【正文】 熱失效問題。從而可有： = 2 2eff effB nn?? ? ? ? ?? （ 26） 當(dāng)光纖光柵受到溫度變化和應(yīng)力作用時， efn 和 ? 都會發(fā)生相應(yīng)的變化。 (3)完成電流檢測系統(tǒng)整體的設(shè)計工作，并對其中核心元件進(jìn)行了分析。為了監(jiān)測一架飛行器壓力、燃料液位、溫度、振動、方向舵和機(jī)翼的位置、起落架狀態(tài)等，至少需要使用一百多個傳感器，因此傳感器的重量、尺寸大小顯得尤其重要。 GMMFBG 作為電流互感器，溫度是唯一影響因素，對于如何消除溫度影響，國內(nèi)外學(xué)者都提出很多方案： 提出的基于GMMFB G 的電流傳感系統(tǒng)能同時完成電流和溫度的測量，通過溫度變化能引起 FBG 的波長偏移原理從電流的信號中讀取出溫度的變化 [ 10]。從 1973 年來自英國的科學(xué)家 A. J. Rogers 提出全光纖電流的設(shè)想以來， 許多研究人員在研究全光纖型電流互感器上投入了大量時間和精力，但是到目前為止，其受到溫度因素以及現(xiàn)行雙折射的問題依然并未有效解決，從而也限制了其發(fā)展 [3]。然而隨著社會對電力需求量和輸電距離的增大，發(fā)電行業(yè)和高壓工程行業(yè)越來越注重采用大幅度的提高電壓等級的方式來提升輸電效率，目前我國電網(wǎng)的最高電壓等級已達(dá) 500kV。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。具體分析了預(yù)應(yīng)力、溫度、偏置磁場等因素對實(shí)驗(yàn)的作用效果，設(shè)計了驅(qū)動線圈以及偏置線圈的線徑、尺寸。目前在電力系統(tǒng)的發(fā)電 、輸電、變電等領(lǐng)域，尤其是對高壓系統(tǒng)的測量和監(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]。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。 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。光纖光柵傳感器還被研究用來進(jìn)行心臟效率的測量，這種測量基于一種定向熱稀釋導(dǎo)流管方法。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)用也越來越廣泛。 綜上所述，溫度對 Bragg 波長偏移的影響如下： ? ?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。 目前，國內(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。這個數(shù)用 S? 表示，對于己知鐵磁體 S? 是一個常數(shù)。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度大小不飽和、低頻激勵的情況下， ? 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)。要想提高工作頻率，棒的直徑需要相應(yīng)地減小。 最后根據(jù)所選超磁致伸縮材料尺寸以及計算結(jié)果選取的光纖光柵為美國微光公司出產(chǎn)，中心波長為 ，光柵長度為 14mm。 匹配光柵法 匹配光柵法是指用一個與傳感光柵能夠相匹配的光柵來探測傳感光柵中發(fā)生的波長偏移，兩個匹配光柵在同樣的應(yīng)變下具有相同的中心波長，其基本原理如圖 34。 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 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 干涉腔的長度為 L 的時候，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 器差 分 放 大 器P Z T L 1 探 測 器 L L 2 壓 電 體第 3 章 光纖光柵電流檢測系統(tǒng)設(shè)計 25 ????? 2c o sn4t?? L （ 32） 式中 t? —— 光纖入射到光纖光柵上的入射角。 光譜儀 光纖光柵傳感系統(tǒng)中對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。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。當(dāng)磁致伸縮材料由交變磁場驅(qū)動時，交變磁場由驅(qū)動線圈產(chǎn)生。 (4) Auti— Viedemauu 效應(yīng)。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。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 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。 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]。 (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。 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。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 GMMFB G 相繼展開了研究實(shí)驗(yàn)，也都取得不錯的結(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)。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。由于對電流檢測系統(tǒng)和繼電保護(hù)系統(tǒng)智能化、自動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。