基于磁致伸缩效应的光纤光栅电流检测技术研究

本科毕业设计（论文）基于磁致伸缩效应的光纤光栅电流检测技术研究张川燕 山 大 学2013 年 6 月 本科毕业设计（论文）基于磁致伸缩效应的光纤光栅电流检测技术研究学院（系）： 电气工程学院 专 业：电力系统及其自动化 学生 姓名： 张 川 学 号： 090103030032 指导 教师： 滕 峰 成 答辩 日期： 2013 年 6 月 23 日 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院： 电气工程学院 系级教学单位：电力工程系 学号 090103030032学生姓名 张川专 业班 级 09 电力 1 班题目名称 基于磁致伸缩效应的光纤光栅电流检测技术研究题目性质1.理工类：工程设计 （ ） ；工程技术实验研究型（ ） ；理论研究型（ ） ；计算机软件型（ ） ；综合型（ ）2.管理类（ ） ；3.外语类（ ） ；4.艺术类（ ）题目类型 1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目题目来源 科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容1. 超磁致伸缩材料在电流检测方面的理论研究2. 光纤光栅电流检测的基本原理3. 基于超磁致伸缩材料交流电流传感器的理论分析4. 基于超磁致伸缩材料交流电流传感器的仿真基本要求1遵守毕业设计期间的纪律，按时参加答疑；2独立完成设计任务，培养基本的科研能力；3设计说明书一份（不少于 2 万字） ，A1 图纸一张；英文资料翻译不少于 3千字；说明书要求条理清晰、文笔通顺，符合毕业设计撰写规范的要求；论文、图纸中的文字符号符合国家现行标准；4完成相关仿真实验，并反映在论文中，以附件的形式给出编写的程序清单。参考资料1、王博文.超磁致伸缩材料设备与器件设计2、黎敏，廖延彪。光纤传感器及其应用技术。武汉大学出版社，20083、赵勇.光纤传感原理与应用技术。清华大学出版社，2007周 次 第 14 周 第 58 周 第 912 周 第 1316 周 第 1718 周应完成的内容查阅收集相关资料，对研究内容进行初步学习提出设计原理及设计方案系统的设计与仿真完成论文初稿及修改撰写论文，准备答辩指导教师：滕峰成职称：副教授 年 月 日系级教学单位审批：年 月 日摘要在电力系统中电流的检测具有重要的作用，其检测精度以及可靠性与电力系统的安全运行密切相关。传统的电磁式电流互感器随着电力行业的发展己经难以满足需求。目前光学电流互感器因其明显的优越性为电流检测提供了很大的应用价值，是将来电力系统在电流检测方向发展的趋势之一。本文在借鉴现有光学电流互感器的基础上，提出了基于超磁致伸缩材料的光纤光栅电流测试技术，主要工作包括：对光纤光栅的传感原理进行深入分析，根据光纤光栅的应变特性、温度特性、及交叉敏感特性，推证了相应的传感模型；分析了超磁致伸缩材料的传感特性在此基础上对超磁致伸缩材料的光纤光栅电流传感器进行了设计，并完成了传感器对高压母线上电流进行检测的理论计算。分析对比了现阶段常用的几种不同的光栅波长解调方法并设计了适合本方案的解调系统：可调谐 F-P 滤波解调系统，并对解调系统中的核心元件进行了选型。在理论设计的基础上构建了相应的实验系统。具体分析了预应力、温度、偏置磁场等因素对实验的作用效果，设计了驱动线圈以及偏置线圈的线径、尺寸。完成了直、交流电流的测试实验，并对实验结果进行了进一步的分析、处理。关键词 电力系统；光学电流互感器；超磁致伸缩材料；光纤光栅AbstractThe current measurement is quite important in the power industry, itsprecision and reliability related the safety and economy of operation in electric power system closely.With the development of power, conventional current transducer cant meet requirements. Now the optical current transformer(OCT) have potential application