【正文】 ????? 2c o sn4t?? L （ 32） 式中 t? —— 光纖入射到光纖光柵上的入射角。 實(shí)驗(yàn)所用傳感信號(hào)解調(diào)方法一可調(diào)諧 FP 濾波法 19 世紀(jì)末， FabryPerot 濾波器 (FPTF)就已經(jīng)被用于光譜分析。接受光柵固定在一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器上，通過掃描接受光柵的中心波長，當(dāng)兩個(gè)光柵相匹配時(shí)，就可以確定傳感光柵中的中心波長 [ 14]。傳感光柵將寬帶光源發(fā)出的光反射回禍合器，由禍合器輸出的光分為兩束，這兩束輸出的光功率與入射光的功率在同一坐標(biāo)系中形狀如 X，兩束輸出光通過光電檢測裝置將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過處理消除光功率變化產(chǎn)生的影響，最后得到波長的偏移量。 光譜儀 光纖光柵傳感系統(tǒng)中對(duì)波長偏移檢測最直接方法為 :輸入到光纖光柵的寬帶光，直接用光譜儀檢測出光的 B?? ，如圖 31 所示，其基本原理為， 通過調(diào)整衍射光柵的角度，衍射光柵能夠分離出不同的波長，分離出來的特定波長經(jīng)過反射鏡聚焦在光闌孔然后通過探測器能夠檢測出波長信息，旋轉(zhuǎn)衍射光柵能夠掃描波長的范圍，如圖 32。同一般光纖傳感器相比，以光纖光柵作為敏感元件的傳感器優(yōu)勢在于其傳感器屬于波長編碼。 通過對(duì)傳感器的設(shè)計(jì)計(jì)算可知，在 0A～ 3000A，永磁體提供偏置磁場24kA/m的情況，產(chǎn)生的波長偏移為 0～ 。 由式 223 可知，在忽略溫度影響的條件下，己知光纖光柵的中心波長，通過形變量的大小就能知道波長偏移量的大小。所選材料尺寸大小為 ? 5mm30mm，該超磁致伸縮材料 在10MPa 預(yù)應(yīng)力下的磁場強(qiáng)度與磁致伸縮系數(shù)的關(guān)系如圖 29 所示。 （ 1）計(jì)算高 壓母線上產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)磁場大小 目前 SOOkV 電壓等級(jí)的高壓輸電線路上電流能夠達(dá)到 3000A，假定測量范圍是 0～ 3000A，對(duì)于通電直導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度計(jì)算公式： 2IH R?? (228) 式中 I—— 母線上電流強(qiáng)度 (A)； R—— 距離母線距離 (m) ； H—— 磁場強(qiáng)度 (kA/m) 。 1/ ??mkAH?燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 圖 27 磁致伸縮棒直徑與臨界頻率的關(guān)系圖 (4)預(yù)應(yīng)力。當(dāng)線圈中的電流頻率較高時(shí)，在超磁致伸縮棒中產(chǎn)生感應(yīng)電流，渦流導(dǎo)致能量損失并且產(chǎn)生反向磁場，降低了有效磁導(dǎo)率及電感。當(dāng)磁致伸縮材料由交變磁場驅(qū)動(dòng)時(shí)，交變磁場由驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生。如圖26 所示，材料的這種倍頻現(xiàn)象可通過在棒上加一個(gè)恒定的偏置磁場 bH 來消除，并且施加偏置磁場后還能夠減小磁致伸縮棒動(dòng)態(tài)響應(yīng)的不靈敏區(qū)域，使其應(yīng) 變的線性度更好并且能夠得較大的動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)。當(dāng)考慮到由磁場引起的磁滯效應(yīng)時(shí)，式 (225)則可表示為： 2/ HE qH?? （ 226） 可以看出在考慮到材料的磁滯效應(yīng)時(shí)，超磁致伸縮材料的磁致應(yīng)變量與磁場強(qiáng)度并不是完全的構(gòu)成線性關(guān)系，在具體的實(shí)驗(yàn)中應(yīng)根據(jù)具體的磁致伸縮材料的特性來建立傳感模型。 超磁致伸縮材料傳感模型的建立 超磁致伸縮材料在外加磁場的作用下產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，其應(yīng)變大小可表示為： llH /??? ），（ ??? （ 224） 81 63 24 04 85 6 6 47 21 02 03 00 1 0 2 0 3 0)/( mkAHCoNiFeFeNi ?%36 CoNi ?%30磁致伸縮系數(shù) λ∥610?燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 式中 ? —— 超磁致伸縮材料的磁致應(yīng)變量； ?—— 施加預(yù)應(yīng)力大小 (Mpa) ； H—— 外加磁場強(qiáng)度大小 (kA/m) ； l—— 超磁致伸縮材料初始長度 (m) ； l? —— 伸長量 ((m) 。 (4) Auti— Viedemauu 效應(yīng)。 (2) E? 效應(yīng)。隨磁場強(qiáng)度 H 增加HlΔ l第 2 章 光纖光柵電流傳感器的設(shè)計(jì) 15 至飽和狀態(tài)，鐵磁體沿磁化方向發(fā)生縮短， S? 為負(fù)。隨著溫度的變化， ? 會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)溫度達(dá)到居里溫度時(shí)，磁致伸縮效應(yīng)將會(huì)消失。其中 l 為鐵磁體的長度， l? 表示鐵磁體在 l方向上的伸長量。 （ 1） 體磁致伸縮效應(yīng) 這指的是鐵磁體在磁化過程中體積發(fā)生的收縮或者膨脹，用 w 表示磁致伸縮系數(shù)，則有 VV/w ?? 。根據(jù)磁致伸縮材料特性，其主要的應(yīng)用領(lǐng)域有： ① 高能微型機(jī)械功率源； ② 新型飛機(jī)和空間站振動(dòng)主動(dòng)控制； ③ 新型飛機(jī)自適應(yīng)機(jī)翼； ④ 高精度快速微位移致動(dòng)器； ⑤ 大功率低頻聲納 系統(tǒng)。 （ 5） 工作頻帶的范圍很廣，有著很好的頻率特性，可在低頻下工作。其與純鎳和壓電陶瓷（ PZT）的性能如下表所示： 第 2 章 光纖光柵電流傳感器的設(shè)計(jì) 13 表 21 TerfenolD 與純鎳以及壓電陶瓷 (PZT)的性能比較 參數(shù) TerfenolD Ni PZT 飽和磁致伸縮應(yīng)變 610??s? 1500~20xx 35~40 100~600 能量轉(zhuǎn)換效率 (%) 49~56 9 23~52 響應(yīng)時(shí)間 )(s? 1 — 10? 抗拉強(qiáng)度 (MPa) 28 — 76 抗壓強(qiáng)度 (MPa) 700 — — 承載能力 (MPa) 20 — 4 通過上表的性能比較可以知道，與壓電陶瓷以及一般磁致伸縮材料相比， Terfenol— D 有著以下優(yōu)勢： （ 1）磁致伸縮應(yīng)大小純 Ni 大 50 倍，比 PZT 材料大 5～ 25 倍，比純Ni和 合金高 400～ 800 倍。 忽略交叉靈敏度的影響后， Bragg 波長偏移在應(yīng)變和溫度的共同影響下表示為： ? ? ? ?1B e i zB PT? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? （ 223） 由上式可知，在實(shí)際的測量中，應(yīng)當(dāng)考慮到去敏和 增敏的問題，即降低增加被測量的靈敏度，降低非被測量的靈敏度。 相對(duì)介電抗?jié)B張量 ij? 與介電常數(shù) ? 的關(guān)系為： 21 / 1 /ij ijn???? （ 212） 可有： 2 2 31 1 2 e ffijij e ff e ffnn n n? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? （ 213） 式中 ijn —— 某方向上的光纖折射率。 另一方面熱致效應(yīng)使光柵周期發(fā)生相應(yīng)變化，即： = T?? ???? （ 28） 式中 ? —— 光纖的熱膨脹系數(shù)。 圖 23 光纖光柵傳感原理圖 光纖光柵傳感模型的建立 由公式 effnB ??2? 可知，光纖光柵周期 ? 和纖 芯折射率 efn 的改變決定了光纖光柵的中心波長的變化，相應(yīng)的變化量 effn? 和 ?? 致使符合 Bragg 波長條件的反射波長發(fā)生變化 B?? [ 8]。則有以下公式： ?? cos2 1nB ?? （ 21） 該公式也可寫作： ?? sin2 1nB ?? （ 22） 式中 ? —— 柵格周期。 光纖光柵特性介紹 光纖光柵的基本原理 通過用周期性強(qiáng)度調(diào)制的紫外光從光纖的側(cè)面照射光纖表面，從而使被照射部分光纖纖芯的折射率發(fā)生永久性的變化，這種因?yàn)檎丈浔挥谰眯愿淖兞苏凵渎实墓饫w被稱為光纖光柵。第 2 章 光纖光柵電流傳感器的設(shè)計(jì) 7 第 2 章 光纖光柵電流傳感器的設(shè)計(jì) 進(jìn)入新世紀(jì)以來，光纖光柵是發(fā)展最為迅速的光纖無源器件之一。 (2)論述光纖光柵與超磁致伸縮材料的傳感原理與基本性能，完成傳 感器的設(shè)計(jì)。因此對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測時(shí)必須配置可靠的檢測系統(tǒng)，及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)故障并加以維護(hù)，保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。有很多電力設(shè)備所在的位置是常人難以到達(dá)的地方，如荒原沙漠、荒山丘陵中的傳輸電纜和中繼變電站，為了極大地減少設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，充分利用分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)的遙測能力是明智的選擇。