基于超磁致伸缩材料的光纤光栅

AbstractSTYLEREF"标题1"摘要-第2章光纤光栅电流传感器的设计-PAGEIII-Thecurrentmeasurementisquiteimportantinthepowerindustry,its’precisionandreliabilityrelatedthesafetyandeconomyofoperationinelectricpowersystemclosely.Withthedevelopmentofpower,conventionalcurrenttransducercan’tmeetrequirements.Nowtheopticalcurrenttransformer(OCT)havepotentialapplicationcostbecauseofits’uniqueadvantageswillbeusedtoreplaceconventionalcurrenttransducersinthefuture.Inthispaper,onthepresentsituationsinthefieldofOCT,anovelelectricalcurrentsensingconfigurationisconstructedbasedonfiberbragggratingandgiantmagnetostrictivematerial.Thecontentofthisresearchincludes:Inthedepthanalysisoffibergratingsensingprinciple,thecorrespondingmathematicalmodelarederivedbasedontheaxialstraincharacteristic,temperaturecharacteristicandcross-sensitivitycharacteristic;thenthesensingpropertiesofgiantmagnetostrictivematerialisanalyzed.Thenthesensorisdesignedbasedonthegiantmagnetostrictivematerialandthefiberbragggrating.Theoreticallycompletethecalculationofthesensordetectiononthehighvoltagebuscurrent.Withtheadvantagesanddisadvantagesofvariousdemodulationmethodsareanalyzed,andtheappropriatedemodulationisdesigned:tunableF-Pfilterdemodulationsystem.Forthecorecomponentsofthedemodulationsystemareselected.Onthisfoundationoftheoreticaldesign,theexperimentsystemisbuiltup.Anditstudiesprestressingforceeffects,offsetmagneticfieldeffectsandtemperatureeffectsontheexperimentsystem.Thediameterandsizeofthedrivecoilandthebiascoilaredesigned.CompletionoftheDCandACtestingexperiments,andtheexperimentresultareanalyzed.Keywords:Powersystem;Opticalcurrenttransformer;Giantmagnetostrictivematerials;Fiberbragggrating摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1课题背景与研究意义 11.2国内外研究现状 21.2.1光学电流互感器研究现状 21.2.2信号解调技术的研究现状 41.3光纤光栅传感器应用概述 41.4课题研究的主要内容 6第2章光纤光栅电流传感器的设计 72.1光纤光栅特性分析 72.1.1光纤光栅的基本原理及特征参量 72.1.2光纤光栅传感模型的建立 92.2超磁致伸缩材料特性分析 122.2.1超磁致伸缩材料的基本原理 122.2.2超磁致伸缩材料的磁滞特性 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传感器电流检测实验仿真 202.5本章小结 21第3章光纤光栅电流检测系统设计 233.1光纤光栅传感信号解调方法 233.1.1光谱仪 233.1.2边缘滤波法 243.1.3匹配光栅法 243.1.4非平衡M-Z干涉解调法 253.2实验所用传感信号解调方法—可调谐F-P滤波法 263.3电流检测系统整体设计 273.4本章小结 30第4章实验与数据分析 314.1实验系统的搭建 314.1.1解调系统 314.1.2电源系统 334.1.3传感系统 344.2实验数据分析 414.2.1直流电流检测实验 414.2.2交流电流检测实验 444.3实验误差分析 484.4本章小结 50结论 51参考文献 53附录 57攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果 62致谢 63作者简介 64-1.1课题背景与研究意义在电力系统中，由于对电流监测系统和继电保护系统自动化、智能化等要求的不断提高，使电流互感器(CurrentTransformer,CT)的研究发展十分迅速，因而电流互感器的安全性、精确性与电力系统的可靠和经济运行密切相关[1]。目前随着大容量发电机组的投入使用和输电电压等级的提高，传统电磁式电流互感器存在的磁饱和、铁磁谐振、绝缘难度大、有油易燃易爆等问题愈来愈明显[2]。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。在这种背景环境下，努力寻求新型的电流互感器是未来发展的必然趋势[3]。目前研究的热点是利用光学传感技术来监测电流，即利用光电子学的方法和光纤传感技术的手段来实现的光学电流互感器(OpticalCurrentTransformer,OCT)[4]。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。目前在电力系统中发电、输电和变电等领域，尤其是在对高压系统的测量与监控方面，光学电流互感器具有明显的优越性，是传统的电磁式电流互感器的理想替代产品[5,6]。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，有着广泛的发展综上所述，开展光学电流互感器研究的现实意义体现在以下三个方面：首先开展光学电流互感器的研究是现代科学技术发展进步的技术基础之一，起着先导作用；其次开展光学电流互感器的研究是保证现代电力行业安全高效生产，以及提高人民生活质量的重要手段；再次光学电流互感器属于高新技术的产业，具有高增长，高收益的特点。