cost because of its unique advantages will be used to replace conventional current transducers in the future.In this paper, on the present situations in the field of OCT, a novel electrical current sensing configuration is constructed based on fiber bragg grating and giant magnetostrictive material. The content of this research includes:In the depth analysis of fiber grating sensing principle,the corresponding mathematical model are derived based on the axial strain characteristic, temperature characteristic and cross-sensitivity characteristic; then the sensing properties of giant magnetostrictive material is analyzed. Then the sensor is designed based on the giant magnetostrictive material and the fiber bragg grating. Theoretically complete the calculation of the sensor detection on the high voltage bus current.With the advantages and disadvantages of various demodulation methods are analyzed, and the appropriate demodulation is designed: tunable F-P filter demodulation system.On this foundation of theoretical design, the experiment system is built up. And it studies prestressing force effects, offset magnetic field effects and temperature effects on the experiment system. The diameter and size of the drive coil and the bias coil are designed. Completion of the DC and AC testing experiments, and the experiment result are analyzed.Keywords Power system; Optical current transformer; Giant magnetostrictive materials;Fiber bragg grating目 录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 国内外研究现状 .21.3 光纤光栅传感应用概况 .3第 2 章 光纤光栅电流传感器的设计 .72.1 光纤光栅特性介绍 .72.1.1 光纤光栅的基本原理 .72.1.2 光纤光栅的特征参量 .82.1.3 光纤光栅的传感原理 .92.1.4 光纤光栅传感模型的建立 .92.2 磁超致伸缩材料的基本特性 .122.2.1 超磁致伸缩材料特性研究 .122.2.2 超磁致伸缩材料的基本原理 .142.2.3 超磁致伸缩材料传感模型的建立 .152.2.4 超磁致伸缩材料的应用特性 .162.3 电流传感器的设计 .182.4 本章小结 .20第 3 章 光纤光栅电流检测系统设计 .213.1 光纤光栅传感信号解调方法 .213.1.1 光谱仪 .213.1.2 边缘滤波法 .223.1.3 匹配光栅法 .233.1.4 非平衡 M-Z 干涉解调法 .233.2 实验所用传感信号解调方法一可调谐 F-P 滤波法 .233.3 电流检测系统整体设计 .263.4 本章小结 .30第 4 章 电流传感器的仿真 .314.1 传感器电流检测实验仿真 .314.2 不加偏置电流情况下交流电流检测实验 .324.3 施加偏置电流情况下交流电流检测实验 .344.4 实验结果分析 .354.5 本章小结 .35结论 .37参考文献 .39致谢 .41附录 .42第 1 章 绪论1.1 课题背景长期以来，在电力系统运行中，一直是由传统的电流互感器来完成高压电网的电流测量工作。由于对电流检测系统和继电保护系统智能化、自动化等要求的不断提升，使电流互感器的研究发展十分迅速。然而随着社会对电力需求量和输电距离的增大，发电行业和高压工程行业越来越注重采用大幅度的提高电压等级的方式来提升输电效率，目前我国电网的最高电压等级已达 500kV。随着电压等级的提高，传统的电磁式电流互感器暴露出一系列严重的缺点：磁饱和、铁磁谐振、绝缘难度大、动态范围小、频带窄以及有油易燃易爆等 1。因此对于电力系统的发展需要，传统的电流互感器已经难以满足其要求。在这种背景下，寻求更理想的新型电流互感器已势在必行，目前研究重点是利用光学传感技术来检测电流，即用光电子学的方法和光纤传感技术来发展所谓的光学电流互感器( optical current transformer，简称 OCT ) 。光学电流互感器是将被测电流转换为光信号进行传输来实现电流互感。目前在电力系统的发电、输电、变电等领域，尤其是对高压系统的测量和监控方面，光学电流互感器具有明显的优越性，是传统电磁式电流互感器的理想替代产品 2。光学电流互感器克服了传统电磁式电流互感器的很多缺点，具有如下几个方面的优点：绝缘性能好，成本低。在 OCT 中，用来做传感元件的光学材料、传输信号的光纤都是良好的绝缘材料，结构简单，降低了成本；不含铁心，不会产生磁饱和及铁磁共振，因而系统运行稳定性好，适用于大电流的故障诊断；可靠性强，无二次开路产生高压的危险以及避免了因充油引发的易燃易爆等危险；测量频带宽。OCT 的测量频带范围完全由信号处理部分的电子线路所决定；抗电磁干扰性能好；重量轻，体积小，节约占地面积，安装方便;能够适应电力系统数字化、智能化、网络化的需求。所以目前光学式电流互感器在电力系统中，有着广泛的发展前途和应用前景。光学电流互感器的现实意义体现于三个方面：一、光学电流互感器的研究作为现代科学技术发展进步的技术基础之一，起着先导性的作用；二、光学电流互感器的运用保证了现代电力行业的高效安全生产，在更大的程度上提升了人民的生活质量；三、光学电流互感器属于高新技术产业，具有高增长、高回报的特点。所以，研究开发新型光学电流互感器对促进我国的国民经济的发展具有十分重要的地位。1.2 国内外研究现状 光学电流互感器主要研究方案有两种：基于法拉第磁光效应的电磁式电流互感器，基于磁致伸缩效应的光学电流互感器。基于法拉第磁光效应的电磁式电流互感器包括全光纤电流互感器以及块状玻璃光学电流互感器两种。其中全光纤电流互感器具有光路简洁，制作方便，可靠性好的优点，不过外界环境温度、入射偏振面以及光纤本身双折射等因素能较大的影响输出的灵敏度。从 1973 年来自英国的科学家 A. J. Rogers 提出全光纤电流的设想以来，许多研究人员在研究全光纤型电流互感器上投入了大量时间和精力，但是到目前为止，其受到温度因素以及现行双折射的问题依然并未有效解决，从而也限制了其发展 3。采用具有较高菲尔德常数的一整块光学玻璃作为核心传感元件的块状玻璃光学互感器，其受到线性双折射的影响较小并且选择材料的范围很广泛，但是其块状玻璃有着易碎，成本高昂等缺陷。其中 B.C.B.Chu 等人联合设计的块状玻璃光学电流互感器在 1 A3 kA 的测试范围内，获得的分辨率为20mA/Hz，并可在频率 1 Hz1OkHz 范围内能够得到平坦的频率响应 7。到目前为止块状玻璃光学电流互感器是实际经验最为丰富，挂网运行最多，并且稳定性最好的一种光学电流互感器。基于磁致伸缩效应的光学互感器进行了近二十年的研究工作。最初的磁致伸缩材料是由镍合金等材料构成，这种材料伸缩系数小，精度比较低，从而约束了它的发展。