（电工理论与新技术专业论文）fbggmm电流互感器磁路设计与动态特性研究.pdf

哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 m a g n e t i c c i r c u i td e s i g na n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ff b g g m mb a s e do n c u r r e n tt r a n s f o r m e r a b s t r a c t i ti san e wa t t e m p tf o rc u r r e n tt r a n s f o r m e rb a s e do ng i a n tm a g n e t o s t r i c t i v e m a t e r i a l ( g m m ) a n df i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) g m m f b gc u r r e n tt r a n s f o r m e r w i t hf e r r o m a g n e t i cl o o pi sd e s i g n e db a s e do nt h em a g n e t o s t r i c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o fg m m b yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d m a g n e t i cc i r c u i ts y s t e mw i t h o u tb i a sm a g n e t i cf i e l di so p t i m i z e db yf i n i t e e l e m e n tm e t h o d t h ee f f e c t so ft h ed i m e n s i o n so fg m ma n df e r r i m a g n e t i s mo n m a g n e t i cf i e l da r es t u d i e d t h ed i m e n s i o n so fg m ma n df e r r i m a g n e t i s ma l e o b t a i n e da c c o r d i n gt ot h eu n i f o r ma n dm a g n i t u d eo ft h em a g n e t i cf i e l d t h e n u m e r i c a lr e l a t i o nb e t w e e ne x c i t i n gc u r r e n ta n dm a g n e t i cf i e l di ng m mi s d e d u c e di nt h eo p t i m i z e ds y s t e m t h em e a s u r e m e n tr a n g eo fc u r r e n ti sl i m i t e db y l i n e a r i t yr a n g eo fg m m ，s o a l la d j u s t a b l ea i rg a pi ss e ti nm a g n e t i cc i r c u i t t h e n u m e r i c a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea i rg a pa n dt h em e a s u r e m e n tr a n g eo fc u r r e n t i sd e f i n e d 乃er a t i o n a l i t yo ft h ed e s i g n e ds t r u c t u r ei sq u a l i t a t i v e l ya n a l y s e db y 2 一ds i m u l a t i o n ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne x c i t i n gc u r r e n ta n dm a g n e t i cf i e l di s a c c u r a t e l yc a l c u l a t e db y3 ds i m u l a t i o n p e r m a n e n t m a g n e t s w h i c ha r es e ti nm a g n e t i cc i r c u i tt op r o v i d eb i a s m a g n e t i cf i e l df o rg m m a l ed e s i g n e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o db a s e dw i t h o u t b i a sm a g n e t i cf i e l do p t i m i z a t i o n t