论文摘要
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。