80 年代时美国阿姆斯实验室研制成功了新型的超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Materials，GMM)并且率先实现商品化。起初在 1989 年时是由美国前沿技术公司开始成产销售，随后瑞典、口本、俄罗斯、英国等国家也相继研发出类似产品。我国对 GMM 开始的研究时间比较晚，但是发展速度很快，到目前为止北京科技大学、包头稀土研究所、北京有色金属研究总院以及甘肃天星稀土材料有限公司等单位都从事着 GMM 的研发，成效很好，GMM 的一些主要性能指标基本上达到了国际同类产品的水平。将 GMM 用在电流互感器通常是采用在 GMM 圆柱体周围绕上光纤、光纤粘贴在 GMM 材料上或是将 GMM 金属膜镀在光纤表面等方法。美国的 D.C.Larson,N.NaderRezvani 和捷克的 M. Sedla 将 GMM 周围缠绕上光纤利用 M-Z 干涉仪完成了电流测量实验，取得了实验阶段性的成果。通过紫外光对光纤进行照射，使得光纤芯折射率发生变化而形成芯体布喇格光栅的光纤布喇格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)传感技术，对于满足布喇格条件的入射光中 90%以上的窄带光谱能够实现反射，反射谱的中心波长只是由 FBG 的周期以及有效折射率所决定 4。而 FBG 的周期和折射率只受物理量应变和温度的影响，对其他物理量不敏感。所以发生应变或是温度变化会使 FB G 的中心波长发生偏移，通过解调仪或是其他检测手段测出波长的偏移量就能得出应变或是温度的变化情况。自从 FB G 被应用以来，将 FBG 与 GMM 结合起来作为电流互感器成为国内外学者研究的主要方向。国内很多大学如南开大学、武汉理工大学、燕山大学等对GMM-FB G 相继展开了研究实验，也都取得不错的结果，不过更多的是把如何消除实验影响因素方面作为研究重点。GMM-FBG 作为电流互感器，温度是唯一影响因素，对于如何消除温度影响，国内外学者都提出很多方案：D.Reilly 提出的基于 GMM-FB G 的电流传感系统能同时完成电流和温度的测量，通过温度变化能引起 FBG 的波长偏移原理从电流的信号中读取出温度的变化 10。综上所述，至今为止对 GMM-FBG 电流传感系统的研究仍然仅限于处在螺线管产生的磁场条件下，而难以应用到实际的电路测量。工频交流的测量研究上应用 GMM-FBG 传感系统仅仅开始于 2004 年，而且绝大多数焦点在于如何减小温度影响方面。1.3 光纤光栅传感应用概况80 年代后期产生的光纤布喇格光栅，自从问世以来，其传感技术就成为光纤传感技术中最具活力的一种技术 5。在建筑、石化、核工业等行业中得到了深入研究和广泛应用，虽然在电力工业中的应用研究起步较晚，正处于研究的初始阶段，但其良好的绝缘性能、抗电磁干扰特性及体积小等长处，使其成为处于强电磁场中电气设备在线检测的最佳选择，在电力系统中有着更为广阔的应用前景。1.民用工程结构中应用 光纤光栅传感器应用最活跃的领域是民用工程中的结构监测。在桥梁、大坝、隧道、高层建筑和运动场馆的维护上基础结构的状态、力学参数的测量是至关重要的，通过测量建筑物的分布应变，可以预测局部荷载的状态。有一座跨度 72 米的预应力混凝土桥耸立在德国德累斯顿附近高速公路上，德累斯顿大学的 Meissner 等人将光纤布喇格光栅埋进桥的混凝土棱柱中，进而测量荷载下的基本线性响应，并用常规的应变测量仪器作了相应的对比试验，充分证实了光纤光栅传感器的现实可行性 6。2.石油化学工业中的应用石化工业是当今世界上经济的主体行业，但是带有易燃易爆的危险，用于诸如油气罐、油气井、油气管等地方的测量存在不安全的因素需要运用电学传感器。光纤光栅传感器因为自身的优势安全性非常适合应用在石油化工领域里” 。3.核工业中的应用 作为新兴能源行业的的核工业，最大的缺陷就是高辐射，核泄漏对人类是一个很大的威胁，贝尔格利核电站泄漏的巨大影响至今还没有完全消除，因此对于核电站的安全检测及其重要。核废料的管理措施也变得更加重要，需要有特定的监测网络来监视核废料站的具体状况，对监视网络长期稳定的高要求也是前所未有的。与此同时，由于核装置逐渐老化，需要更多的维护、修理、保养，乃至最终必须被拆除，而所有这些都在设计时没有预见，因此需要更多更好的传感器以便遥控设备，进而处理不确定情况。