因此，研究开发新型的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意义。1.2国内外研究现状1.2.1光学电流互感器研究现状光学电流互感器主要研究方案有基于法拉第磁光效应的磁光式电流互感器及基于磁致伸缩材料的光学电流互感器[7-9]。基于法拉第磁光效应的磁光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单，加工方便的优点，不过输出的灵敏度受到外界环境温度、入射偏振面以及光纤本身双折射等因素的影响较大。从1973年来自英国的科学家A.J.Rogers提出了全光纤电流的设想以来，许多研究人员投入了大量时间精力研究全光纤型电流互感器，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完全解决，这也限制了其发展[10]。块状玻璃光学互感器是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，这样的互感器受到线性双折射的影响较小并且材料选择范围广，但是其块状玻璃具有加工难度大，易碎，成本高等缺点[11]。其中B.C.B.Chu等人设计的块状玻璃光学电流互感器在1A~3kA的测试范围内，获得的分辨率为20mA/Hz，并且在频率1Hz~10kHz范围内能够得到平坦的频率响应[12]。到目前为止块状玻璃光学电流互感器是实际经验最丰富，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。磁致伸缩材料最初是由镍合金等材料构成，这种伸缩材料伸缩系数小，精度低，从而限制了其发展。80年代美国阿姆斯实验室研制成功了新型的超磁致伸缩材料(GiantMagnetostrictiveMaterials,GMM)并且实现了商品化，其成分为。最初是由美国前沿技术公司于1989年开始成产销售，随后瑞典、日本、俄罗斯、英国等国家也相继研发出产品。我国对GMM开始的研究比较晚，不过进展速度，到目前为止北京有色金属研究总院、北京科技大学、包头稀土研究所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，效果显著，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。由于GMM所具有的良好特性，目前将GMM作为核心元件的器件已经研发出许多，在很多方面都发挥了很高的使用价值。GMM换能传感器能够将大功率电能转换成超声波的振动从而改变物质的状态，例如超声切割、超声清洗等；将其用于对金属探伤、水下探测等方面的应用也发展迅速，目前美国海军就已成功研制一套基于GMM的声纳系统；再有就是将GMM的伸缩效应利用在精密的位移控制，其控制精度能够达到纳米级别。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.Sedlar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。2002年王廷云完成了基于GMM的光纤微分干涉电流互感器，该互感器能够完成高灵敏度、高精度的电流及磁场测量，在8A~200A的测量范围内误差约为0.5%，最小电流检测能达到0.5A，不过此方案动态线性范围较小，适合小电流的检测。张学亮等人将超磁致伸缩材料覆在去了保护层的光纤上，得到的这种传感单元具有很高的灵敏度以及传输效率，但是要在光纤表面完成磁致伸缩材料均匀的覆盖是很困难的，所以目前更多的还是采用将光纤绕在GMM表面或是用粘合剂固定的方式进行电流的检测。光纤布喇格光栅(FiberBraggGrating,FBG)传感技术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，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[13]。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FBG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[14]。自从FBG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。2004年D.Reilly通过螺线管完了基于GMM-FBG的电流传感系统，偏置磁场由钐钴体提供，FBG的解调系统为F-P可调滤波器，该系统能够同时完成电流和温度的测量，测量范围是0.3A~1.0A和18℃~90℃[15,16]。国内很多大学如南开大学、武汉理工大学、燕山大学等对GMM-FBG相继展开了研究实验，也都取得不错的结果，不过更多的是把研究重点放在如何消除实验影响因素方面。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-FBG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[17]；易本顺等采用利用两个光纤光栅综上所述，目前为止对GMM-FBG电流传感系统的研究仅限于处在螺线管产生的磁场条件下，应用到实际线路测量的实例还没有。应用GMM-FBG传感系统于工频交流的测量研究仅仅开始于2004年，并且大多是集中在如何较小温度影响方面。1.2.2信号解调技术的研究现状对FBG传感系统的解调实质上是指对于传感光栅反射波谱的实时监测，分析出波长大小。实际应用中FBG信号解调可分为两部分：一部分是光信号分析处理，完成光信号波长大小到电信号的转化。另一部分是对电信号的处理，将电信号转化成人们熟悉的形式。其中光信号的分析处理是解调技术的核心部分，传感光栅对于反射波长的跟踪分析能力决定了整个解调系统的分辨率、可靠性以及成本。目前已有的解调方法分为干涉法、滤波法、色散法以及窄带激光扫描法等。A.D.Kersey根据干涉法提出的采用非平衡M-Z干涉仪法将中心波长的偏移量转换为相位的变化量来进行检测，其动态参量的分辨率能达，该方法的优点是能提供高解析度、宽带宽的调控能力，不过该方法只适合动态应变的测量不适用于绝对应变的检测[19]；可调法F-P滤波法具有调谐范围宽的优点不过成本较高[20]；基于CCD色散解调法的解调仪一般解调速度只有几毫秒，响应时间快，抗干扰能力强，缺点是波长分辨率受到的影响因素较多；可调窄带激光扫描法具有较高的分辨率和信噪比，最小分辨率能够达到2pm，不过其稳定性较差以及解调范围不够理想的问题限制了其使用范围。目前国内外对于FBG解调装置的研究取得了很大的进展。美国的微光公司设计的解调仪器动态解调范围能达80nm、分辨率为1pm、扫描速度能到1kHz，处于国际领先地位。国内的如北京品傲光电、上海紫珊光电等公司对FBG解调仪的研究也取得了不错的成果。综上所述，FBG的解调技术近些年发展的比较迅猛，成熟的解调装置已经问世，其指标能够满足对50Hz工频交流电流的检测。1.3光纤光栅传感器应用概述随着光纤光栅问世以来，其传感技术已经成为光纤传感技术中最具有优势的一种技术。目前在石油工业、建筑工程等行业已经取得了很好的研究成果以及得到了广泛的应用，在电力系统行业虽然起步较晚，目前整体上依然处在研究阶段，但凭借其对电磁干扰不敏感、绝缘性能好以及体积小等优势，使其在电力系统中有着广阔的应用前景尤其是在高电磁场环境下的电气设备检测方面更是具有不可替代的优势。