【文章內容簡介】 5 諸多實際情況中。 使用傳感器 密集的航空航天業(yè)，體現了其行業(yè)最高要求 —— 安全。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。 傳感器的小尺寸在醫(yī)學應用中是非常有意義的，光纖光柵傳感器是現今能夠做到最小的傳感器。光纖光柵傳感器能夠通過最小限度的侵害方式對人體組織功能進行內部測量，提供有關溫度、壓力和聲波場的精確局部信息。光纖光柵傳感器對人體組織的損害非常之小，足以避免對正常醫(yī)療過程的干擾。一種光纖光柵陣列溫度傳感器被設 計用來測量超聲波、溫度和壓力場，另一個光纖光柵溫度傳感系統被研制用來遙測核磁共振機中的實地溫度。光纖光柵傳感器還被研究用來進行心臟效率的測量，這種測量基于一種定向熱稀釋導流管方法。 在電力工業(yè)中，設備大都處在強電磁場中，普通的電類傳感器無法正常使用。有很多電力設備所在的位置是常人難以到達的地方，如荒原沙漠、荒山丘陵中的傳輸電纜和中繼變電站，為了極大地減少設備維護費用，充分利用分布式光纖光柵傳感系統的遙測能力是明智的選擇。處在高壓中需要測量的地方有很多，如在線監(jiān)測高壓開關，發(fā)電機定子、 高壓變壓器繞組等地方的位移以及溫度等參數的實時準確測量，這些地方的測量需要的傳感器必須有以下優(yōu)點：體積小、具有良好的絕緣性能、而且是無源器件，顯然在進行這些測量時光纖光柵傳感器是最佳的選擇。 在國家經濟發(fā)展中電力系統運行的穩(wěn)定性起著至關重要的作用。 2020年美加電網崩潰，這次大面積嚴重停電事故造成直接經濟損失不下于 300億美元 [ 5]，給未來經濟的發(fā)展蒙上一層陰影。因此對電力系統進行實時在線監(jiān)測時必須配置可靠的檢測系統，及時準確發(fā)現故障并加以維護，保證電力系統安全、穩(wěn)定、高效運行。作為八十年代以來逐步發(fā)展成 熟的一種新型傳燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 6 感技術 —— 光纖光柵傳感器，自其問世之日就顯示出巨大的生命力和優(yōu)越性。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)勢都為其在電力系統中的更多應用提供了更大現實可行性。 課題研究的主要內容 本文在對超磁致伸縮材料與光纖光柵傳感技術進行分析研究的基礎上，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)分析研究光學電流互感器國內外發(fā)展現狀，提出基于超磁致伸縮材料的光纖光柵電流檢測的方案。 (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 感器的設計。 (3)完成電流檢測系統整體的設計工作，并對其中核心元件進行了分析。 (4)根據已經提供的實驗數據，完成光學電流傳感器的仿真。對實驗數據進行分析處理 并仿真 ， 進而驗證設計的正確性 。第 2章 光纖光柵電流傳感器的設計 7 第 2 章 光纖光柵電流傳感器的設計 進入新世紀以來，光纖光柵是發(fā)展最為迅速的光纖無源器件之一。自從1978 年在實驗中加拿大 K． O． Hill 等研究者首次發(fā)現了光纖的光柵效應，并由此成功采用駐波法成功地寫入光纖光柵以及 1989 年美國人 GMelt 等人發(fā)明紫外寫入技術以來， FBG 隨同制造工藝的逐漸提升，其發(fā)展越來越迅速，目前已經成為世界上最好的光纖電流傳感器之一。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，應用也越來越廣泛。 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，由此根據傳感特性完成傳感器的設計。 光纖光柵特性介紹 光纖光柵的基本原理 通過用周期性強度調制的紫外光從光纖的側面照射光纖表面，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，這種因為照射被永久性改變了折射率的光纖被稱為光纖光柵。當移開照射光后，利用光源在光纖中輸入一段波 長的范圍的入射光，此時那些能滿足由照射決定的 bragg 波長的光將被反射，而其他的入射光不會受到任何影響 [ 7]。 圖 21 光纖光柵的基本原理圖 如圖 21 所示，光纖光柵作用實質上是在纖芯內形成一個窄帶的 (透射或反射 )濾波器和反射鏡，光源產生的光為 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相同的光會被反射回來，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燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 8 為 rI 。 光纖光柵的特征參量 光纖光柵的特征參量有：中心波長、反射譜帶寬、峰值反射率，針對它們的具體描述如下： （ 1） 中心波長 B? Bragg 波長 B? 