日本核能研究院 1999 年 4 月2000 年 3 月的年度报告中提到，通过辐射环境测试能确保光纤光栅用于核电厂设备和管道方面的传感，并可在几乎整个反应堆寿命期间忍耐着核辐射。目前，光纤光栅传感器已用于核电厂的混凝土变形测量等诸多实际情况中。4.航空航天业中的应用 使用传感器密集的航空航天业，体现了其行业最高要求安全。为了监测一架飞行器压力、燃料液位、温度、振动、方向舵和机翼的位置、起落架状态等，至少需要使用一百多个传感器，因此传感器的重量、尺寸大小显得尤其重要。5.医学中的应用 传感器的小尺寸在医学应用中是非常有意义的，光纤光栅传感器是现今能够做到最小的传感器。光纤光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量，提供有关温度、压力和声波场的精确局部信息。光纤光栅传感器对人体组织的损害非常之小，足以避免对正常医疗过程的干扰。一种光纤光栅阵列温度传感器被设计用来测量超声波、温度和压力场，另一个光纤光栅温度传感系统被研制用来遥测核磁共振机中的实地温度。光纤光栅传感器还被研究用来进行心脏效率的测量，这种测量基于一种定向热稀释导流管方法。6.电力工业中的应用 在电力工业中，设备大都处在强电磁场中，普通的电类传感器无法正常使用。有很多电力设备所在的位置是常人难以到达的地方，如荒原沙漠、荒山丘陵中的传输电缆和中继变电站，为了极大地减少设备维护费用，充分利用分布式光纤光栅传感系统的遥测能力是明智的选择。处在高压中需要测量的地方有很多，如在线监测高压开关，发电机定子、高压变压器绕组等地方的位移以及温度等参数的实时准确测量，这些地方的测量需要的传感器必须有以下优点：体积小、具有良好的绝缘性能、而且是无源器件，显然在进行这些测量时光纤光栅传感器是最佳的选择。在国家经济发展中电力系统运行的稳定性起着至关重要的作用。2003年美加电网崩溃，这次大面积严重停电事故造成直接经济损失不下于 300亿美元 5，给未来经济的发展蒙上一层阴影。因此对电力系统进行实时在线监测时必须配置可靠的检测系统，及时准确发现故障并加以维护，保证电力系统安全、稳定、高效运行。作为八十年代以来逐步发展成熟的一种新型传感技术光纤光栅传感器，自其问世之日就显示出巨大的生命力和优越性。其非凡的抗辐射能力、优良的电气绝缘性能和快速的频响等优势都为其在电力系统中的更多应用提供了更大现实可行性。1.4 课题研究的主要内容本文在对超磁致伸缩材料与光纤光栅传感技术进行分析研究的基础上，提出了一种基于超磁致伸缩材料的光纤光栅电流互感器，所做工作主要有：(1)分析研究光学电流互感器国内外发展现状，提出基于超磁致伸缩材料的光纤光栅电流检测的方案。(2)论述光纤光栅与超磁致伸缩材料的传感原理与基本性能，完成传感器的设计。(3)完成电流检测系统整体的设计工作，并对其中核心元件进行了分析。(4)根据已经提供的实验数据，完成光学电流传感器的仿真。对实验数据进行分析处理并仿真，进而验证设计的正确性。 第 2 章 光纤光栅电流传感器的设计进入新世纪以来，光纤光栅是发展最为迅速的光纤无源器件之一。自从 1978 年在实验中加拿大 KOHill 等研究者首次发现了光纤的光栅效应，并由此成功采用驻波法成功地写入光纤光栅以及 1989 年美国人 GMelt等人发明紫外写入技术以来，FBG 随同制造工艺的逐渐提升，其发展越来越迅速，目前已经成为世界上最好的光纤电流传感器之一。作为目前研究程度很深的新型稀土合金材料超磁致伸缩材料，有着较大的磁致伸缩系数，应用也越来越广泛。本章首先介绍 FBG 传感的基本原理，超磁致伸缩材料的基本特性，由此根据传感特性完成传感器的设计。2.1 光纤光栅特性介绍2.1.1 光纤光栅的基本原理通过用周期性强度调制的紫外光从光纤的侧面照射光纤表面，从而使被照射部分光纤纤芯的折射率发生永久性的变化，这种因为照射被永久性改变了折射率的光纤被称为光纤光栅。当移开照射光后，利用光源在光纤中输入一段波长的范围的入射光，此时那些能满足由照射决定的 bragg 波长的光将被反射，而其他的入射光不会受到任何影响 7。图 2-1 光纤光栅的基本原理图如图 2-1 所示，光纤光栅作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射) 滤波器和反射镜，光源产生的光为 ，能够透射出光纤的光为 ，iI tI其余照射光纤后由于与光栅中心波长相同的光会被反射回来，这部分光被入射光谱 纤芯 包层涂敷层透射光谱反射光谱 iIiI tItrr称为 。 