h ec h a r g em a g n e t i s ms i z ea n dc r o s s - s e c t i o n a r e ao fp e r m a n e n t - m a g n e t sa r eo p t i m i z e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d p e r m a n e n t - m a g n e t sh a v et h es a m ec r o s s - s e c t i o n a la r e aa ss i l i c o ns h e e t ，i t sc h a r g em a g n e t i s m s i z ei s1 8 m m 。w h i c hc a np r o v i d e3 0k a m b i a sm a g n e t i cf i e l df o rg m m i n t h i ss y s t e m ，t h es t a t i co p e r a t i n gp o i n to ft h es e n s o ri sc h a n g e db ya d ju s t i n gt h e c h a r g i n gm a g n e t i s md i m e n s i o no fp e r m a n e n t - m a g n e t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne x c i t i n gc u r r e n t t t 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 a n dm a g n e t i cf i e l di ng m mi sa c c u r a t ei n3 - ds i m u l a t i o na n ds e t t i n gm e t h o do f p e r m a n e n t - m a g n e t sc a np r o v i d ee n o u g hb i a sm a g n e t i cf i e l df o rg m m b e c a u s et h eh a r m o n i cf r e q u e n c yo fg m mf r e eb a ri sr e l a t e dt oi t sd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s a m p l i t u d e - f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n ts t r u c t u r eg m mi s a n a l y s e dw i t hm o d a lt h e o r yb ya n s y s t h eh a r m o n i cf r e q u e n c ya n df r e q u e n c y b a n d w i d t ho ft h eg m ma r ei n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lt oi t sl e n g t ha n dh a v en o t h i n g t 0d ow i t l li t sc r o s s s e c t i o n a la r e a t oa v o i dt h er e s o n a n c eo ft h es y s t e mi n r u n n i n g ，g m mb a rw i t h 15 m m 3 m mx3 m mi s s e l e c t e d 。w h o s eh a r m o n i c f r e q u e n c yi s3 2 4 k h z t h es t r a i no fg m m d o e sn o tc h a n g ew i t ht h ef r e q u e n c yi n t h ef r e q u e n c yr a n g eo f5 0 h z l0 0 0 h zi ne x c i t i n gm a g n e t i cf i e l de x p e r i m e n t ， w h i c hc a np r o v et h ev a l i d i t yo fm o d a la n a l y s i si nl0 0 0 h z k e y w o r d sg i a n tm a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l ，c u r r e n tt r a n s f o r m e r , m a g n e t i c c i r c u i t d e s i g n a n d o p t i o p t i m i z i n g ，a m p l i t u d ef r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c s i i i - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文( f b g g m m 电流互感器磁 路设计与动态特性研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明 部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人 承担。 