【正文】 the safety and economy of operation in electric power system the development of power, conventional current transducer can39。 在理論設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的電磁式電流互感器隨著電力行業(yè)的發(fā)展己經(jīng)難以滿足需求。 參 考 資 料 王博文 .超磁致伸縮材料設(shè)備與器件設(shè)計(jì) 黎敏，廖延彪。光纖傳感器及其應(yīng)用技術(shù)。目前光學(xué)電流互感器因其明顯的優(yōu)越性為電流檢測(cè)提供了很大的應(yīng)用價(jià)值，是將來(lái)電力系統(tǒng)在電流檢測(cè)方向發(fā)展的趨勢(shì)之一。具體分析了預(yù)應(yīng)力、溫度、偏置磁場(chǎng)等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的作用效果，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)線圈以及偏置線圈的線徑、尺寸。t meet requirements. Now the optical current transformer(OCT) have potential application cost because of it39。 Giant magostrictive materials。隨著電 壓等級(jí)的提高，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器暴露出一系列嚴(yán)重的缺點(diǎn)：磁飽和、鐵磁諧振、絕緣難度大、動(dòng)態(tài)范圍小、頻帶窄以及有油易燃易爆等 [1]。目前在電力系統(tǒng)的發(fā)電 、輸電、變電等領(lǐng)域，尤其是對(duì)高壓系統(tǒng)的測(cè)量和監(jiān)控方面，光學(xué)電流互感器具有明顯的優(yōu)越性，是傳統(tǒng)電磁式電流互感器的理想替代產(chǎn)品 [2]。能夠適應(yīng)電力系統(tǒng)數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的需求。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 光學(xué)電流互感器主要研究方案有兩種：基于法拉第磁光效應(yīng)的電磁式電流互感器，基于磁致伸縮效應(yīng)的光學(xué)電流互感器。采用具有較高菲爾德常數(shù)的一整塊光學(xué)玻璃作為核心傳感元件的塊狀玻璃光學(xué)互感器，其受到線性雙折射的影響較小并且選擇材料的范圍很廣泛，但是其塊狀玻璃有著易碎，成本高昂等缺陷。最初的磁致伸縮材料是由鎳合金等材料構(gòu)成，這種材料伸縮系數(shù)小，精度比較低，從而約束了它的發(fā)展。 將 GMM 用在電流互感器通常是采用在 GMM 圓柱體周圍繞上光纖、光纖粘貼在 GMM 材料上或是將 GMM 金屬膜鍍?cè)诠饫w表面等方法。所以發(fā)生應(yīng)變或是溫度變化會(huì)使 FB G 的中心波長(zhǎng)發(fā)生偏移，通過(guò)解調(diào)儀或是其他檢測(cè)手段測(cè)出波長(zhǎng)的偏移量就能得出應(yīng)變或是溫度的變化情況。 綜上所述，至今為止對(duì) GMMFBG 電流傳感系統(tǒng)的研究仍然僅限于處在螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)條件下，而難以應(yīng)用到實(shí)際的電路測(cè)量。 光纖光柵傳感器應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域是民用工程中的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。光纖光柵傳感器因?yàn)樽陨淼膬?yōu)勢(shì)安全性非常適合應(yīng)用在石油化工領(lǐng)域里 ”。