【正文】 ..................................................... 31 不加偏置電流情況下交流電流檢測(cè)實(shí)驗(yàn) ........................................... 32 施加偏置電流情況下交流電流檢測(cè)實(shí)驗(yàn) ........................................... 34 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 ....................................................................................... 35 本章小結(jié) ............................................................................................... 35 結(jié)論 ...................................................................................................................... 37 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................. 39 致謝 ...................................................................................................................... 41 附錄 ...................................................................................................................... 42 第 1 章 緒論 1 第 1 章 緒論 課題背景 長(zhǎng)期以來(lái)，在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，一直是由傳統(tǒng)的電流互感器來(lái)完成高壓電網(wǎng)的電流測(cè)量工作。因此對(duì)于電力系統(tǒng)的發(fā)展需要，傳統(tǒng)的電流互感器已經(jīng)難以滿足其要求。光學(xué)電流互感器克服了傳統(tǒng)電磁式電流互感器的很多缺點(diǎn)，具有如下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：絕緣性能好，成本低。所以目前光學(xué)式電流互感器在電力系統(tǒng)中，有著廣泛的發(fā)展前途和應(yīng)用前景。 基于法拉第磁光效應(yīng)的電磁式電流互感器包括全光纖電流互感器以及塊狀玻璃光學(xué)電流互感器兩種。其中 等人聯(lián)合設(shè)計(jì)的塊狀玻璃光學(xué)電流互感器在 1 A～ 3 kA 的測(cè)試范圍內(nèi)，獲得的分辨率為 20mA/Hz，并可在頻率 1 Hz～ 1OkHz 范圍內(nèi)能夠得到平坦的頻率響應(yīng) [7]。 80 年代時(shí)美國(guó)阿姆斯實(shí)驗(yàn)室研制成功了新型的超磁致伸縮材料 (Giant Magostrictive Materials， GMM)并且率先實(shí)現(xiàn)商品化。美國(guó)的, 和捷克的 M. Sedla 將 GMM 周圍纏繞上光纖利用MZ 干涉儀完成了電流測(cè)量實(shí)驗(yàn)，取得了實(shí)驗(yàn)階段性 的成果。自從 FB G 被應(yīng)用以來(lái)，將FBG 與 GMM 結(jié)合起來(lái)作為電流互感器成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的主要方向。工頻交流的測(cè)量研究上應(yīng)用 GMMFBG 傳感系統(tǒng)僅僅開(kāi)始于 20xx 年，而且絕大多數(shù)焦點(diǎn)在于如何減小溫度影響方面。在橋梁、大壩、隧道、高層建筑和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館的維護(hù)上基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)、力學(xué)參數(shù)的測(cè)量是至關(guān)重要的，通過(guò)測(cè)量建筑物的分布應(yīng)變，可以預(yù)測(cè)局部荷載的狀態(tài)。 作為新興能源行業(yè)的的核工業(yè)，最大的缺陷就是高輻射，核泄漏對(duì)人類是一個(gè)很大的威脅，貝爾格利核電站泄漏的巨大影響至今還沒(méi)有完全消除，因此對(duì)于核電站的安全檢測(cè)及其重要。目前，光纖光柵傳感器已用于核電廠的混凝土變形測(cè)量等第 1 章 緒論 5 諸多實(shí)際情況中。光纖光柵傳感器能夠通過(guò)最小限度的侵害方式對(duì)人體組織功能進(jìn)行內(nèi)部測(cè)量，提供有關(guān)溫度、壓力和聲波場(chǎng)的精確局部信息。 在電力工業(yè)中，設(shè)備大都處在強(qiáng)電磁場(chǎng)中，普通的電類傳感器無(wú)法正常使用。 20xx年美加電網(wǎng)崩潰，這次大面積嚴(yán)重停電事故造成直接經(jīng)濟(jì)損失不下于 300億美元 [ 5]，給未來(lái)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展蒙上一層陰影。 課題研究的主要內(nèi)容 本文在對(duì)超磁致伸縮材料與光纖光柵傳感技術(shù)進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于超磁致伸縮材料的光纖光柵電流互感器，所做工作主要有： (1)分析研究光學(xué)電流互感器國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，提出基于超磁致伸縮材料的光纖光柵電流檢測(cè)的方案。