清華大學(xué)出版社， 20xx 周 次 第 1～ 4 周 第 5～ 8 周 第 9～ 12 周 第 13～ 16 周 第 17～ 18 周 應(yīng) 完 成 的 內(nèi) 容 查閱收集相關(guān)資料，對研究內(nèi)容進(jìn)行初步學(xué)習(xí) 提出設(shè)計原理及設(shè)計方案 系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 完成論文初稿及修改 撰寫論文，準(zhǔn)備答辯 指導(dǎo)教師：滕峰成 職稱：副教授 年 月 日 系級教學(xué)單位審批： 年 月 日 摘要 I 摘要 在電力系統(tǒng)中電流的檢測具有重要的作用，其檢測精度以及可靠性與電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行密切相關(guān)。完成了直 、交流電流的測試實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步的分析、處理。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)，具有如下幾個方面的優(yōu)點(diǎn)：絕緣性能好，成本低。 80 年代時美國阿姆斯實(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。在橋梁、大壩、隧道、高層建筑和運(yùn)動場館的維護(hù)上基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)、力學(xué)參數(shù)的測量是至關(guān)重要的，通過測量建筑物的分布應(yīng)變，可以預(yù)測局部荷載的狀態(tài)。 在電力工業(yè)中，設(shè)備大都處在強(qiáng)電磁場中，普通的電類傳感器無法正常使用。 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。 （ 2）光纖光柵應(yīng)變傳感模型 忽略溫度和其他影響后，軸向力有兩個作用 —— 伸縮和拉伸，應(yīng)變作用對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。迄今為止，已經(jīng)有 1000 多種 GMM 器件問世，應(yīng)用面涉及電子、機(jī)械、航空航天、國防軍工、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。 S? 是一個可正可負(fù)的系數(shù)，其正負(fù)是這樣定義的 :隨磁場強(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，則 S? 為正 。 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，磁致應(yīng)變量 ? 與預(yù)應(yīng)力 ? 和外加磁場強(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強(qiáng)度的大小。對于在高 頻 (如 20kHz 以上 )狀態(tài)下工作時，則必須要考慮材料的渦流損耗，對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]。 由 計 算 可 知 電 流 檢 測 中 所 產(chǎn) 生 的 波 長 偏 移 大 小 為nmp eiB ?????? ??? ）（ 。進(jìn)入到傳感光柵的寬帶光，經(jīng)過光柵反射后的反射光通過禍合器進(jìn)入到相匹配的接受光柵中。適用于工程應(yīng)用方面的波長偏移檢測技術(shù)。 FP 腔結(jié)構(gòu)如圖 36 所示，當(dāng)有外界信號作用時，壓電晶體發(fā)生形變，進(jìn)而使 FP 干涉腔的腔長發(fā)生變化，進(jìn)而達(dá)到可調(diào)諧濾波器的效果。 如何實(shí)現(xiàn)對光纖光柵的波長偏移進(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，整個系統(tǒng)的檢測精度都取決于對中心波長的檢測精度，所以有光纖光柵構(gòu)成的傳感系統(tǒng)中應(yīng)該具備精密的波長檢測裝置。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 ）。 圖 26 倍頻現(xiàn)象圖 （ 2）驅(qū)動磁場。在磁致伸縮材料上形成適當(dāng)?shù)拇怕?，磁路中通過電流時，發(fā)生扭曲變形的現(xiàn)象。線磁致伸縮系數(shù)用 ? 表示， ll/??? 。 70 年代才發(fā)現(xiàn)的新型材料Terfenol— D，由美國依阿華州阿姆斯實(shí)驗(yàn)室 率先研制成功。 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，光柵周期或纖芯折射率將發(fā)生變化，反射光的中心波長隨之發(fā)生變化，進(jìn)而通過測量物理量變化前后反射光中心波長的變化，就可以獲得待測物理量具體的變化情況。 課題研究的主要內(nèi)容 本文在對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的方案。目前，光纖光柵傳感器已用于核電廠的混凝土變形測量等第 1 章 緒論 5 諸多實(shí)際情況中。自從 FB G 被應(yīng)用以來，將FBG 與 GMM 結(jié)合起來作為電流互感器成為國內(nèi)外學(xué)者研究的主要方向。 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。Fiber bragg grating III 目 錄 摘要 .........................................................................