日本核能研究院 1999 年 4 月～ 2020 年 3 月的年度報(bào)告中提到，通過(guò)輻射環(huán)境測(cè)試能確保光纖光柵用于核電廠設(shè)備和管道方面的傳感，并可在幾乎整個(gè)反應(yīng)堆壽命期間忍耐著核輻射。 傳感器的小尺寸在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中是非常有意義的，光纖光柵傳感器是現(xiàn)今能夠做到最小的傳感器。光纖光柵傳感器還被研究用來(lái)進(jìn)行心臟效率的測(cè)量，這種測(cè)量基于一種定向熱稀釋導(dǎo)流管方法。 在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。其非凡的抗輻射能力、優(yōu)良的電氣絕緣性能和快速的頻響等優(yōu)勢(shì)都為其在電力系統(tǒng)中的更多應(yīng)用提供了更大現(xiàn)實(shí)可行性。 (4)根據(jù)已經(jīng)提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成光學(xué)電流傳感器的仿真。作為目前研究程度很深的新型稀土合金材料 —— 超磁致伸縮材料，有著較大的磁致伸縮系數(shù)，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。 圖 21 光纖光柵的基本原理圖 如圖 21 所示，光纖光柵作用實(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的 (透射或反射 )濾波器和反射鏡，光源產(chǎn)生的光為 iI ，能夠透射出光纖的光為 tI ，其余照射光纖后由于與光柵中心波長(zhǎng)相同的光會(huì)被反射回來(lái)，這部分光被稱入 射 光 譜 纖 芯 包 層 涂 敷 層 透 射 光 譜反 射 光 譜 iIiI tI tIrIr燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 為 rI 。 （ 3）峰值反射率 第 2章 光纖光柵電流傳感器的設(shè)計(jì) 9 最大的峰值反射率由下面公式求出： 2tanRL?? （ 25） 光纖光柵的傳感原理 非常廣泛用于壓力、應(yīng)變、溫度及動(dòng)態(tài)電磁場(chǎng)等的測(cè)量的 FBG，測(cè)量的基本原理是隨著外界環(huán)境參數(shù)的變化 FBG 的中心波長(zhǎng)也總是發(fā)生相應(yīng)的變化，通過(guò)解調(diào) FBG 的中心波長(zhǎng)漂移量便可以準(zhǔn)確得到待測(cè)物理量的信息。為了更好研究這種情況，應(yīng)先忽略溫度和應(yīng)力的交叉影響，單一考慮溫度或者應(yīng)力作用下的影響。 綜上所述，溫度對(duì) Bragg 波長(zhǎng)偏移的影響如下： ? ?BB? ???? ? ? ? （ 210） 從上式可以明顯看出，當(dāng)光纖光柵的材料被確定好后，其對(duì)溫度的靈敏度系數(shù)也被隨之確定，從而可以判定光纖光柵作為溫度傳感器有很好的 實(shí)用性。又由式（ 23）可有： ? ? ? ?2 1 2 2 3 31/ i i i ze ffn p v p v p ?? ? ? ? （ 216） 式中 2v ， 3v —— 光纖的泊松比，并有如下關(guān)系： 231jzvv????????????? （ 217） 由此可得因應(yīng)力作用而引起 Bragg 波長(zhǎng)的變化為： ? ? ? ?221 / 12B e ff z e i ze ffBn np? ???? ? ? ? ? ? ? （ 218） 式中 ? ?221 2 2 3 321e ff e ffe i i i ie ffnnp p v p v pn??? ? ? ? ????? （ 219） 在一般的石英光 纖中，與材料有關(guān)的系數(shù) eip ≈，因此式（ 218）可化為： ? ?1 0 .7 8Bei z zB p? ???? ? ? （ 220） （ 3） 光纖光柵應(yīng)變 — 溫度耦合模型 當(dāng)溫度與應(yīng)變力作為單一參量變化時(shí)，都會(huì)使光纖光柵的波長(zhǎng)發(fā)生偏燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 移，而現(xiàn)實(shí)情況中兩者情形都會(huì)容易出現(xiàn)，所以應(yīng)該建立光纖光柵應(yīng)變 — 溫度耦合模型。