(1)航空航天中的应用。航空航天业中传感器的尺寸和重量尤为重要，因此小巧的光纤光栅就成为最好的选择，几乎没有其他传感器可以与之相比。美国国家航空和宇宙航行局就对光纤光栅传感技术非常重视，仅波音公司就具有好几个注册的光纤光栅传感器的专利[21]。(2)土木工程中的应用。光纤光栅在土木工程中的结构监测是其应用最多的领域。对于桥梁、隧道、矿井、大坝等工程的力学参数的监测对于其维护以及健康状况是非常重要的。通过监测上述工程中的应变分布，能够了解结构的负荷情况及健康情况[22]。目前光纤光栅传感器主要是贴在结构表面或是预先埋入结构中，从而对结构进行各种监测。(3)石油工业中的应用。石油化工行业属于易燃易爆行业，并且工作环境空气中带有重金属、化合物、燃化油等物质，这些都很不利于常规的传感器工作[23]。由于独特的电绝缘性以及在易燃易爆场合的本征安全性，并且对于腐蚀液体的抗拒性这些特性都赋予光纤光栅传感器独一无二的优势，使其在石油化工行业中具有广泛的应用。目前光纤光栅传感器替代传统的传感器广泛的应用在油田储量勘测以及海洋石油平台上的监测工作[24-(4)核工业中的应用。核工业场所是一个高辐射的地方，核泄漏对于人的身体健康是一个极大的威胁，因此对于核电站的安全监测是非常有必要的[27]。对于老化的核装置，需要更多的修理及维护，直到最终需要拆除，这些在设计初都是不能预见的，因此就需要更多的传感器来监测设备的运行情况，来处理不确定情况[28]。目前在核工业中应用(5)电力行业中的应用。电力行业中高压开关、发电机定子、高压变压器绕组等地方的温度以及位移等参数的在线监测都要求具有很好的绝缘性以及小尺寸，光纤光栅正是满足这些测量要求的最佳选择。对于人难以到达的地方，如沙漠、荒山、森林等地的光缆传输以及变电站等设备采取分布式光纤光栅进行遥控可以大大减少设备的维护费用。目前日本北海道已将光纤光栅传感器应用于高压线路的积雪负荷监测[30电力系统的稳定性对于整个国家经济的发展起着重要的作用。2003年的美加电网崩溃导致大面积停电的事故就造成了不下300亿美元的损失[31]。因此配置可靠的检测系统对电力系统进行实时监测，是保证电力系统稳定、安全运行的有效方法。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，完成传感器的设计及计算机仿真。(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)为搭建相应的实验系统选择核心材料，具体分析预应力、温度、偏置磁场等因素对实验的影响，设计完成驱动线圈以及偏置线圈的线径、尺寸。(5)构建相应实验系统，完成直流、交流测试实验，并通过实验结果还原到实际应用中去。对实验数据进行分析处理，具体分析产生实验误差的原因，并提出提高灵敏度的方法。自从1978年，加拿大的K.O.Hill等人在实验室首次发现了光纤中的光栅效应，并且成功制作出世界上首根光纤布喇格光栅以及1989年美国的G.Melt等人发明了紫外光侧写入技术以来，FBG随着制造水平的逐步提高，其应用前景也迅速开展，目前FBG传感已经成为最优秀的光纤传感器之一。超磁致伸缩材料是目前研究较多的一种新型稀土合金材料，具有较大的磁致伸缩系数。本章主要介绍光纤光栅的基本原理以及超磁致伸缩材料的一些基本特性，并根据其传感特性完成传感器的设计工作。2.1光纤光栅特性分析2.1.1光纤光栅的基本原理及特征参量光纤光栅是在光纤表面利用周期性强度调制的紫外光从光纤的侧面照射光纤，使被照部分光纤纤芯的折射率发生永久性的变化，这一永久性改变了折射率的光纤即称为光栅。当照射光撤去后，在光纤中输入一段波长范围的宽带光，那些满足由照射时决定的Bragg波长的宽带光将被反射，其余的光不会受到影响[32光纤光栅实质上是在光纤中写入了一个反射镜，其原理如图2-1，为由光源产生宽带激光，照射进光栅后与光栅中心波长相同的光会被反射回来即图中，其余的光则会透射出去即。其中可以由测量反射光谱的中心波长或是透射光谱的中心波长进行布喇格光栅效果测试实验。图2-1光纤光栅的基本原理图光纤光栅的主要特征参量包括：中心波长、反射谱带宽、以及峰值反射率，具体描述如下。(1)Bragg波长光纤光栅的Bragg波长是指在光纤光栅中传输的能满足Bragg条件的波长，依据光纤光学，即使基模与其相对应的光线方向也和光纤的光轴有很小的夹角，如图2-2该光线对布喇格光栅的余角设为，有，满足Bragg条件的波长可以证明满足： (2-1)或 (2-2)式中——栅格周期。通常写成有效折射率，它的大小介于，之间，即>>,这样可以写为[33]： (2-3)图2-2光纤光栅分析图(2)反射谱带宽如果反射光的波长为，则它具有一定的带宽，计算式为： (2-4)式中L——光栅长度(mm)。(3)峰值反射率最大的反射率可根据下式求出： (2-5)2.1.2光纤光栅传感模型的建立由公式（2-3）可知，光纤光栅的Bragg波长是随着光栅周期和纤芯有效折射率而改变的，其变化量和导致符合Bragg条件的反射波长发生位移[34]。由Bragg条件可知： (2-6)当光纤光栅受到应力作用情况下或是受到温度变化影响时，和都会发生变化。为方便研究，首先忽略应力和温度的交叉敏感，仅考虑在单一应力或是温度作用下的传感特性。(1)光纤光栅应变传感模型的建立Bragg波长受应力影响是由弹光效应和光栅周期的伸缩而导致。为简化推导，假设光纤光栅除受轴向力作用外忽略其它方向受力作用，以及忽略温度及其它参数的影响。轴向力应变作用，具有拉伸和伸缩两个作用，应变对光栅周期影响导致光栅的周期性伸缩： (2-7)式中——轴向的应变量。利用介电常数与相对介电抗渗张量的关系： (2-8)可得： (2-9)式中——某一方向上的光纤折射率。此时应是轴向力作用的方向，故将用代替，再根据轴向应变的表达式，则光纤光栅方程变成为： (2-10)再根据材料的弹光性质 (m，n=1,2,3) (2-11)式中——材料的弹光系数。再根据式(2-3)可得： (2-12)式中,——光纤的泊松比，且有： (2-13)由此可得因轴向应力作用而引起的Bragg波长的变化量： (2-14)式中 (2-15)其中是一个与材料有关的系数，在一般的石英光纤中，所以式(2-14)可以表示为： (2-16)(2)光纤光栅温度传感模型的建立当光纤光栅环境受到温度变化时，Bragg波长偏移一方面是由于热致效应导致光栅周期发生变化，可以表示为： (2-17)式中——光纤的热膨胀系数。另一方面是由于热光效应使光栅的折射率发生了变化，可以表示为： (2-18)式中——热光系数。热光效应是温度引起Bragg波长偏移的主要因素，它占热偏移的95%左右，可以表示为： (2-19)式中——光纤的归一化频率。所以温度对于Bragg波长偏移的影响为： (2-20)对于石英光纤，热膨胀系数。热光系数为/℃(150℃~200℃)，/℃(400℃)。可以看出，当确定好光纤光栅的材料后，光纤光栅对温度的灵敏度系数也就确定为与材料系数相关的常数，从理论上可以确定采用光纤光栅作为温度传感器会有很好的线性输出。(3)光纤光栅应变-温度耦合模型的建立应变与温度的变化都会导致光纤光栅的波长偏移，当它用于单个参量传感的时候，其另一种变量的交叉敏感问题会对传感产生干涉，所以有必要建立光纤光栅的应变-温度耦合模型。