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理 并仿真 ， 進(jìn)而驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性 。 本章首先介紹 FBG 傳感的基本原理，超磁致伸縮材料的基本特性，由此根據(jù)傳感特性完成傳感器的設(shè)計(jì)。 光纖光柵的特征參量 光纖光柵的特征參量有：中心波長(zhǎng)、反射譜帶寬、峰值反射率，針對(duì)它們的具體描述如下： （ 1） 中心波長(zhǎng) B? Bragg 波長(zhǎng) B? 是指在光纖光柵中傳輸并能滿足 Bragg 條件的波長(zhǎng)，根據(jù)光纖知識(shí)，如圖 22 所示，基模與光纖光柵對(duì)應(yīng)的的光 線方向和光纖的光軸夾角為 ? ，光線對(duì)光纖的余角為 ? ，顯然 ? 與 ? 之和為 90176。 如圖 23 所示，寬帶光源的光線進(jìn)入 FBG 中，滿足 Bragg 反射條件的光將發(fā)生反 射，當(dāng)被測(cè)信息量發(fā)生一定變化并能使光纖光柵所在環(huán)境的應(yīng)變、溫度、應(yīng)力等其它物理量發(fā)生變化時(shí)，光柵周期或纖芯折射率將發(fā)生變化，反射光的中心波長(zhǎng)隨之發(fā)生變化，進(jìn)而通過(guò)測(cè)量物理量變化前后反射光中心波長(zhǎng)的變化，就可以獲得待測(cè)物理量具體的變化情況。 （ 1）光纖光柵溫度傳感模型 光纖光柵所在環(huán)境受到溫度 T? 變化時(shí)， Bragg 波長(zhǎng)偏移一方面是因?yàn)檠嗌酱髮W(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 熱光效應(yīng)使其折射率發(fā)生了變化，即： eff eff Tnn? ??? ? ? （ 27） 式中 ? —— 熱光系數(shù)。 （ 2）光纖光柵應(yīng)變傳感模型 忽略溫度和其他影響后，軸向力有兩個(gè)作用 —— 伸縮和拉伸，應(yīng)變作用對(duì)光柵周期的影響致使光柵的周期性伸縮： ? ?= 1+??? ? （ 211） 式中 ? —— 軸向的應(yīng)變量。 首先假設(shè)溫度變化極小，則在溫度變化之內(nèi)光纖光柵的彈光系數(shù)和泊松比以常數(shù)對(duì)待，進(jìn)而可得出應(yīng)變 — 溫度的交 叉靈敏度系數(shù)為： ? ? ? ? ? ?1 2 2T e e i e i B t e e i BK P P K K P? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ????? （ 221） 可以被整理為： ? ? ? ? ? ?2 1 11e i BeiBBT e i BP PKPT T T T? ??? ?? ???? ??????? ? ? ? ?? ? ? ? ? （ 222） 而一般的光纖光柵，溫度為 0℃ ～ 100℃ 和應(yīng)變?yōu)?0～ ％的測(cè)量范圍之內(nèi)時(shí)，經(jīng)過(guò)測(cè)試，因?yàn)闇囟犬a(chǎn)生的誤差為 ％，因?yàn)閼?yīng)變產(chǎn)生的誤差極小，所以光纖光柵交叉靈敏度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響不大。 70 年代才發(fā)現(xiàn)的新型材料Terfenol— D，由美國(guó)依阿華州阿姆斯實(shí)驗(yàn)室 率先研制成功。 （ 4） Terfenol— D 為基礎(chǔ)制備的器件所需要的驅(qū)動(dòng)電壓較低，而其它材料制成的器件則需要達(dá)到幾千伏 。迄今為止，已經(jīng)有 1000 多種 GMM 器件問(wèn)世，應(yīng)用面涉及電子、機(jī)械、航空航天、國(guó)防軍工、農(nóng)業(yè)、石油、紡織等領(lǐng)域，極大地促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。 1842 年時(shí)焦耳首先發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象，因此磁致伸縮效應(yīng)也被稱為焦耳效應(yīng)。線磁致伸縮系數(shù)用 ? 表示， ll/??? 。 磁致伸縮系數(shù)兄與溫度和磁場(chǎng)相關(guān)。 S? 是一個(gè)可正可負(fù)的系數(shù)，其正負(fù)是這樣定義的 :隨磁場(chǎng)強(qiáng)度 H 的增加至飽和狀態(tài)，鐵磁體沿磁化方向發(fā)生伸長(zhǎng)，則 S? 為正 。即磁致伸縮的逆效應(yīng)，當(dāng)磁致伸縮材料發(fā)生形變或是受到應(yīng)力作用下會(huì)引起材料的磁化狀態(tài)發(fā)生改變的現(xiàn)象。在磁致伸縮材料上形成適當(dāng)?shù)拇怕?，磁路中通過(guò)電流時(shí)，發(fā)生扭曲變形的現(xiàn)象。對(duì)磁致伸縮材料施加適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力，在外磁場(chǎng)變化下，磁致伸縮效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生躍變式的增加，磁化率也會(huì)發(fā)生改變的現(xiàn)象。 由式 (225)可知 :當(dāng)楊氏模量 HE 和磁致伸縮系數(shù) q 為已知時(shí)，磁致應(yīng)變量 ? 與預(yù)應(yīng)力 ? 和外加磁場(chǎng)強(qiáng)度 H 能夠構(gòu)成線性關(guān)系，即磁致應(yīng)變量的大小取決于施加預(yù)應(yīng)力的大小以及外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小。 