作者躲丝岍 吼叫年v 月z 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 ( f b g g m m 电流互感器磁路设计与动态特性研究系本人在哈尔滨理 工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究 成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发 表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授 权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布 论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密函。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 导师签名： 纽陟彳 冰 日期：矗彤年垆月2 日 日期：w 年午月0 日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 电流互感器( c u r r e n tt r a n s f o l m e r ，c t ) 是电力系统最普遍、最基本的高压设 备之一。它的职能就是对电力系统中最基本的物理量之一电流的测量，因而它 的可靠性、测量准确度与电力系统的安全可靠和经济运行密切相关。随着科学 技术的发展，大容量发电机组的投入和输电电压等级的提高成为现代电力系统 发展的必然趋势，这就要求c t 的绝缘等级越来越高、动态范围越来越大。而 常规的电磁式c t 受自身原理的局限，主要存在两方面难于克服的问题n 一1 ：一 是绝缘问题。随着电压等级的提高，电磁式c t 绝缘越来越困难，费用昂贵； 二是铁芯磁饱和问题。传输容量的增加，分裂导线的使用，导致线路故障时短 路电流加大，非周期的直流分量衰减更慢，更容易引起电流互感器的暂态饱 和。此外，电磁式c t 还存在着充油易爆炸、二次负荷不能开路、易受电磁干 扰、体积大的问题。在这种背景下，寻求更理想的新型电流互感器势在必行。 利用光学传感技术测量电流已经成为研究热点，主流技术有基于法拉第磁 光效应的全光纤及磁光玻璃传感元的传感方案“1 ，光电混合式解决方案及磁致 伸缩与光纤混合式解决方案嵋一1 。光学电流传感技术有其优点，但是也存在一定 的问题，难以实现工程应用。超磁致伸缩材料( g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l ， g m m ) 和光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) 的出现为研究新型电流传 感器提供了一个契机。 t e r f e n 0 1 d 稀土合金是美国依阿华州阿姆斯实验室于8 0 年代首先研制成功 的新型超磁致伸缩材料，具有比传统的磁致伸缩材料高几十倍的伸缩系数，响 应时间小于1 邺h 1 ；比压电陶瓷( p z t ) 更宽的温度应用范围，目前在各种微驱动 领域的应用研究十分活跃哺一。光纤布拉格光栅是光纤通过紫外光照射，使纤 芯折射率发生周期性变化而形成的芯体布拉格光栅，对入射的宽带光中满足布 拉格条件的窄带光谱以9 0 以上的反射率反射，窄带反射谱的中心波长由 f b g 的有效折射率和周期决定。物理量如应变、韫度会改变f b g 的周期或折 射率，使这个中心波长( 称为布拉格波长) 发生漂移n 们。将f b g 粘贴于g m m 棒 上，并将之置于导线电流产生的磁场中，g m m 产生的应变被f b g 感知，由光 谱解调系统解调波长变化量则可测知电流量。基于g m m 磁致伸缩系数大， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 f b g 传感可靠等优点，将g m m 与f b g 组合( 简称为g m m f b g ) 作为传感器 进行电流传感，可能会推进电流传感技术进展。 目前，国内的研究集中在应用g m m f b g 组合结构进行直流电流测量的 研究一厶n 1 ，这是由于f b g 传感在过去多用在多波长复用对缓变物理量测量， 而f b g 高频率地伸缩形成的波长高速变化的解调是一个正在研究的课题。 s a t p a t h id 和r e i l l yd 分别于2 0 0 3 年和2 0 0 4 年报道了应用g m m f b g 组合进 行交流电流传感的研究n 埽1 ；陈超等人于2 0 0 7 年报道了将g m m 和f b g 组合 构成的传感元置于螺线管中实现交流电流传感“们。至目前为止对于g m m f b g 电流传感的研究主要集中在将传感元置于螺线管中，尚无人从工程应用的角度 展开对g m m f b g 电流传感的研究。 