rI2.1.2 光纤光栅的特征参量光纤光栅的特征参量有：中心波长、反射谱带宽、峰值反射率，针对它们的具体描述如下：（1）中心波长 BBragg 波长 是指在光纤光栅中传输并能满足 Bragg 条件的波长，根据光纤知识，如图 2-2 所示，基模与光纤光栅对应的的光线方向和光纤的光轴夹角为 ，光线对光纤的余角为 ，显然 与 之和为 90，则有以下公式：（2-1）cos21nB该公式也可写作：（2-2）si1B式中 栅格周期。常被称作纤芯有效折射率 ，显然 0 时表示铁磁体沿磁场的方向伸长，垂直于磁l场方向缩短，称为正线磁致伸缩；当 0 表示铁磁体沿磁场的方向缩短，l垂直于磁场方向伸长，称为负线磁致伸缩 9。 图 2-4 铁磁体线磁致伸缩效应示意图由于铁磁体的体磁致伸缩效应很小，所以目前对铁磁体的磁致伸缩效应的研究工作主要集中在线磁致伸缩效应方面，所以磁致伸缩效应通常指线磁致伸缩效应。磁致伸缩系数兄与温度和磁场相关。随着温度的变化， 会发生变化，当温度达到居里温度时，磁致伸缩效应将会消失。在一定的温度下， 随着磁场的增大而增加，当磁化强度达到饱和时， 也会达到一个饱和值，这个值称为饱和磁致伸缩系数。这个数用 表示，对于己知铁磁体 是一SS个常数。是一个可正可负的系数，其正负是这样定义的 :随磁场强度 H 的增S加至饱和状态，铁磁体沿磁化方向发生伸长，则 为正; 随磁场强度 H 增S加至饱和状态，铁磁体沿磁化方向发生缩短， 为负。几种铁磁体磁致伸缩系数随磁场强度变化如下图所示。图 2-5 几种铁磁体磁致伸缩系数随磁场变化示意图除磁致伸缩效应以外，磁致伸缩材料还有以下几种效应 10Hl l8 1 6 3 24 04 85 6 6 47 21 02 03 00- 1 0- 2 0- 3 0)/(mkAHCoNiFeFeNi%36o0磁致伸缩系数6(1) Villari 效应。即磁致伸缩的逆效应，当磁致伸缩材料发生形变或是受到应力作用下会引起材料的磁化状态发生改变的现象。(2) 效应。随着磁场的变化，磁致伸缩材料的杨氏模量 也会发生E HE变化的现象。(3) Viedemauu 效应。在磁致伸缩材料上形成适当的磁路，磁路中通过电流时，发生扭曲变形的现象。(4) AutiViedemauu 效应。磁致伸缩材料受到外力发生扭曲变形时，会在二次线圈中有电流产生的现象。(5) Jump 效应。对磁致伸缩材料施加适当的预应力，在外磁场变化下，磁致伸缩效应会产生跃变式的增加，磁化率也会发生改变的现象。2.2.3 超磁致伸缩材料传感模型的建立超磁致伸缩材料在外加磁场的作用下产生磁致伸缩效应，其应变大小可表示为：（2-lH/），（ 24）式中 超磁致伸缩材料的磁致应变量；施加预应力大小(Mpa) ；H外加磁场强度大小(kA/m) ；超磁致伸缩材料初始长度(m) ；l伸长量 (m) 。从式(2-24)可以看出，磁致应变量 是受预应力与外加磁场强度大小的影响。当外加磁场强度大小不饱和、低频激励的情况下， 的量值可有下面方程给出：=/HEq （2-25）式中 给定磁场强度下超磁致伸缩材料的杨氏模量(N/ )；HE 2m材料在应变方向的预应力(Mpa) ；磁致伸缩系数或压磁系数。q由式(2-25)可知:当杨氏模量 和磁致伸缩系数 q 为已知时，磁致应变HE量 与预应力 和外加磁场强度 H 能够构成线性关系，即磁致应变量的大小取决于施加预应力的大小以及外加磁场强度的大小。当考虑到由磁场引起的磁滞效应时，式(2-25) 则可表示为：2/q （2-26）可以看出在考虑到材料的磁滞效应时，超磁致伸缩材料的磁致应变量与磁场强度并不是完全的构成线性关系，在具体的实验中应根据具体的磁致伸缩材料的特性来建立传感模型。超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应与温度有关，所以温度的变化对材料的影响也需要考虑，温度的变化对所产生的热形变的应变公式为：gqHT (2-27）式中 磁致伸缩材料的热膨胀常数。g2.2.4 超磁致伸缩材料的应用特性由磁致伸缩材料的结构及特性出发，在应用超磁致伸缩材料器件的设计时应综合考虑以下几个问题：（1）倍频和偏置磁场。由于超磁致伸缩材料在正反两个方向的磁场下发生的形变都是伸长的，所以产生应变的频率是驱动电流频率的两倍。