光纖光柵傳感器對(duì)人體組織的損害非常之小，足以避免對(duì)正常醫(yī)療過程的干擾。 使用傳感器 密集的航空航天業(yè)，體現(xiàn)了其行業(yè)最高要求 —— 安全。核廢料的管理措施也變得更加重要，需要有特定的 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)視核廢料站的具體狀況，對(duì)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)長期穩(wěn)定的高要求也是前所未有的。有一座跨度 72 米的預(yù)應(yīng)力混凝土橋聳立在德國德累斯頓附近高速公路上，德累斯頓大學(xué)的 Meissner 等人將光纖布喇格光柵埋進(jìn)橋的混凝土棱柱中，進(jìn)而測量荷載下的基本線性響應(yīng)，并用常規(guī)的應(yīng)變測量儀器作了相應(yīng)的對(duì)比試驗(yàn) ，充分證實(shí)了光纖光柵傳感器的現(xiàn)實(shí)可行性 [ 6]。 光纖光柵傳感應(yīng)用概況 80 年代后期產(chǎn)生的光纖布喇格光柵，自從問世以來，其傳感技術(shù)就成燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 為光纖傳感技術(shù)中最具活力的一種技術(shù) [ 5]。國內(nèi)很多大學(xué)如南開大學(xué)、武漢理工大學(xué)、燕山大學(xué)等對(duì) GMMFB G 相繼展開了研究實(shí)驗(yàn)，也都取得不錯(cuò)的結(jié)果，不過更多的是把如何消除實(shí)驗(yàn)影響因素方面作為研究重點(diǎn)。 通過紫外光對(duì)光纖進(jìn)行照射，使得光纖芯折射率發(fā)生變化而形成芯體布喇格光柵的光纖布喇格光柵 (Fiber Bragg Grating, FBG)傳感技術(shù)，對(duì)于滿足布喇格條件的入射光中 90%以上的窄帶光譜能夠?qū)崿F(xiàn)反射，反射譜的中心波長只是由 FBG 的周期以及有效折射率所決定 [4]。起初在 1989 年時(shí)是由美國前沿技術(shù)公司開始成產(chǎn)銷售，隨后瑞典、口本、俄羅斯、英國等國家也相繼研發(fā)出類似產(chǎn)品 。到目 前為止塊狀玻璃光學(xué)電流互感器是實(shí)際經(jīng)驗(yàn)最為豐富，掛網(wǎng)運(yùn)行最多，并且穩(wěn)定性最好的一種光學(xué)電流互感器。其中全光纖電流互感器具有光路簡潔，制作方便，可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，不過外界環(huán)境溫度、入射偏振面以及光纖本身雙折射等因素能較大的影響輸出的靈敏度。 光學(xué)電流互感器的現(xiàn)實(shí)意義體現(xiàn)于三個(gè)方面：一、光學(xué)電流互感器的研燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 究作為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的技術(shù)基礎(chǔ)之一，起著先導(dǎo)性的作用；二、光學(xué)電流互感器的運(yùn)用保證了現(xiàn)代電力行業(yè)的高效安全生產(chǎn)，在更大的程度上提升了人民的生活質(zhì)量；三、光學(xué)電流互感器屬于高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，具有高增長、高回報(bào)的特點(diǎn)。在 OCT 中，用來做傳感元件的光學(xué)材料、傳輸信號(hào)的光纖都是良好的絕緣材料，結(jié)構(gòu)簡單，降低了成本；不含鐵心，不會(huì)產(chǎn)生磁飽和及鐵磁共振，因而系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性好，適用于大電流的故障診斷；可靠性強(qiáng)，無二次開路產(chǎn)生高壓的危險(xiǎn)以及避免了因充油引發(fā)的易燃易爆等危險(xiǎn)；測量頻帶寬。在這種背景下，尋求更理想的新型電流互感器已勢在必行，目前研究重點(diǎn)是利用光學(xué)傳感技術(shù)來檢測電流，即用光電子學(xué)的方法和光纖傳感技術(shù)來發(fā)展所謂的光學(xué)電流互感器 ( optical current transformer，簡稱OCT ) 。由于對(duì)電流檢測系統(tǒng)和繼電保護(hù)系統(tǒng)智能化、自動(dòng)化等要求的不斷提升，使電流互感器的研究發(fā)展十分迅速。 then the sensing properties of giant magostrictive material is analyzed. Then the sensor is designed based on the giant magostrictive material and the fiber bragg grating. Theoretically plete 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 FP filter d