近几年来对g m m 的研究主要集中在超磁致伸缩致动器的结构设计n 、磁 路设计n 鲫和静态特性啪1 等方面。动态特性的研究集中于动态理论的建立船、 动态特性的建模方法瞄1 、理论仿真1 ，在动态实验方面主要研究g m m 致动器 的动态特性，由于g m m 棒太长，使其谐振频率过低，频宽较窄晗3 硎1 。 因此本文构建了一种可应用于工程电流检测的电流互感系统，该电流互感 系统基于g m m 的磁致伸缩特性和f b g 的应变传感原理，利用波长相关器件 的线性边带实现对g m m f b g 组合体系在5 0 h z 交流电流下响应的动态解调， 确定了系统的灵敏度和测量范围；在理论上分析了g m m 的谐振频率与棒长和 截面积大小的关系；在实验上对g m m 进行幅频特性的研究，实验结果与理论 仿真一致，为实现g m m 在工程上的应用打下了很好的基础。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 电流互感器的研究现状 基于磁致伸缩材料和光纤组合的传感方案已进行了二十年的研究工作。该 类传感器通常在磁致伸缩材料圆柱体的圆周上绕以光纤、磁致伸缩材料上粘贴 光纤或在光纤表面上镀上一层均匀的磁致伸缩材料金属膜。早在1 9 8 0 年y a r i v 等人就提出了采用镍涂层作磁性材料的光纤m - z 磁场传感器。美国的n a d e r - r e z v a n in 、l a r s o ndc 和捷克的s e d l a rm 等利用m z 干涉仪基于磁致伸缩效 应的电流测量，取得了实验室阶段性的结果汹+ 她2 。由于m z 干涉原理需要信 号传输光纤和信号参考光纤，因两者参数不可能完全相同，不易消除干扰。姚 寿铨、李智忠等提出全保偏m - z 型干涉的光纤磁场传感系统，在保偏光纤上 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 镀膜代替目前普遍采用的在光纤上粘贴磁致伸缩材料块，或在光纤上涂敷磁致 伸缩材料，提高了磁致伸缩材料与光纤的附着性能，并选用保偏光纤耦合器和 保偏光纤偏振器构成了包括传感部分在内的全保偏的m z 型光纤传感系统， 解决了系统偏振稳定性问题啪剐。王廷云等将光纤缠绕在管状磁致伸缩材料 上，提出利用f a b r y p e r o t 干涉法设计光纤电流传感器，将传感光纤缠绕在磁 环上，让参考光纤与传感光纤合并为一根光纤，提高传感器的精度和抗干扰能 力，在l m a , - , 1 2 0 m a 的测量范围内，传感器的精确度达0 2 0 。2 0 0 2 年王廷云 实现了基于磁致伸缩效应光纤微分干涉电流传感器，该传感器可用于高精度、 高灵敏度电流和磁场的测量，在8 a - 2 0 0 a 的电流测量范围内，实验测量比差 约为0 5 ，最小检测电流为0 5 a ，但线性动态范围比较小，适合小电流的测 量。张学亮等对直流磁控溅射镀膜，磁致伸缩材料被覆在一段去掉保护层的保 偏光纤上，得到铽镝铁被覆保偏光纤结构的磁传感单元，采用m z 光纤干涉 解调法实现磁场传感1 。从理论上讲，光纤上涂磁致伸缩材料层具有高灵敏度 和高传输效率，但是要制做出光纤涂层均匀、具有良好的机械和磁场特性的磁 致伸缩材料是非常困难的，所以一般还要采用薄壁磁致材料筒单层缠绕光纤， 并用粘合剂固定的办法进行电流和磁场的测量，因而限制了它的应用前景。 f b g 被应用以来，国内外在应用f b g 电流( 磁场) 传感方面作了很多有益 的探讨口h 捌。f i s h e rne 等将传统的电磁式电流传感器的次级输出电压加在以3 管状结构的p z t 上，并将f b g 粘贴于p z t 管壁上，由m z 干涉仪解调f b g 的波长漂移，实现了一种组合式光学电流互感1 ，论文报告了传感信号幅度传 感精度，但它是将传统电流传感器集成在系统里。2 0 0 3 年s a t p a t h id 将f b g 粘贴在g m m 上置于导磁材料构成的回路中，由螺线管线圈绕组产生的直流磁 场作为偏磁场，采用线性边缘滤波器对f b g 信号进行解调，实现了对6 0 h z 交 流电流检测，该实验系统的电流测量范围为5 0 a 1 0 0 0 a ，其中2 5 0 a - 7 0 0 a 时 线性度较好n 们。2 0 0 4 年r e i l l yd 用螺线管组建了基于g m m f b g 电流传感系 统，采用钐钻磁体产生偏磁场，f p 可调滤波器作为解调系统，该测量装置可 以同时对交流电流和温度进行测量，测量范围分别为0 3 a 1 0 a 和 1 8 9 0 。2 0 0 6 年m o r aj 等在实验室进行模拟试验，将f b g 和g m m 应用 到高压电线对高压线温度和工频电流同时测量，把f b g 的输出信号转换成电 平信号通过电子频谱分析仪进行分析，理论值和模拟实验规律相符很好1 。国 内的南开大学、吉林大学、武汉理工大学等应用g m m f b g 进行电流或磁场 也相继开展了一些工作。2 0 0 0 年到2 0 0 2 年廖帮全、郭玉斌、张虎成、陈冠三 等先后将f b g 粘贴到g m m 上，利用光谱分析仪观察到直流电流形成的磁致 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 伸缩造成的f b g 中心波长的变化嘶一瑚1 。