如图 2-6 所示，材料的这种倍频现象可通过在棒上加一个恒定的偏置磁场来消除，并且施加偏置磁场后还能够减小磁致伸缩棒动态响应的不灵敏bH区域，使其应变的线性度更好并且能够得较大的动态磁致伸缩系数。偏置磁场 的大小约为曲线线性部分一半处所对应的磁场。目前提供偏置磁场b的手段主要有两种，一种是永磁体，一种是直流线圈 11。图 2-6 倍频现象图（2）驱动磁场。当磁致伸缩材料由交变磁场驱动时，交变磁场由驱动线圈产生。驱动磁场 一般不超过超磁致伸缩材料的 -H 曲线的线性区，acH并根据材料特性曲线来设计驱动线圈的尺寸、线径和匝数等。（3）驱动频率。磁致伸缩材料因为棒或薄片的涡流损耗导致了其高频限制。当线圈中的电流频率较高时，在超磁致伸缩棒中产生感应电流，涡流导致能量损失并且产生反向磁场，降低了有效磁导率及电感。图 2-7 显示出了超磁致伸缩棒的直径与涡流临界的频率之间关系曲线，可见随着超磁致伸缩棒直径的增大，则临界频率降低。要想提高工作频率，1/mkAH棒的直径需要相应地减小。对于在高频(如 20kHz 以上)状态下工作时，则必须要考虑材料的涡流损耗，对超磁致伸缩材料采用薄片叠层结构或是其他切割技术能够提高超磁致伸缩材料的极限工作频率 12。图 2-7 磁致伸缩棒直径与临界频率的关系图(4)预应力。磁致伸缩材料的抗压强度能达到 700MPa，但其抗拉强度很小只有约 28MPa，因此在工作时承受到拉伸应力或剪切应力时脆性较大容易断裂，应提前对磁致伸缩棒施加一预压应力。磁致伸缩材料棒工作在施加预压应力的状态下时，其磁致伸缩量要比无预压应力时大，但同时预压应力又不能过大，一般在 1015MPa 范围内时具有较大的磁致伸缩系数和较好的线性度，在具体设计中的取值要根据所选取的磁致伸缩材料的实验数据来确定。2.3 电流传感器的设计如图 2-8 为对于实际高压母线上的电流进行检测的示意图，通过高压母线上的电流产生的交变磁场来使超磁致伸缩材料发生形变，形变量通过作用kHzf/1 0 01 010 . 10 . 0 50 5 . 0 81 0 . 1 6 1 5 . 2 4 2 0 . 3 2 2 5 . 4 03 0 . 4 83 5 . 5 6D / m m图 2-8 高压母线上电流传感器示意图到光纤光栅上来使中心波长发生偏移，通过对输出信号的检测，就能知道高压母线上电流的大小，传感器中的偏置磁场采用的永磁体来提供，下面具体进行传感器指标的设计工作。（1）计算高压母线上产生的驱动磁场大小目前 SOOkV 电压等级的高压输电线路上电流能够达到 3000A，假定测量范围是 03000A，对于通电直导线周围产生的磁场强度计算公式：2IHR(2-28)式中 I母线上电流强度(A)；R距离母线距离(m) ；H磁场强度(kA/m) 。对于 03000A 的高压母线电流，在距离母线 0.02m 处产生的磁场强度大小约为 023.885kA/m 。（2）根据驱动磁场大小来选择适当的磁致伸缩材料以及永磁体由偏置磁场的取值特点可知，永磁体产生的偏置磁场大小约为24kA/m，由此可知作用在超超磁致伸缩材料上的磁场大小约为048kA/m，所以需要所选材料在其磁场强度范围内有很好的线性度。本实验选取的是甘肃天星稀土功能材料有限公司提供的锨镝铁系超磁致伸缩材料( ） 。所选材料尺寸大小为 5mm30mm，该超磁致伸缩0.27.3.0eybFDT材料在 10MPa 预应力下的磁场强度与磁致伸缩系数的关系如图 2-9 所示。高压母线传感器永磁体输出信号 图 2-9 磁致伸缩系数与磁场强度大小的关系图从图中可以看出在 10MPa 预应力下，在 050kA/m 的范围内，超磁致伸缩材料的磁致伸缩系数与磁场强度特性很好，能够满足设计要求。(3) 计算光纤光栅波长偏移量通过理论研究发现，超磁致伸缩材料应变量大小 与光栅的轴l/向应变 具有不同的物理意义前者由磁场引起，后者产生机理源于lZ/力学效应，但是，由磁场引起的伸缩与应变场作用下的效果是相同的。实验中是用环氧树脂胶将光纤光栅沿轴向粘贴于超磁致伸缩材料棒上，环氧树脂胶能够很好的将超磁致伸缩材科的应变量大小传递给光纤光栅，环氧树脂胶对测量的影响不大，可以忽略其影响因素，所以超磁致伸缩材料所受到的应变量与光栅发生的形变量保持一致。由式 2-23 可知，在忽略温度影响的条件下，己知光纤光栅的中心波长，通过形变量的大小就能知道波长偏移量的大小。根据图 2-10，对于 10MPa 情况下的曲线，在磁场强度 48kA/m 情况下所产生的形变量为 1071 x 10-6。