由于超磁致伸縮材料在正反兩個(gè)方向的磁場(chǎng)下發(fā)第 2 章 光纖光柵電流傳感器的設(shè)計(jì) 17 生的形變都是伸長(zhǎng)的，所以產(chǎn)生應(yīng)變的頻率是驅(qū)動(dòng)電流頻率的兩倍。 圖 26 倍頻現(xiàn)象圖 （ 2）驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)。磁致伸縮材料因?yàn)榘艋虮∑臏u流損耗導(dǎo)致了其高頻限制。對(duì)于在高 頻 (如 20kHz 以上 )狀態(tài)下工作時(shí)，則必須要考慮材料的渦流損耗，對(duì)超磁致伸縮材料采用薄片疊層結(jié)構(gòu)或是其他切割技術(shù)能夠提高超磁致伸縮材料的極限工作頻率 [12]。 電流傳感器的設(shè)計(jì) 如圖 28 為對(duì)于實(shí)際高壓母線上的電流進(jìn)行檢測(cè)的示意圖，通過(guò)高壓母線上的電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)來(lái)使超磁致伸縮材料發(fā)生形變，形變量通過(guò)作用 圖 28 高壓母線上電流傳感器示意圖 到光纖光柵上來(lái)使中心波長(zhǎng)發(fā)生偏移，通過(guò)對(duì)輸出信號(hào)的檢測(cè)，就能知道高壓母線上電流的大小，傳感器中的偏置磁場(chǎng)采用的永磁體來(lái)提供，下面具體kHzf/1 0 01 010 .10 .0 505 .0 81 0 .1 6 1 5 .2 42 0 .3 22 5 .4 03 0 .4 83 5 .5 6D /m m高 壓 母 線傳 感 器永 磁 體輸 出 信 號(hào)第 2 章 光纖光柵電流傳感器的設(shè)計(jì) 19 進(jìn)行傳感器指標(biāo)的設(shè)計(jì)工作。本實(shí)驗(yàn)選取的是甘肅天星 稀土 功能 材料 有限公 司提 供的 锨鏑 鐵系 超磁致 伸縮 材料( eyb FDT ）。實(shí)驗(yàn)中是用環(huán)氧樹(shù)脂膠將光纖光柵沿軸向粘貼于超磁致伸縮材料棒上，環(huán)氧樹(shù)脂膠能夠很好的將超磁致伸縮材科的應(yīng)變量大小傳遞給光纖光柵，環(huán)氧樹(shù)脂膠對(duì)測(cè)量的影響不大，可以忽略其影響因素，所以超磁致伸縮材料所受到的應(yīng)變量與光柵發(fā)生的形變量保持一致。 由 計(jì) 算 可 知 電 流 檢 測(cè) 中 所 產(chǎn) 生 的 波 長(zhǎng) 偏 移 大 小 為nmp eiB ?????? ??? ）（ 。第 3 章 光纖光柵電流檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 第 3 章 光纖光柵電流檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 光纖光柵傳感信號(hào)解調(diào)方法 光信號(hào)解調(diào)技術(shù)是研究將原信號(hào)從被調(diào)制的光信號(hào)中還原出的一種技術(shù)。 如何實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖光柵的波長(zhǎng)偏移進(jìn)行解調(diào)，是實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感器實(shí)用化的關(guān)鍵因素，整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度都取決于對(duì)中心波長(zhǎng)的檢測(cè)精度，所以有光纖光柵構(gòu)成的傳感系統(tǒng)中應(yīng)該具備精密的波長(zhǎng)檢測(cè)裝置。 圖 31 光譜儀檢測(cè)示意圖 寬 帶 光 源光 譜 儀光 譜 儀耦 合 器燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 圖 32 光譜儀工作原理圖 邊緣濾波法 圖 33 邊緣濾波法示意圖 在 邊 緣 濾 波法 中 測(cè) 量元 件 為 波分 禍 合 器， 其 傳 輸特 性 為 在1510nm— 1560nm 之間的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，禍合器的效率與波長(zhǎng)呈線性關(guān)系，因此可利用這一特性來(lái)檢測(cè)波長(zhǎng)的偏移，圖 33 為此方法示意圖。進(jìn)入到傳感光柵的寬帶光，經(jīng)過(guò)光柵反射后的反射光通過(guò)禍合器進(jìn)入到相匹配的接受光柵中。 該解調(diào)方法分辨率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，不過(guò)解調(diào)系統(tǒng)容易受到環(huán)境影響，所以采用此解調(diào)方法應(yīng)采取一定的隔離措施，并且由于干擾的存在，對(duì)于100Hz 以下的動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)，此方法并不適合。 FP 腔結(jié)構(gòu)如圖 36 所示，當(dāng)有外界信號(hào)作用時(shí)，壓電晶體發(fā)生形變，進(jìn)而使 FP 干涉腔的腔長(zhǎng)發(fā)生變化，進(jìn)而達(dá)到可調(diào)諧濾波器的效果。所以透射光的波長(zhǎng)選擇可以通過(guò)改變 FP 腔的腔長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常情況下我們是用壓電陶瓷來(lái)驅(qū)動(dòng)光纖 FP 腔的， 對(duì)壓電陶瓷施加周期性變化的電壓，它能夠使 FP 腔長(zhǎng)產(chǎn)生周期性的變化，進(jìn)而可以對(duì)既定區(qū)間內(nèi)光纖的波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)周期性的濾波。適用于工程應(yīng)用方面的波長(zhǎng)偏移檢