假设温度在较小范围内变化，那么对于温度变化范围内材料的弹光系数及泊松比就可以常数对待，从而能够得出应变-温度的光纤光栅交叉灵敏度系数为： (2-21)整理可以得到： (2-22)对于一般光纤光栅，当温度在0℃~100℃和应变在0~1％的测量范围内，通过实验测试，由温度产生的相对误差仅为0.77％，由应变产生的相对误差为。因此在测量条件下，光纤光栅的交叉灵敏度对实验结果影响不大。因此忽略交叉灵敏度的响应，Bragg的波长偏移在温度和应变共同作用下可以表示为： (2-23)从式中可以看出，在实际的测量中，应该考虑到增敏以及去敏的问题，即降低非被测量的灵敏度，增加被测量的灵敏度。对于本课题，增加对应变量测量的灵敏度时，需要采取温度补偿方式来降低温度对于Bragg波长的偏移，具体补偿方式在后面的章节会展开讨论。2.2超磁致伸缩材料特性分析2.2.1超磁致伸缩材料的基本原理处在外磁场中的铁磁体被磁化后，其长度以及体积会发生变化，这种现象称之为磁致伸缩效应。焦耳(J.P.Joule)于1842年发现此现象，所以磁致伸缩效应也称为焦耳效应[35,36磁致伸缩效应有两种表现形式：(1)线磁致伸缩效应这是指铁磁体在磁化过程中发生线性的伸长或是收缩，如图2-3所示。线磁致伸缩系数用表示，。其中为铁磁体的长度，表示铁磁体在方向上的伸长量。当时表示铁磁体沿磁场的方向伸长，垂直于磁场方向缩短，称为正线磁致伸缩；当表示铁磁体沿磁场的方向缩短，垂直于磁场方向伸长，称为负线磁致伸缩[37]。图2-3铁磁体线磁致伸缩效应示意图(2)体磁致伸缩效应这是指铁磁体在磁化过程中发生了体积的膨胀或是收缩。体磁致伸缩系数用表示，。其中表示铁磁体的原始体积大小，表示铁磁体经过磁化作用后的体积变化。当时表示铁磁体经过磁化作用后发生体积膨胀，称为正体磁致伸缩；当表示铁磁体经过磁化作用后发生体积收缩，称为负体磁致伸缩。体磁致伸缩的量比较小，一般由应变张量的分量表示[38]： (2-24)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用表示，对于已知铁磁体是一个常数。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图2-4所示。图2-4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[(1)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变化的现象。(3)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)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)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。超磁致伸缩材料(GMM)是20世纪70年代研制成功并迅速发展起来的一种新型功能材料。同铁、镍、钴等材料相比，GMM的磁致伸缩量更大，其磁致伸缩系数是一般磁致伸缩材料的102~103倍。其中铽镝铁系列(TbDyFe)磁致伸缩合金于1989年在ERTEMA公司正式投产，产品名为Terfenol-D，是应变量最高，能量密度最大的磁致伸缩材料。其与纯镍以及压电陶瓷(PZT)的性能比较如表2-1所示[40]。表2-1Terfenol-D与纯镍以及压电陶瓷(PZT)的性能比较参数Terfenol-DNiPZT饱和磁致伸缩应变1500~200035~-40100~600能量转换效率(%)49~56923~52响应时间<1—抗拉强度(MPa)28—76抗压强度(MPa)700——承载能力(MPa)20—4通过性能比较可以看出，同一般磁致伸缩材料以及压电陶瓷相比，Terfenol-D具有以下优点：(1)磁致伸缩大小是Ni的50倍，是压电陶瓷的5~25倍。(2)能量转换率高，能达到70%，而Ni的能量转化率为16%，压电陶瓷的为40~60%。(3)用Terfenol-D制备的器件所需驱动电压低，而压电陶瓷的驱动电压则需要达到几千伏。(4)响应时间不到1，对于磁化以及应力的反应几乎即使响应，适用于制造快速执行器件。(5)具有良好的频率特性，工作频带范围广，可在低频状态下(几十到上千赫兹)工作。(6)其磁致伸缩效应不会随时间而发生改变，稳定性好，可靠性高。2.2.2超磁致伸缩材料的磁滞特性GMM属于铁磁性材料，具有铁磁材料所具有的磁滞现象，如图2-5所示当GMM中不存在磁化场的时候，磁场强度H和磁感应强度B均为零，在图中相当于坐标原点O。随着H的增加，B也随之增加，但是两者之间的关系并不是线性的。当H增加到一定时，B达到饱和状态不再增加，此时如图中A点和称为饱和磁场强度和饱和磁感应强度。H逐渐减小到零，与此同时B也逐渐减小，不过其轨迹并不是沿着原曲线AO减小，而是沿着另一曲线AR减小到，说明当H减小到零时超磁致伸缩材料中仍有一定的磁性。改变磁化强方向，沿着反向增加磁场强度，直到，曲线达到点达到反向饱和，然后使H减小到零，再继续沿正向增大，直到达到饱和为止。这样就得到一条与相对称的曲线，而从A出发又回到A点的曲线为一闭合曲线，此曲线称为超磁致伸缩材料的磁滞回线。图中磁滞回线与B轴的交点和称为剩余磁感应强度，与H轴的交点和称为矫顽力[41]。具体本实验所选超磁致伸缩材料的磁滞回线会在实验中具体说明。图2-5GMM磁滞回线图2.2.3超磁致伸缩材料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： (2-25)式中——超磁致伸缩材料的磁致应变量；——施加预应力大小(Mpa)；——外加磁场强度大小(kA/m)；——超磁致伸缩材料初始长度(m)；——伸长量(m)。从式(2-25)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： (2-26)式中——给定磁场强度下超磁致伸缩材料的杨氏模量(N/)；——材料在应变方向的预应力(Mpa)；——磁致伸缩系数或压磁系数。由式(2-26)可知：当杨氏模量和磁致伸缩系数为已知时，磁致应变量与预应力和外加磁场强度能够构成线性关系，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(2-26)则可表示为： (2-27)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： (2-28)式中——磁致伸缩材料的热膨胀常数。2.2.4超磁致伸缩材料的应用由超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。目前提供偏置磁场的手段主要有两种，一种是永磁体，一种是直流线圈[42]。