陈超等人于2 0 0 7 年报道了一种新型 光纤光栅f p 电流传感器系统的研究n 引，该方法是在一根光纤上制作两根参数 完全相同的f b g 将其缠绕在g m m 上置于螺线管中实现交流电流传感。 至目前国内用于g m m f b g 电流传感理论与技术的研究仅仅限于将 g m m f b g 系统暴露于螺线管产生的磁场内。国际上报道的g m m f b g 用于 工频交流互感的研究也仅仅从2 0 0 4 年开始，多集中于如何解决温度的影响。 近十年来虽然在驱动技术的角度研究g m m 的致动原理，但是尚无人认真地从 g m m 的致动原理角度分析5 0 h z 以上的磁场条件下g m m 的行为特性，也无 关于如何利用g m m 构建工程应用的互感系统的报道。 1 2 2 超磁致伸缩材料的研究及应用现状 1 2 2 1 超磁致伸缩材料的简介磁致伸缩材料是指具有磁致伸缩效应，即在可 变磁场作用下其尺寸和体积可发生相应改变的磁( 电) 一机械能转换材料，它的 饱和磁致伸缩系数以一般为1 0 - 6 数量级。超磁致伸缩材料是指具有大的饱和磁 致伸缩系数的一类磁致伸缩材料，其y 。一般大于3 0 1 0 - 6 。 超磁致伸缩材料基本可以分为三类：1 ) 传统金属与合金，包括纯镍、镍 钴合金和铁镍合金等，它们的饱和磁致伸缩系数为( 3 0 7 0 ) x1 0 - 6 ，机电耦合 系数毛3 为o 1 5 0 5 ；2 ) 非晶态合金，主要包括f e b 1 5 s i 5 、f e 6 6 c o l 2b 1 4 s i 8 等，其饱和磁致伸缩系数为3 0 x1 0 。4 5 1 0 - 6 ，机电耦合系数k 高达 o 6 8 0 8 2 ：3 ) 稀土铁系间金属化合物，包括t b f e ，、d y f e ，等二元稀土铁化 合物和t b 。，d y 0 ，f e ，等三元稀土铁化合物，三元稀土铁化合物r f e ，在室温和低 磁场下具有极大的磁致伸缩系数，数量级达到1 0 - 3 ，k 3 ，值达到0 6 甚至更大， 是近几年来发展起来的一种新型功能材料啪1 。 前两种称为传统磁致伸缩材料，其y 。值( 在2 0 x 1 0 - 6 8 0 1 0 - 6 之间) 过小， 没有得到推广应用。后来人们发现了电致伸缩材料，如( p b ，z r ，t i ) c o ，( 称为压 电陶瓷材料) ，其电致伸缩系数约为1 0 0 1 0 - 6 6 0 0 x 1 0 - 6 ，比传统磁致伸缩材 料大一个数量级，因此很快得到广泛应用：与压电材料( p z t ) 及传统的磁致伸 缩材料n i 、c o 等相比，超磁致伸缩材料具有独特的性能：室温下的磁致伸缩应 变量很大( 1 5 0 0 x 1 0 - 6 2 0 0 0 x 1 0 - 6 ) ，是镍的4 0 , - - 5 0 倍，是压电陶瓷的5 8 倍；能 量密度高( 1 4 0 0 0 2 5 0 0 0 j m 3 ) ，是镍的4 0 0 - 5 0 0 倍，是压电陶瓷的1 0 1 4 倍；机 磁( 电) 耦合系数大：响应速度快( 达到s 级) ；输出力大，可达2 2 0 - 8 8 0 n 啪1 。 1 2 2 2 超磁致伸缩材料的发展过程铁磁材料在磁场作用下发生长度或体积的 哈尔滨理工大学工学硕：i 二学位论文 变化，去掉外磁场后，其又恢复原来长度与体积的现象称做磁致伸缩。该现象 于1 8 4 2 年被j a m e sj o u l e 在镍( n i ) 中首先发现，也称焦耳效应。然而由于其应 变量为1 0 - 6 l f f 5 ，与热膨胀系数相差较小，使用范围仅局限于超声换能器方 面。 2 0 世纪4 0 年代，人们发现镍( n i ) 和钴( c o ) 等金属具有较大的磁致伸缩。6 0 年代初，l e g v o i d ，c l a r k ，r h y n e 等人发现重稀土元素铽( t b ) 和镝( d y ) 在4 2 k 的低温下显示出巨大的磁致伸缩效应( 磁致伸缩系数达8 1 0 。3 ) ，这种现象被称 为超磁致伸缩现象。但该现象仅在低温下才存在，因而无法在常温下使用“町。 6 0 年代末到7 0 年代初，美国水面武器研究中心的c l a r k 博士发现具有立方 l a v e s 相结构的二元稀土铁合金在室温下也表现出很大的磁致伸缩量，但这种 二元稀土铁合金的磁晶各向异性很大，需加很大的磁场，才能获得较大的磁致 伸缩，不利于材料的实用化。1 9 7 2 年，c l a r k 等提出用磁致伸缩符号相同而磁 晶各向符号相反的r f e 2 和r f e 2 组成补偿性赝二元化合物( 式中r 和r 分别为 不同的稀土元素) ，以保持材料有较大的磁致伸缩量，同时又降低其磁晶各向 异性，从而大大提高了m 嗄m 的实用性。 从7 0 年代中期开始，各国学者在研究材料成分对磁致伸缩影响的同时， 也展开了对g m m 制备工艺的研究。g m m 于1 9 8 7 年实现了商品化生产，典型 成分为t b x d y l x f e y 。式中：x 表示t b d y 之比，y 代表脐e 之比。美国前沿技 术公司1 9 8 9 年开始生产，其商品牌号为t e r f e n 0 1 d ，代表成分 t b 0 2 7 d y o 7 3 f e 2 。随后瑞典f e r e d y na b 公司也生产了牌号为m a g m e k 8 6 ，代表成 分t b o 2 7 d y o 7 3 f e l 9 3 ，日本、英国、俄罗斯和澳大利亚等国家也相继研究开发出 t b d y f e 2 并有少量产品销售。 