在所有商品材料中，稀土超磁致伸縮材料是在物理作用下應(yīng)變值最高、能量最大的材料。 （ 3） 響應(yīng)時(shí)間僅為百萬(wàn)分之一秒，適用于制造快速執(zhí)行器件。 目前，國(guó)內(nèi)外科研工作者都非常重視超磁致伸縮功能材料與元件、應(yīng)用器件研制開發(fā)的一體化。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 超磁致伸縮材料的基本原理 外磁場(chǎng)中的鐵磁體被磁化后，其體積和長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，這種現(xiàn)象被稱之為磁致伸縮效應(yīng)。 （ 2）線磁致伸縮效應(yīng) 這是指鐵磁體在磁化過(guò)程中發(fā)生線性的伸長(zhǎng)或是收縮，如下所示。 圖 24 鐵磁體線磁致伸縮效應(yīng)示意圖 由于鐵磁體的體磁致伸縮效應(yīng)很小，所以目前對(duì)鐵磁體的磁致伸縮效應(yīng)的研究工作主要集中在線磁致伸縮效應(yīng)方面，所以磁致伸縮效應(yīng)通常指線磁致伸縮效應(yīng)。這個(gè)數(shù)用 S? 表示，對(duì)于己知鐵磁體 S? 是一個(gè)常數(shù)。 圖 25 幾種鐵磁體磁致伸縮系數(shù)隨磁場(chǎng)變化示意圖 除磁致伸縮效應(yīng)以外，磁致伸縮 材料還有以下幾種效應(yīng) [ 10] (1) Villari 效應(yīng)。 (3) Viedemauu 效應(yīng)。 (5) Jump 效應(yīng)。當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度大小不飽和、低頻激勵(lì)的情況下， ? 的量值可有下面方程給出： =/ HE qH?? ? （ 225） 式中 HE —— 給定磁場(chǎng)強(qiáng)度下超磁致伸縮材料的楊氏模量 (N/ 2m )； ?—— 材料在應(yīng)變方向的預(yù)應(yīng)力 (Mpa) ； q—— 磁致伸縮系數(shù)或壓磁系數(shù)。 超磁致伸縮材料的應(yīng)用特性 由磁致伸縮材料的結(jié)構(gòu)及特性出發(fā)，在應(yīng)用超磁致伸縮材料器件的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮以下幾個(gè)問(wèn)題： （ 1）倍頻和偏置磁場(chǎng) 。目前提供偏置磁場(chǎng)的手段主要有兩種，一種是永磁體，一種是直流線圈 [ 11]。 （ 3） 驅(qū)動(dòng)頻率。要想提高工作頻率，棒的直徑需要相應(yīng)地減小。磁致伸縮材料棒工作在施加預(yù)壓應(yīng)力的狀態(tài)下時(shí)，其磁致伸縮量要比無(wú)預(yù)壓應(yīng)力時(shí)大，但同時(shí)預(yù)壓應(yīng)力又 不能過(guò)大，一般在 10～ 15MPa 范圍內(nèi)時(shí)具有較大的磁致伸縮系數(shù)和較好的線性度，在具體設(shè)計(jì)中的取值要根據(jù)所選取的磁致伸縮材料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定。 （ 2）根據(jù)驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)大小來(lái)選 擇適當(dāng)?shù)拇胖律炜s材料以及永磁體 由偏置磁場(chǎng)的取值特點(diǎn)可知，永磁體產(chǎn)生的偏置磁場(chǎng)大小約為24kA/m，由此可知作用在超超磁致伸縮材料上的磁場(chǎng)大小約為 0～ 48kA/m，所以需要所選材料在其磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)有很好的線性度。 (3) 計(jì)算光纖光柵波長(zhǎng)偏移量 通過(guò)理論研究發(fā)現(xiàn)，超磁致伸縮材料應(yīng)變量大小 ll/??? 與光柵的軸向應(yīng)變 llZ /??? 具有不同的物理意義前者由磁場(chǎng)引起，后者產(chǎn)生機(jī)理源于力學(xué)效應(yīng)，但是，由磁場(chǎng)引起的伸縮與應(yīng)變場(chǎng)作用下的效果是相同的。 最后根據(jù)所選超磁致伸縮材料尺寸以及計(jì)算結(jié)果選取的光纖光柵為美國(guó)微光公司出產(chǎn)，中心波長(zhǎng)為 ，光柵長(zhǎng)度為 14mm。利用光纖光柵對(duì)應(yīng)變、溫度的傳感特性，可實(shí)現(xiàn)測(cè)量效果，從而為本課題的實(shí)現(xiàn)提供了理論支持；對(duì)超磁致伸縮材料的磁致伸縮效應(yīng)以及其基本特性進(jìn)行了簡(jiǎn)述，并且分析了器件在具體應(yīng)用應(yīng)注意的一些問(wèn)題，通過(guò)分析建立了超磁致伸縮材料的傳感模型。其抗干擾能力很強(qiáng)，與光源的強(qiáng)度、光的偏振等因素均無(wú)關(guān)。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，多用于實(shí)驗(yàn)室。 匹配光柵法 匹配光柵法是指用一個(gè)與傳感光柵能夠相匹配的光柵來(lái)探測(cè)傳感光柵中發(fā)生的波長(zhǎng)偏移，兩個(gè)匹配光柵在同樣的應(yīng)變下具有相同的中心波長(zhǎng)，其基本原理如圖 34。當(dāng)傳感光柵的中心波長(zhǎng)發(fā)生 B?? 的波長(zhǎng)偏移時(shí)，干涉儀中發(fā)生的相位變化為 )( B??? 為 2/nd2 BBB ????? ?? ）（ ，由上式可知 ，只要解調(diào)出 )( B???就能夠知道中心波長(zhǎng)的偏移量。光纖 FP 濾波器主要是由壓電晶體和鍍有半反射膜的光纖組成，兩段光纖形成了 FP 干涉腔。那么當(dāng)光線垂直入射的時(shí)候，其透射率可以化簡(jiǎn)為： ?? LRR RTMMM n2s i n4)1(1222r ???? ）（ （ 33） 光纖 FP 濾波器的輸出光的波長(zhǎng)可表示為： ???? 3,2,1n2 KKL，? （ 34） 由公式 (34)可知，光纖 FP 濾波器能夠進(jìn)行波長(zhǎng)的選擇，其選擇的波長(zhǎng)的大小正比于 FP 腔長(zhǎng) L。 此解調(diào)方案靈敏度高、操作方便、系統(tǒng)穩(wěn)定性高及調(diào)諧帶寬范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。 圖 38 電流檢測(cè)系統(tǒng)示意圖 （ 1）光源 光源性能的好壞對(duì)于整個(gè)解調(diào)系統(tǒng)起著重要的作用。本方案所選用的是美國(guó)微光公司生產(chǎn)的型號(hào) SM130 解調(diào)儀，其解調(diào)原理為可調(diào)諧 FP 濾波法。 圖 37 FP 濾波器解調(diào)工作示意圖 在具體解調(diào)系統(tǒng)中的工作原理如圖 37 所示。 圖 35 非平衡 MZ 干涉解調(diào)法示意圖 圖 36 FP 腔結(jié)構(gòu)示意圖 當(dāng) FP 干涉腔的長(zhǎng)度為 L 的時(shí)候，其腔鏡的反射率為 MR ，那么諧振腔的透射率 rT 的表達(dá)式為： 2s i n4)1(1222r ?MMMRRRT???? ）（ (31) 式中 ? —— FP 腔中的兩條相鄰光線之間的相位之差，其表達(dá)式為 : 寬 帶 光 源光 纖 光 柵耦 合 器積 分 器數(shù) 據(jù) 處 理 系 統(tǒng)+反 向 放大 系 統(tǒng)非 平 衡 M Z干 涉 儀光 電 探 測(cè) 器差 分 放 大 器P Z T L 1 探 測(cè) 器 L L 2 壓 電 體第 3章 光纖光柵電流檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 25