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曲线的线性区，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磁致伸缩棒直径与临界频率的关系图图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，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[43,(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10~15MPa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。图2-8高压母线上电流传感器示意图(1)计算高压母线上产生的驱动磁场大小目前500kV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0~3000A，对于通电直导线周围产生的磁场强度计算公式为： (2-29)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0~3000A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0~23.885kA/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0~48kA/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铽镝铁系超磁致伸缩材料()。所选材料尺寸大小为5mm×30mm，该超磁致伸缩材料在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。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0~50kA/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，已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2-9，对于10MPa情况下的曲线，在磁场强度48kA/m情况下所产生单的形变量为。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=1.29nm通过对传感器的设计计算可知，在0A~3000A，永磁体提供偏置磁场24kA/m的情况，产生的波长偏移为0~1.29nm。2.4传感器电流检测实验仿真实验仿真输入为3000A工频电流，根据图2-9，对于0~50kA/m的数据进行拟合分析，然后根据拟合公式通过matlab实验仿真出波形变化曲线图，具体如图2-10、2-11、2-12及2-13。从图中可以看出，随着拟合次数的增多，拟合曲线与实际数据之间的误差逐渐减小，具体四次仿真的相关指标如表2-2所示。其中四次拟合出来的方程与原始数据拟合度最高，根据四次拟合的方程得出的波长偏移变化曲线图应该是四次仿真中误差最小的，具体还需在第四章实验进行验证。图2-10一次拟合图图2-11二次拟合图图2-12三次拟合图图2-13四次拟合图表2-2拟合指标拟合次数SSER-squareAdjustedR-squareRMSE一次拟合699500.94010.9281118.3二次拟合290740.97510.962785.26三次拟合73540.99370.987449.51四次拟合13320.99890.996625.812.5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-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；根据对高压母线上的电流进行检测完成了对传感器的设计并进行了计算机仿真工作。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。到目前为止，很多学者在这方面进行了研究分析，相继提出了一些解调方案以及研发了一些简单实用的信号解调系统，这对光纤光栅传感系统的发展产生了重要影响。3.1.1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。其基本原理为，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0.001nm，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[45]图3-1光谱仪检测示意图图3-2光谱仪工作原理图3.1.2在边缘滤波法中测量元件为波分耦合器，其传输特性为在1510nm~1560nm之间的波长范围内，耦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耦合器，由耦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，缺点是测量分辨率低[46图3-3边缘滤波法示意图3.1.3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耦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[47图3-4匹配光栅法传感系统示意图3.1.4非平衡M-Z干涉解调法基本原理如图3-5所示，宽带光源发出的光信号经过耦合器进入到光纤光栅，其反射光再通过耦合器进入到非平衡M-Z干涉仪。当传感光栅的中心波长发生的波长偏移时，干涉仪中发生的相位变化为为，由上式可知，只要解调出就能够知道中心波长的偏移量。图3-5非平衡M-Z干涉解调法示意图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，此方法并不适合[483.2实验所用传感信号解调方法—可调谐F-P滤波法19世纪末，Fabry-Perot滤波器(FP-TF)就已经被用于光谱分析。可调谐F-P滤波器是基于多光束干涉的光学工作原理，它是由光学F-P干涉仪发展起来的。光纤F-P滤波器主要是由压电晶体和镀有半反射膜的光纤组成。两段光纤形成了F-P干涉腔。F-P腔结构如图3-6所示，当有外界信号作用时，压电晶体发生形变，进而使F-P干涉腔的腔长发生变化，进而达到可调谐滤波器的效果。图3-6当F-P干涉腔的长度为L的时候，其腔镜的反射率为,那么谐振腔的透射率的表达式为： (3-1)式中——F-P腔中的两条相邻光线之间的相位之差，其表达式为： (3-2)其中：是光纤入射到光纤光栅上的入射角，当光线垂直入射到光栅上时，=0；是光纤通过F-P腔内反射后的附加相位移动，一般情况下非常小，可以忽略不计。那么当光线垂直入射的时候，其透射率可以化简为： (3-3)光纤F-P滤波器的输出光的波长可表示为： ,K=1,2,3…… (3-4)由公式(3-4)可知，光纤F-P滤波器能够进行波长的选择，其选择的波长的大小正比于F-P腔长L。所以透射光的波长选择可以通过改变F-P腔的腔长来实现，通常情况下我们是用压电陶瓷来驱动光纤F-P腔的，对压电陶瓷施加周期性变化的电压，它能够使F-P腔长产生周期性的变化，进而可以对既定区间内光纤的波长实现周期性的滤波。在具体解调系统中的工作原理如图3-7所示。