最后根据所选超磁致伸缩材料尺寸以及计算结果选取的光纤光栅为美国微光公司出产，中心波长为 1551.34nm，光栅长度为 14mm。由计算可知电流检测中所产生的波长偏移大小为。nmpeiB29.1）（通过对传感器的设计计算可知，在 0A3000A，永磁体提供偏置磁场0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 002 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 0磁场强度 H （ k A / m ）磁致伸缩系数24kA/m 的情况，产生的波长偏移为 01.29nm。2.4 本章小结本章主要介绍了：光纤光栅的基本结构以及传感原理，建立了应变一温度的传感模型。利用光纤光栅对应变、温度的传感特性，可实现测量效果，从而为本课题的实现提供了理论支持；对超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应以及其基本特性进行了简述，并且分析了器件在具体应用应注意的一些问题，通过分析建立了超磁致伸缩材料的传感模型。第 3 章 光纤光栅电流检测系统设计3.1 光纤光栅传感信号解调方法 光信号解调技术是研究将原信号从被调制的光信号中还原出的一种技术。同一般光纤传感器相比，以光纤光栅作为敏感元件的传感器优势在于其传感器属于波长编码。传感器的探测量为光纤光栅反射波长的偏移量。其抗干扰能力很强，与光源的强度、光的偏振等因素均无关。如何实现对光纤光栅的波长偏移进行解调，是实现光纤光栅传感器实用化的关键因素，整个系统的检测精度都取决于对中心波长的检测精度，所以有光纤光栅构成的传感系统中应该具备精密的波长检测装置。3.1.1 光谱仪光纤光栅传感系统中对波长偏移检测最直接方法为:输入到光纤光栅的宽带光，直接用光谱仪检测出光的 ，如图 3-1 所示，其基本原理为，B通过调整衍射光栅的角度，衍射光栅能够分离出不同的波长，分离出来的特定波长经过反射镜聚焦在光阑孔然后通过探测器能够检测出波长信息，旋转衍射光栅能够扫描波长的范围，如图 3-2。用光谱仪解调波长在宽带光功率、信道增益、信噪比等方面能够得到较理想的结果，分辨率能够达到0.001 nm，基本可以满足对 Bragg 波长偏移量的分辨。该方法结构简单，多用于实验室。图 3-1 光谱仪检测示意图宽带光源光谱仪光谱仪耦合器 图 3-2 光谱仪工作原理图3.1.2 边缘滤波法图 3-3 边缘滤波法示意图在边缘滤波法中测量元件为波分祸合器，其传输特性为在 1510nm1560nm 之间的波长范围内，祸合器的效率与波长呈线性关系，因此可利用这一特性来检测波长的偏移，图 3-3 为此方法示意图。传感光栅将宽带光源发出的光反射回祸合器，由祸合器输出的光分为两束，这两束输出的光功率与入射光的功率在同一坐标系中形状如 X，两束输出光通过光电检测装置将光信号转换为电信号，再经过处理消除光功率变化产生的影响，最后得到波长的偏移量。此方法的优点是电子处理电路简单，缺点是测量分衍射光栅光纤探测器反射镜反射镜光阑孔宽带光源（p1- p2）/ (p1+ p2)耦合器传感光栅图像耦合器宽带光源（p1- p2）/ (p1+ p2)耦合器传感光栅图像耦合器辨率低 13。 3.1.3 匹配光栅法匹配光栅法是指用一个与传感光栅能够相匹配的光栅来探测传感光栅中发生的波长偏移，两个匹配光栅在同样的应变下具有相同的中心波长，其基本原理如图 3-4。进入到传感光栅的宽带光，经过光栅反射后的反射光通过祸合器进入到相匹配的接受光栅中。接受光栅固定在一压电陶瓷驱动器上，通过扫描接受光栅的中心波长，当两个光栅相匹配时，就可以确定传感光栅中的中心波长 14。图 3-4 匹配光栅法传感系统示意图3.1.4 非平衡 M-Z 干涉解调法非平衡 M-Z 干涉解调法基本原理如图 3-5 所示，宽带光源发出的光信号经过祸合器进入到光纤光栅，其反射光再通过祸合器进入到非平衡 M-Z干涉仪。当传感光栅的中心波长发生 的波长偏移时，干涉仪中发生的B相位变化为 为 ，由上式可知，只要解调出)(B2/ndB）（就能够知道中心波长的偏移量。)(B该解调方法分辨率高，动态响应好，不过解调系统容易受到环境影响，所以采用此解调方法应采取一定的隔离措施，并且由于干扰的存在，对于100Hz 以下的动态信号解调，此方法