是指在光纖光柵中傳輸并能滿足 Bragg 條件的波長，根據光纖知識，如圖 22 所示，基模與光纖光柵對應的的光 線方向和光纖的光軸夾角為 ? ，光線對光纖的余角為 ? ，顯然 ? 與 ? 之和為 90176。，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。 ?cosn1 常被稱作纖芯 有效折射率 efn ，顯然 2n efn 1n ，所以式 21 與式 22 可被寫作： effnB ??2? （ 23） 芯 層 （ n 1 ）芯 層 （ n 2 ） ?布 喇 格 光 柵基 模 的 波 矢 量 k光 軸 圖 22 光纖光柵分析圖 （ 2）反射譜帶寬 ?? 反射光的波長為 B? ，顯然它具有一定的帶寬，公式如下： 12 2 22= + / 2 effB L n L? ? ???? ?? （ 24） 式中 L—— 光柵長度（ mm）。 （ 3）峰值反射率 第 2章 光纖光柵電流傳感器的設計 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、應變、溫度及動態(tài)電磁場等的測量的 FBG，測量的基本原理是隨著外界環(huán)境參數的變化 FBG 的中心波長也總是發(fā)生相應的變化，通過解調 FBG 的中心波長漂移量便可以準確得到待測物理量的信息。 如圖 23 所示，寬帶光源的光線進入 FBG 中，滿足 Bragg 反射條件的光將發(fā)生反 射，當被測信息量發(fā)生一定變化并能使光纖光柵所在環(huán)境的應變、溫度、應力等其它物理量發(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。 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]。從而可有： = 2 2eff effB nn?? ? ? ? ?? （ 26） 當光纖光柵受到溫度變化和應力作用時， efn 和 ? 都會發(fā)生相應的變化。為了更好研究這種情況，應先忽略溫度和應力的交叉影響，單一考慮溫度或者應力作用下的影響。 （ 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， Bragg 波長偏移一方面是因為燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 10 熱光效應使其折射率發(fā)生了變化，即： eff eff Tnn? ??? ? ? （ 27） 式中 ? —— 熱光系數。 另一方面熱致效應使光柵周期發(fā)生相應變化，即： = T?? ???? （ 28） 式中 ? —— 光纖的熱膨脹系數。 其中，溫度引起 Bragg 波長偏移的主要因數是熱光效應，占熱偏移的95％以上，即： 1= effeffdn dVn dV dT? ?? （ 29） 式中 V—— 光纖的歸一化頻率。 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，當光纖光柵的材料被確定好后，其對溫度的靈敏度系數也被隨之確定，從而可以判定光纖光柵作為溫度傳感器有很好的 實用性。 （ 2）光纖光柵應變傳感模型 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 ? —— 軸向的應變量。 相對介電抗?jié)B張量 ij? 與介電常數 ? 的關系為： 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。 由于此處是軸向力作用的方向，所以用 efn 替代 ijn ，并由軸向應變公式第 2章 光纖光柵電流傳感器的設計 11 /z LL? ??，所以光纖光柵方程為： 321= 2 22e ffB e ff ze ffn nLnL?????? ????? ? ? ? ????? ????? （ 214） 材料的彈光性質為： ? ?2 = 1 , 2 ,3mn m n m np??? ? ? ， （ 215） 式中 mp —— 材料的彈光系數。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，并有如下關系： 231jzvv????????????? （ 217） 由此可得因應力作用而引起 Bragg 波長的變化為： ? ? ? ?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，與材料有關的系數 eip ≈，因此式（ 218）可化為： ? ?1 0 .7 8Bei z zB p? ???? ? ? （ 220） （ 3） 光纖光柵應變 — 溫度耦合模型 當溫度與應變力作為單一參量變化時，都會使光纖光柵的波長發(fā)生偏燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 12 移，而現實情況中兩者情形都會容易出現，所以應該建立光纖光柵應變 — 溫度耦合模型。 首先假設溫度變化極小，則在溫