宽带光源发出的光信号经过耦合器后进入到光纤光栅，其中满足布喇格反射条件的信号被反射回来，再通过耦合器入射到可调谐F-P滤波器中进行处理，探测器将检测可调谐F-P滤波器的透射峰是否与光栅的中心波峰重合，重合则经过F-P滤波器透射光最强，通过滤波放大将光信号转化为电信号，再由信号采集装置将电信号采集后送入信号处理电路，然后得出被测信息[49图3-7F此解调方案灵敏度高、操作方便、系统稳定性高及调谐带宽范围宽等优点。适用于工程应用方面的波长偏移检测技术。本方案所选用的是美国微光公司生产的型号为SM130解调仪，其解调原理为可调谐F-P滤波法。3.3电流检测系统整体设计如图3-8为本方案采取的电流检测系统的示意图，根据第二章的传感器设计中，实际是按照检测高压母线上的电流计算，由于目前本方案处在实验阶段，并且实验条件有限所以传感器中超磁致伸缩材料所需要的交变磁场由驱动线圈提供，偏置磁场由偏置线圈提供，其中核心元件由以下部分构成。图3-8电流检测系统示意图(1)光源光源性能的好坏对于整个解调系统起着重要的作用。在光纤光栅传感中，光源要有足够的输出功率并且在工作时要保证其稳定性，可以保持长时间的工作状态。由于不同的光源发出的光波长并不一样所以对于光源的选择要根据传感波长来确认适合的波长段。本实验选用的光源为SM130解调仪内置宽带扫描激光器，与一般宽带光源相比，具有带宽更宽、功率更高、使用寿命长等优点[51,52]表3-1宽带扫描激光器性能指标类型最大峰值功率扫描平均功率外扫描频率偏振特性光学接头扫描激光器20mW8mW8kHz去偏振FC/APC(2)信号解调信号解调系统的好坏对于整个测量结果的精确度、分辨率及测量时间起着直接的影响，本方案选用的解调仪自带信号解调系统，其解调原理为可调谐F-P滤波法，其波长解调范围为1510nm~1590nm，分辨率为1pm，绝对精度为3pm。(3)活动连接头活动连接头是把两个光纤端面结合在一起，使光纤输出的光信号最大限度的耦合到另外接收光纤的器件，其基本要求是：连接过程中产生的损耗要尽量小，性能稳定，插拔重复性好，安装方便，性高可靠。本方案所选取的活动连接头的型号是FC/APC，FC是指接头的连接方式，它是一种螺口式连接器，通过带键槽导引的螺纹来连接和锁定两根光纤；APC是指光纤连接器端面的形状。其结构特点和性能指标如表3-2：表3-2活动连接头性能指标类型连接方式连接器形状平均插入损耗最大插入损耗回波损耗FC/APC螺纹圆形≦0.3dB0.5dB70dB(4)传感单元设计如图3-9，本方案所设计的传感单元主要由超磁致伸缩材料、光纤光栅、驱动线圈、偏置线圈及预应力施加装置等组成，将设计好的传感头放在螺线管内，直流源经过偏置线圈提供偏置磁场，交流源经过驱动线圈提供交变磁场，通过调节电流的大小，从而改变螺线管中磁场强度的大小，超磁致伸缩材料在变化的磁场强度下发生磁致伸缩效应，其应变量的大小传递到光纤光栅上，使得Bragg波长发生偏移，通过光栅解调仪对波长偏移量的解调就能还原回电流的大小，这是本方案所采取的对电流检测的实验手段。图3-9传感系统示意图1)待测电流通过螺线管产生电磁场理论分析如图3-9本实验所设计螺线管内层为驱动线圈，外层为偏置线圈，驱动线圈的匝数为内径为，外径为；偏置线圈的匝数为内径为，外径为，螺线管长度为L。螺线管中磁场强度的大小由流过线圈的电流所决定。交变磁场强度大小为： (3-5)偏置磁场强度大小为： (3-6)式中，；——交流电大小(A)；——直流电大小(A)。2)超磁致伸缩材料与光线光栅间的应变传感将式(2-28)带入式(2-23)得到： (3-7)当对交流电进行测量时，式中，其中偏置磁场为恒定，将式(3-5)带入式(3-7)得到： (3-8)若维持实验过程中为恒温条件则，则有： (3-9)通过式(3-8)可得到交流电的大小为： (3-10)式(3-10)为超磁致伸缩材料光纤光栅电流的检测提供了理论支持。3.4本章小结本章主要分析了目前常用的几种解调方案，对比其优缺点然后选取设计了实验所用的解调方法—可调谐F-P滤波法；详细分析了解调系统中各个部件的特性及器件选择；对本方案所采用的电流传感从理论上进行了推证，从而完成了对电流检测系统的整体设计工作，为下一章搭建实验系统做好铺垫。4.1实验系统的搭建根据前两章设计，完成器件的设计与选取工作。所搭建的实验系统如图4-1所示。螺线管中放置粘有光纤光栅的超磁致伸缩材料棒，当线圈中通入被测电流时，超磁致伸缩材料棒在被测电流产生变化磁场中发生伸缩效应，从而使粘贴在一起的光纤光栅波长发生偏移。光纤光栅通过FC/APC的活动连接头与解调仪相连接，解调仪通过网线与含有配套软件的计算机相连，可以通过计算机读出波长的变化，进而能够得出超磁致伸缩材料的形变量，从而能够得到被测电流的大小。图4-1实验系统实物图实验中所采用的电流传感系统主要由解调系统、传感系统以及电源系统三部分组成，下面具体说明各个系统的选取及参数指标。4.1.1本方案的解调系统主要是由光栅解调仪组成，本方案所选用的光栅解调仪为美国微光公司生产的SM130型解调仪如图4-2所示。SM130是一个高速度、大功率、多传感器的监测系统，主要应用在力学传感技术中；SM130内置微光专利技术的校正波长扫描激光器，在每次扫描时会自动对中心波长进行校准，无需再对波长校准；SM130能够实现高功率快速扫描，属于一个完善的系统，内部配有扫描式光源。SM130解调仪基本指标如表4-1所示。本文选用的是700型解调仪，扫描频率为1kHz，实验过程每次采样时间10s。

图4-2SM130解调仪表4-1SM130解调仪基本指标SM130700500200光学通道数441波长范围1510~1590nm1510~1590nm1510~1590nm稳定性2pm典型，5pm最大重复性1pm，(0.05pmwith1000averages)每通道最大传感器数量80动态范围25dB扫描频率1kHz500Hz(1kHz可选)100Hz(500Hz1kHz可选)光学接头FC/APC工作温度0~50℃工作湿度<80%(无凝结)外型尺寸132×267×135mm重量2.5kg4.1.2电源系统实验中提供交流电的电源如图4-3所示，所选用交流源的输入为220V的三相交流电，输出能够提供0~250V的单相交流电，通过电流表以及万用表对线路中的交流电大小进行测量。实验过程中选用适当的电压范围，通过调节滑动变阻器来得到实验所需的电流大小。图4-3交流源实物图实验中提供直流电的电源如图4-4所示，所选用直流源的输入为380V三相交流电，输出能够提供10~100V的单相直流电压，接在线路上后在直流源上能够直接显示线路电流大小，消除了再对直流电流大小测量所产生的误差。图4-4直流源实物图4.1.3传感系统线圈的设计超磁致伸缩材料发生磁致伸缩效应需要外加磁场强度的作用，实验所需外加磁场由螺线管提供，所以螺线管所需匝数、线径、尺寸等问题需要进行设计，对于本实验所选用的超磁致伸缩棒尺寸为5mm×30mm，根据磁致伸缩系数与磁场强度的关系曲线来设计螺线管的具体参数。根据预应力为10MPa的情况下，超磁致伸缩材料的曲线在磁场强度kA/m范围内具有较好的伸缩特性。根据这样的特性，选取偏置磁场kA/m，交流驱动磁场为kA/m，则总磁场强度H在0~48kA/m的范围内变化。下面具体计算交流驱动线圈的尺寸和匝数等数据。(1)根据超磁致伸缩棒的尺寸，确定螺线管骨架内径的大小内径的大小应该保证材料外径与骨架之间没有接触，同时两者间隙不能过大，否则会降低磁场强度，所以综合考虑选择螺线管的内径为8mm。