我国作为稀土资源大国，开展这方面的研究较晚，但进展较为迅速。北京 科技大学、北京有色金属研究总院、冶金部钢铁研究总院、包头稀土研究所和 甘肃稀土材料有限公司等单位都在从事对该材料的研究，其主要性能指标都已 接近或达到国际同类产品的先进水平“。 1 2 2 3 超磁致伸缩材料的应用稀土超磁致伸缩材料是2 l 世纪战略性功能材 料。它的应用将引发一系列新技术、新设备、新工艺的出现，必将导致一些探 测、执行器的革新，使高技术产业达到更高的现代化水平。 g m m 器件的性能已被证明优于压电陶瓷等材料，在军民两用高科技领域 具有难以估量的应用前景。g m m 的伸缩尺寸可随外加磁场成比例变化，其磁 致伸缩系数大于传统的磁致伸缩材料。g m m 在室温下机械能电磁能转换效率 高、能量密度大、响应速度快、可靠性好、驱动方式简单，正是这些性能优点 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 引发了传统电子信息系统、传感系统、振动系统等的革命性变化。迄今已有 1 0 0 0 多种g m m 器件问世，应用面涉及航空航天、国防军工、电子、机械、石 油、纺织和农业等诸多领域，大大促进了相关产业的技术进步。预计未来 g m m 的主要应用领域有以下几个方面：在国防军工及航空航天领域，应用于 水下舰艇移动通讯、探测和检测系统、声音模拟系统、航空飞行器、地面运载 工具和武器等；电子工业及高精度自动控制等技术行业，用g m m 制造的微位 移驱动器可以用于机器人、超精密机械加工、各种精密仪器和光盘驱动器等； 海洋科学及近海工程业，用于海洋分布、水下地貌、地震预报等的勘测装置和 用于发射及接收声讯号的大功率低频声纳系统等；机械、纺织及汽车制造业， 可用于自动刹车系统、燃料注入喷射系统和高性能微型机械功率源等；大功率 超声波、石油业及医疗业，用于超声化学、超声医疗技术、助听器和大功率换 能器等。此外还可以用于振动机械、建筑机械及焊接装置、高保真音响等许多 领域心“1 。 综上所述，g m m 是一个很具有潜力的致动器件，具有很好的性能指标， 用于交流电流互感技术应该有很大的潜力。 1 3 光纤光栅传感和解调原理 1 3 1 光纤光栅的发展 光纤光栅是一种新型光纤无源器件。它在光纤中引入空间周期性的折射率 分布，使得人们可以改变和控制光在其中的传播行为和方式。光纤光栅作为光 子研究领域的一热门技术，在诸多领域具有极其广阔的应用前景。 早在1 9 7 8 年加拿大的h i l lko 等人就首次在实验室中观察到了掺锗光纤 中的光致光栅效应 4 5 o4 8 8 n m 氩离子激光入射到掺锗光纤中，研究人员发现入 射光与从光纤另一端返回的反射光在光纤中发生干涉形成驻波干涉条纹，干涉 条纹能够使纤芯折射率轴向发生周期调制分布，即形成所谓的“h i l l 光栅 ， 开创了光纤光栅研究和应用的先河。 到了1 9 8 9 年美国的m e l t zg 等人发明了光纤光栅的紫外侧写入技术1 ，这 项技术利用两束能够发生干涉的紫外光从光纤的侧面照射光纤来写制光栅，不 仅大大提高了光栅写入效率，而且可以通过改变两束相干光的夹角，从而达到 改变光栅周期，即控制中心波长的目的。紫外侧写入技术问世后，世界各国对 光纤光栅及其应用的研究迅速开展起来，光纤光栅的制作以及光纤敏化技术也 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 随之不断发展。 在1 9 9 3 年h i l lko 等人提出了相位掩模写入技术n 刀，该技术利用紫外光 经过相位掩模衍射后的1 极衍射光形成的干涉条纹对光纤曝光写入光纤光 栅。此技术的提出极大地放宽了对写入光源相干性的要求，使得光纤光栅的制 作更加容易，并使光纤光栅的批量生产成为可能。同年，l e m m r epj 等人提出 了一种提高光纤光敏性的有效方法即高压载氢技术，他们将光纤置于2 0 - - - 7 5 0 个大气压，2 0 , - - 7 5o c 的氢气中使得氢分子充分扩散进入光纤纤芯内部，然后再 使用紫外光写制光纤光栅，这样可以使光纤光敏性提高近两个数量级。载氢技 术极大地降低了光纤光栅的制作成本，人们可以不必使用价格昂贵的高浓度掺 锗光纤，在普通通信光纤上就可以很容易的写制出高反射率的光纤布拉格光 栅。 1 3 2 光纤光栅的应变传感原理 紫外光通过相位掩模板衍射后照射经过敏化并去掉涂敷层的光纤“9 1 ，光纤 纤芯的折射率发生周期性变化，形成f b g 。宽带光照射到f b g 时，满足布拉 格条件的窄带光将以9 0 以上的反射率反射，反射( 或透射) 光谱在布拉格波长 处出现波峰( 或波谷) 值。被反射的窄带光的中心波长由纤芯折射率变化的周期 和变化的大小来决定，f b g 作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的( 透射或反 射式) 滤波器或反射镜，如图1 1 a ) 所示。 r1 - l j i ：卜 ，! ! ! ! ! ! ! ! ，。1 t 。一 制* 光纤 光栅周期a a ) 光纤折射率变化 哈尔滨理工大学f t 学硕士学位论文 ，f 熬 米 一 2 0 0 0 莲 勺 1 0 0 0 0 ： 。 7 。 