PDMS）将微纳光纤耦合器（Optical Microfiber Coupler,OMC）和磁流体（Magnetic Fluid,MF）封装。此外,对不同OMCI结构参数下的传感器样品进行了性能测试和验证,实验结果与仿真基本相似,并实现了96.8pm/Oe的磁场灵敏度和-919.1pm/℃的温度灵敏度,在二维X-Z平面实现了周期为180°的矢量磁场传感,所测的响应时间为998ms,磁场探测能力为0.103Oe（10.3u T）,达到国际地磁量级标准（10μT～100u T）的磁场传感。同时,利用灵敏度矩阵解调的方法对传感器的磁温响应结果进行分析,解调结果表明该传感器不仅不需要温度补偿,还能够精确解调温度,解决了光纤磁场传感器在工程中长期存在的的温度敏感交叉难题。（4）研究了一种基于FBG的磁致伸缩效应型光纤传感器,分析了基于磁致伸缩效应的传感机理和基于FBG级联阵列的磁温双参量解调方法,并通过仿真及实验验证了该类型传感器的磁温响应特性。实验数据结果表明该类型传感器的磁场灵敏度为0.21pm/Oe,在温度方面获得-10.2pm/℃的灵敏度。同时,所提出的该类传感器在X-Z、Y-Z平面实现了周期为180°的矢量磁场传感,而在X-Y平面特征波长未发生位移。这为未来利用二维探头集成制作三维矢量磁场传感器提供了可选的方案。本论文所研究的光纤磁场传感器具有灵敏度高、制作简单、成本低、集成度高等优点,在可穿戴安全环境监测和海洋磁场组网探测等场景具有重要的应用潜力。
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