螺线管长度应大于超磁致伸缩棒的长度，以减小螺线管的边缘效应，所以螺线管的长度为=60mm。(2)根据实验过程中的状态选择电流密度，从而确定出导线的裸线直径一般来说主要是依据线圈的发热与散热情况来选取电流密度，在散热条件不理想的情况下，长期工作的线圈中最大电流密度为3～5A/，反复短时工作时最大的电流密度为6～12A/，短时工作时最大的电流密度为13～30A/。本实验的工作状态应为反复短时工作，因此可选取电流密度为6A/。(3)选择交变电流I，计算线圈导线直径d本实验所选取的交变电流I的大小为2A。则螺线管导线的裸线直径为： (4-1)由式(4-1)求出的裸线直径，通过查询线规表得到带皮导线的线径为，选用的是油性漆包铜线。(4)计算单位长度上的匝数(匝/cm)和单位厚度上的层数(匝/cm) (4-2) (4-3)式中——线圈的排绕系数；——线圈的叠绕系数。具体取值情况如表4-2所示。表4-2不同直径导线的排绕系数和叠绕系数导线直径/mm排绕系数叠绕系数<50.51~1.081.051.151.2~2.441.051.2(5)估算线圈厚度e(mm) mm (4-4)(6)线圈总匝数N(匝) (4-5)(7)线圈的外半径 (4-6)式中——线圈的层数，；——每层所需要垫绝缘材料的厚度(--0.05mm)。将数据带入可得： =4+5.7+0.05×(12×0.57-1)10mm(8)查算线圈轴向磁场的分布情况，如不满足则要增大再进行查算，直至满足为止。对图4-5所示多层螺线管线圈，轴线磁场分布为： (4-7)图4-6是交流驱动线圈轴向磁场强度大小分布的仿真图，从图中可以看出本实验所设计的螺线管在轴向距中心15mm处得磁场大小近似均匀，其中心处磁场强度=24147A/m，距中心15mm处得磁场强度=23119A/m。图4-5多层螺线管示意图(9)计算线圈电阻R (4-8)式中——导线的有效截面积()；——电阻系数。经过计算可得R=3.1图4-6交流驱动线圈轴向磁场强度仿真图表4-3驱动、偏置线圈数据参数线圈总匝数N/匝线径/mm线圈内径/mm线圈外径/mm线圈长度/mm电阻R/驱动线圈5750.72418603.1偏置线圈2880.721825605.3对于偏置磁场的尺寸和匝数等参数的设计，可采用与计算驱动线圈相同的步骤进行计算。如表4-3为设计计算出的驱动磁场、偏置磁场具体数据。对于偏置线圈轴向磁场强度大小分布的仿真图如图4-7所示，中心处的磁场强度基本符合理论设计。图4-7偏置线圈轴向磁场强度仿真图经过设计后手动缠绕的螺线管如图4-8所示。图4-8螺线管实物图传感头的选取根据对传感器的设计，选取所需超磁致伸缩材料及光纤光栅，其中超磁致伸缩材料选用的是甘肃天星稀土功能材料有限公司提供的铽镝铁系大磁致伸缩材料()，尺寸大小为5mm×30mm，其磁场强度与磁致伸缩系数的关系如图2-9，其饱和磁致伸缩系数=1539ppm。光纤布喇格光栅选取的是美国微光公司出产的型号为SMF-28C型光纤光栅，其基本指标如表4-4所示。表4-4光纤光栅指标光纤类型SMF-28CFiber中心波长1551.34nm光栅长度14mm峰值反射率>90%FWHM(-3dB)半高宽0.24nm光纤连接头FC/APC尾纤长度1m对所选光纤光栅需熔接一个FC/APC的活动连接头才能与解调仪进行通信，熔接过程所用熔接机如图4-9所示，熔接过程中并未产生损耗。完成熔接活动连接头的光纤光栅沿着超磁致伸缩材料棒的轴向通过环氧树脂紧密粘合在一起后，就完成了传感头的制作工作，所制作传感头如图4-10所示。图4-9光纤熔接机实物图图4-10实验传感头实物图预应力施加装置本实验所选用的预应力施加装置如图4-11所示，通过预应力活动头固定好传感头与预应力施加装置，确保预应力能够均匀的施加在传感头上。因为实验条件有限，实验过程中选择的预应力施加装置并不能直接显示施加预应力大小，只能通过波长偏移大小以及磁致伸缩系数与预应力之间的关系反推出实际施加预应力大小，这就造成一定的实验误差，在实验结果分析中，对预应力产生的误差进行了详细的分析。图4-11预应力施加装置图传感器影响因素(1)对温度变化因素的设计温度的变化对超磁致伸缩材料的形变具有较大影响，在实验设计中必须降低环境的温度变化以及对实验过程中由于材料发热导致的温度变化进行补偿。温度变化的主要原因包括两个方面：1)实验过程中由于线圈发热导致超磁致伸缩材料温度升高。对此抑制温度升高的主要措施有：线圈骨架采用具有隔热功能的塑料管，能够有效的对线圈和超磁致伸缩材料之间进行隔热；螺线管工作时采用风扇来延缓温度的升高；每次测量的时间都尽可能的短。2)环境温度的变化对实验也会产生较大的影响。对此采取的措施是：实验所在环境是温度相对稳定的房间；对实验进行测量时间为同一时间段，避免早晚温差过大对实验的影响。以上的措施能够大大降低温度变化对实验产生的影响，但是不能完全消除，相比线圈发热对实验室的影响，本实验中环境温度的变化对实验影响更大，所以需要对传感头实施温度补偿。本实验采用的传感光栅在出厂前经过温度测试，所以传感光栅具有准确的温度-波长变化曲线，根据温度计测量环境温度，然后将温度造成的波长偏移从整体测量偏移中去处，从而实现温度补偿效果。经过设计后实验中采取的具体措施如图4-12所示。图4-12实验采取温度补偿措施图(2)预应力的设计预应力对于超磁致伸缩材料的影响在第二章中已有介绍，下面具体就本实验所选的超磁致伸缩棒进行预应力设计。所选样品在不同预应力下的磁致伸缩系数与磁场强度的关系如图4-13所示。图4-13不同预应力下磁致伸缩系数与磁场强度的关系图由图可知：磁场强度一定时，施加的预应力在一定范围内，材料的磁致伸缩系数随着预应力的增大而增大(0MPa~10MPa)；当预应力达到某一值后，磁致伸缩系数随着预应力的增大反而减小(10MPa与15MPa)。预应力一定时，为得到较大的磁致伸缩系数，就需要较大的磁场强度，并且每一条曲线对应有一个伸缩特性较好的区域。因此通过选择施加磁场的范围，即可保证器件具有很好的工作特性。所以经过第二章的设计以及对材料的综合考虑之后，本实验给材料施加预应力的大小为10MPa。4.2实验数据分析.1.1直流检测及温度补偿实验根据实验设计，直流源提供稳定电压10V，调节滑动变阻器，从而改变通过驱动线圈的直流电流大小。图4-14为未施加偏置磁场情况下外加电流大小与波长偏移之间的关系图；图4-15为偏置线圈通入4A直流电情况下，外加电流大小与波长偏移之间的关系图(图中点为实验数据，直线为拟合直线)。表4-5为两种情况下所测实验数据。表4-5直流实验所测数据波长/nm0.5A1A1.5A2A2.5A3A1551.1771551.2011551.2491551.291551.321551.3431551.4591551.4841551.5261551.5811551.6371551.680图4-14无偏置磁场情况下外加电流大小与波长偏移关系曲线图由图4-14可以看出在无偏置磁场的情况下外加电流大小与波长偏移之间线性度很好，其一次拟合度。图4-15施加偏置磁场情况下外加电流大小与波长偏移关系曲线图由图4-15可以看出在施加偏置磁场的情况下，波长偏移有所提高并且外加电流大小与波长偏移之间线性度很好，其一次拟合度。图4-16不同时间下外加电流与波长偏移曲线关系图图4-16为三次不同时间段测量的外加电流与波长偏移关系曲线图。