实验数据 一拟合曲线 1 5 4 0 z 1 5 4 0 4 i , 5 4 0 61 5 4 0 葛 m n m 图4 2 传感光栅波长与输出电平关系 f i g 4 - 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nw a v e l e n g t ho f t h es e n s i n gg r a t i n ga n do u t p u te l e c t r i c a ll e v e l 由图4 2 可以看出，传感器输出电平波长灵敏度为5 m v p m ，由式( 1 - 5 ) 可 以确定传感器输出电平应变灵敏度为5 8 8 m v 雌。 4 2 工频电流互感实验 4 2 1 无偏磁电流互感实验 本文所设计的电流互感系统由光源、传感系统、解调系统、光电转换系统 和数据处理系统五部分组成，如图4 3 所示，其中标准电阻大小为lq 。 图4 - 3 无偏磁电流互感系统 f i g 4 - 3c u r r e n tt r a n s f o r m e rs y s t e mw i t h o u tb i a sm a g n e t i cf i e l d 4 7 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 利用图4 3 所示的电流互感系统进行实验，打开光源稳定3 0 分钟后开始 进行测量。将双踪示波器的两个通道分别接到交流传感回路的标准电阻和光电 转换系统的输出端，用来监测传感系统的输入信号和输出信号。图4 4 为示波 器监测的输入电流为4 7 l a 时，互感系统输入信号、输出信号，图中l 通道为 输入信号，2 通道为输出信号。由图4 - 4 可以看出，虽然输出信号与输入电流 信号有对应的相位、频率和幅值信息，但是由于t e r f e n 0 1 d 的磁滞特性和非线 性，使得输出信号波形是畸变的，并且出现了倍频现象。 图4 - 4 无偏磁情况下激励电流为4 7 1 a 时系统的输入输出信号 f i g 4 - 4i n p u ta n do u t p u ts i g n a l so f s y s t e mw i t h4 7 1 ae x i c t i n gc u r r e n t a n dw i t h o u tb i a sm a g n g t i cf i e l d 调节调压器改变导线绕组工频电流幅值从o 1 4 0 2 a ，对输入、输出信号数 据进行处理，建立输入电流变化较大范围内g m m - f b g 的输入输出关系族， 如图4 5 。由图可知，在电流0 - - 1 4 0 2 a 范围内，无论激励电流幅值如何变化， 输入输出关系输入、输出信号幅值规律是一致的。 图4 5 传感器的输入输出关系族 f i g 舢5i n p u t - o u t p u tr e l a t i o ng r o u p so f t h es e n s o r 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 重复上述实验，取激励电流在3 4 0 a 以上数据取平均值，通过拟合建立输 入工频电流信号幅值与传感器输出电平幅值的关系，如图4 - 6 所示，输入信号 与输出信号幅值有较好的线性关系。 图4 - 6 电流互感器的输出电平幅值与激励电流幅值实验关系曲线 f i g 4 - 6e x p e r i m e n t a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e no u t p u te l e c t r i c a ll e v e la m p l i t u d ev a l u ea n d e x c i t i n gc u r r e n ta m p l i t u d ev a l u eo f t h ep o w e rc u r r e n tt r a n s f o r m e r 无偏磁条件下工频电流互感系统输出灵敏度为2 4 4 m v a 。若系统噪声控 制在2 0 m v 以下，最小可探测的电流为8 a 。基于g m m f b g 输出磁滞逼线具 有线性区和饱和特性传感器可探测的最大线性区电流为1 7 0 0 a 。 4 2 2 有偏磁电流互感实验 为了避免倍频现象的发生，本文利用图4 7 所示的有偏磁电流互感系统进 行实验。 图4 7 有偏磁工频电流互感系统 f i g 4 - 7p o w e r c u r r e n tt r a n s f o r m e rs y s t e mw i t hb i a sm a g n e t i cf i e l d 当无激励电流时，应用电压表监测到传感器的输出电平为1 6 0 0 r n v ，该输 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 出是由偏置磁场提供。由电平应变灵敏度为5 8 8 m v l 上可以推出此时g m m 的应变为2 7 2 1 惦，由图2 1 可知该应变量对应的磁场为2 5l a m 一，所以施加 的永磁体为g m m 提供的偏置磁场大小为2 5k a m ，证明了三维有偏磁磁路 系统仿真的正确性。 将双踪示波器的两个通道分别接到交流传感回路的标准电阻和光电转换 系统的输出端，用来监测传感系统的输入、输出信号。调节调压器逐渐增加通 入导线绕组的工频安匝电流幅值，由示波器观察输出信号波形，随着输入电流 幅值的增大，传感系统输出信号波形由标准正弦输出变为准正弦输出，当输入 电流超过6 0 0 a 时，输出信号出现了倍频现象。由此可知6 0 0 a 激励电流在 ( 3 m m 中产生的磁场与永磁体为g m m 提供的偏置磁场相同。由式( 2 1 6 ) 可知 6 0 0 a 激励电流在g m m 中产生的磁场为2 2 9k a m ，与永磁体提供的 2 5 k a m - 1 的偏置磁场基本相同，因此可以验证三维无偏磁磁路仿真中所建立 的电流与磁场的关系是正确的。 将双踪示波器的两个通道分别接到交流传感回路的标准电阻和光电转换系 统的输出端，用来监测传感系统的输入信号和输出信号。图4 8 为由示波器监 测的输入电流为1 8 6 a 和6 9 7 a 时，互感系统输入信号、输出信号，图中l 通 道为输入信号，2 通道为输出信号。 a ) 激励电流为1 8 6 a 时系统的输入输出信号b ) 激励电流为6 9 7 a 时系统的输入输出信 图4 - 8 偏置磁场相同激励电流不同的传感系统的输入输出信号 f i g 4 - 8i n p u ta n do u t p u ts i g n a l so f t h es e n s o rs y s t e mw i t ht h es a m eb i a sm a g n e t i cf i e l da n d d i f f e r e n te x c i t i n gc u r r e n t s 调节调压器逐渐改变通入导线绕组的工频安匝电流幅值，采集电流幅值为 1 11 a 、1 8 6 a 、2 9 6 a 、4 2 2 a 、5 6 6 a 的输入输出信号，应用m a t l a b 软件对输入 和输出信号进行处理，建立输入信号与传感器输出信号的迪线规律，如图4 - 9 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 图4 - 9 传感器的输入输出关系族 f i g 4 - 9i n p u t - o u t p u tr e l a t i o ng r o u p so f t h es e n s o r 所示。图中可以看出，随着输入信号幅值的增大，系统的磁滞增大；输入信号 越小，对应的输出灵敏度越大，且输入信号幅值与输出信号幅值间存在一定关 系。 重复上述实验，取多组实验数据平均值，建立输入工频电流信号“正向 幅值与传感器输出电平幅值的关系，见图4 1 0 ，输入信号与输出信号幅值有较 好的线性关系。 图4 1 0 电流互感器的输出电平幅值与激励电流幅值实验关系曲线 f i g 4 10e x p e r i m e n t a lr e l a t i o nb e t w e e no u t p u te l e c t r i c a ll e v e la m p l i t u d ev a l u ea n de x c i t i n g c u r r e n ta m p l i t u d ev a l u eo f t h ec u r r e n tt r a n s f o r m e r 在偏置磁场强度为2 5 k a m - 1 时，传感系统电平电流灵敏度为2 5 m v a 。 若系统噪声控制在2 0 m v ，最小探测的电流为8 a 。在传感器线性输出范围内， 可探测的最大线性电流约为5 6 6 a 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 4 3 电流互感系统幅频特性实验 由于在所设计的电流互感系统中，g m m 受到周期性磁场的作用将作受迫 振动，当激励磁场的频率等于g m m 的固有频率时将发生共振现象，在实际的 应用中应该避免共振现象的发生，因此通过实验验证了所设计的电流互感系统 的幅频特性。 基于g m m f b g 的幅频特性测试系统由光源、传感系统、解调系统、光 电转换系统、数据采集系统和变频信号发生器组成，如图4 1 l 所示。其中变 频信号发生器由d f l 6 3 6 a 功率函数信号发生器和低频功率放大器组成。 图4 - l l 幅频特性测试系统 f i g 4 - 11a m p l i t u d e f r e q u e n c yc h a r a c t e d s t i c sm e a s u r i n gs y s t e m 变频信号发生器由d f l 6 3 6 a 功率函数信号发生器和低频功率放大器组 成。由于d f l 6 3 6 a 功率函数信号发生器输出电流低，为此，设计了低频功率 放大器，功率放大器采用功率放大模块和电子线路组合来实现，结构简图如图 4 1 2 所示。设计后的功率放大器输出最大电流为3 a ，最大功率为l o o w ，响应 频率为1 0 h z 5 0 k h z ，输出信号失真度小于0 7 ，允许工作温度8 0 。放大器 结构简单、输出功率大、所需元件少，满足实验要求。 信号 图4 1 2 低频功率放大器结构简图 f i g 4 12o p e r a t i n gp r i n c i p l eo fl o w - f r e q u e n c yp o w e ra m p l i f i e r 哈尔滨理工人学工学硕士