从图中可以看出，三次测量都具有较好的线性度，不过实验环境温度对实验结果具有较大影响，所以应考虑对实验数据进行温度补偿，表4-6为所选取光栅的温度特性及三次拟合公式，经过温度补偿处理后的实验曲线如图4-17所示。图4-17经过温度补偿后电流与波长关系曲线图表4-6所选光栅温度特性温度/℃波长/nm拟合温度/℃温度/℃波长/nm拟合温度/℃-301550.7943-30.03501551.535050.15-201550.8782-20.07601551.636660.01-101550.9648-10.06701551.742370.0501551.0532-0.10801551.845379.64101551.14479.95901551.959690.08201551.240620.201001552.0702100.01301551.334229.971101552.1842110.10401551.433140.031201552.2971119.97温度与中心波长三次拟合后关系式经过温度补偿之后，三条线相差很小，温度补偿能够基本消除环境温度对实验的影响。由图4-17看出，在2.5A~3A时，实验过程中由于线圈发热产生的温度变化对实验影响开始显现，如果时间过长则此因素也必须进行温度补偿来消除。磁滞回线实验第二章分析了超磁致伸缩材料所具有的磁滞现象，实验中选取被测电流2A循环和3A循环实验，研究在磁化场循环的过程中磁致伸缩滞后的现象，实验图如图4-18，4-19所示。在3A循环实验中，由于实验过程中温升原因，导致磁滞现象并不明显；在2A循环实验中，磁滞现象明显。图4-18电流2A循环的磁滞回线图图4-19电流3A循环的磁滞回线图实验结果分析将实验结果与理论进行对比。螺线管通入直流电为3A时，产生的磁场强度为18.63kA/m，偏置磁场提供的磁场强度为24kA/m，根据10Mpa预应力条件下的磁场强度与超磁致伸缩材料应变之间关系可得，材料形变量约为，由式(2-16)对应到波长偏移为1.1677nm。由图4-14及图4-15可以得出，当螺线管通入3A的直流电，偏置线圈施加4A的电流时，发生的波长偏移为0.54nm。将螺线管产生的磁场强度对比到通电直导线产生的磁场强度。通电直导线周围电流产生的磁场强度由式表示，假设传感头距离直导线的距离为2cm，要产生42KA/m大小的磁场需要直导线中通入电流为5275A，即能够测量0-5275A的直流电流，其等效的直流电流灵敏度为0.0001024nm/A。实验所用解调仪精度为1pm，则最小可测直流电流为10A，测量电流精度为交流电流检测实验不加偏置电流情况下交流电流检测实验交流驱动线圈中通入工频交流电流，电流幅值0~2A。计算机装有与解调仪配套的软件，其测试过程中的波形页面截图如图4-20所示，由于解调仪采样频率很快，对于具体波形分析还需根据磁场强度与超磁致伸缩材料应变之间的关系曲线，以及波长偏移与受到应变的关系，然后将所测数据经过matlab处理后得到。驱动电流与波长偏移对应的曲线如图4-21、4-22所示。解调仪采样频率为1kHz，一个波长周期内采样点为20，时间为0.02s。图4-20计算机软件截图图4-21未加偏置磁场时交流电流传感曲线图由图4-21可以看出，无论电流处在波峰或是波谷位置，波长的偏移都处在最大值，即波长偏移变化频率为电流频率的2倍，也就是产生了倍频现象。并且波长的偏移量并不是严格的正弦变化，这是由于超磁致伸缩材料所具有的非线性以及磁滞现象所引起。由图4-22可知交流电流很小时，曲线的非线性以及磁滞现象很明显，随着电流的增大，波长的偏移量变大，并且非线性以及磁滞现象的影响有所改善。由于超磁致伸缩材料存在非线性以及磁滞现象，使得波长的偏移量并不能完全反应电流的波形，而是周期与幅值与电流有对应关系。根据波长的偏移量，由磁场强度与超磁致伸缩材料应变关系曲线，通过数值插值可计算出电流的大小。图4-22交流电流取0.5A、1A、1.5A、2A时波长变化曲线图施加偏置电流情况下交流电流检测实验偏置线圈施加4A直流电流，驱动线圈施加工频交流电流，幅值0~2A。所得通入电流与波长偏移对应曲线图如图4-23。图4-23偏置电流4A交流电流2A时交流电流传感曲线图可以看出施加偏置磁场后，倍频现象消失，波长偏移的频率反映了交流电流的频率，并且幅值对应；同无偏置电流时相比，波长偏移有了很大提高，能够基本上反映电流正弦变化。但如图4-24所示，在一个周期内的波长偏移的曲线与电流曲线不是严格意义上的吻合，虽然非线性与磁滞现象有所改善但仍无法用具体函数关系表示，所以具体计算待测电流大小需用数值插值来计算。图4-24一周期内电流曲线与波长曲线示意图给定4A偏置电流，交变电流从小到大时波长偏移变化曲线如图4-25所示。从图中看出随着交流电流的增大波长偏移量增大，当交变电流产生的交变磁场大于偏置磁场时会有部分倍频现象出现如图4-26。图4-25偏置电流4A,交流电流不同时波长偏移曲线图图4-26交变磁场大于偏置磁场时波长偏移曲线图实验结果分析将实验结果与理论对比。驱动线圈通入交流电2A，偏置线圈通入直流电4A时，产生的磁场强度大小约为48kA/m，对应10Mpa条件下超磁致伸缩材料的形变量为，由式(2-16)对应得到波长偏移为1.296nm。由图4-23可以得出，在驱动线圈通入交流电2A，偏置线圈通入直流电4A时，发生的波长偏移为0.534nm。将螺线管产生的磁场强度对比到通电直导线产生的磁场强度，假设传感头距离直导线的距离为2cm，交变磁场变化范围为0~24kA/m，则最大可测导线交流电流为3014A，即能够测量0-3014A的导线交流电流，其等效的交流电流灵敏度为0.0001772nm/A。实验所用解调仪精度为1pm，则最小可测直流电流为6A，测量电流精度为0.2%。4.3实验误差分析(1)预应力影响如图4-27所示，在偏置电流4A交流电流2A情况下的实验曲线与第二章四次拟合的仿真曲线相比，从图中可以明显看出，实验过程中发生的波长偏移与计算机仿真出来的波长偏移相差较大，通过分析发现理论计算是在预应力为10MPa条件下进行的，而实际预应力大小约为3MPa左右。图4-27实验曲线与仿真曲线对比图如图4-28所示在3MPa与10MPa条件下磁致伸缩系数在磁场强度25kA/m之前相差不大，而在25kA/m之后，磁致伸缩系数相差很大。直流实验中的整体磁场强度为42kA/m，交流试验中整体磁场强度为48kA/m因此在试验中出现误差较大的现象。所以寻找精密预应力施加装置，提高预应力能够使实验结果与理论误差减少，提高实验精度。图4-283MPa和10MPa条件下的磁致伸缩系数与磁场强度关系图(2)温度影响温度对实验的影响在第二、三章都进行了理论分析，并在实验中提出了具体减小温度影响的方法。虽然实验系统采用了隔热材料、冷风、较小测量时间等措施以减小实验过程中的发热现象，但是从直流实验中看当电流达到3A时实验中发热现象开始显现，尤其是在3A循环电流测试磁滞回线的实验中更为明显。在实际中的应用中，都是长时间的电流监测，由于实验的发热问题对实验的影响是非常大的。对于温度的影响问题，最为有效的方法是进行温度补偿，本实验通过测量光栅能够测量实验环境温度能够补偿不同环境温度对实验的影响，但是对于实验过程中的温度变化则无能为力，目前采用较多的温度补偿方法是利用两个光栅进行测量，一个进行电流测量