【正文】 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。 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 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。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。 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 ????? 2c o sn4t?? L （ 32） 式中 t? —— 光纖入射到光纖光柵上的入射角。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。 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。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。接受光柵固定在一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器上，通過(guò)掃描接受光柵的中心波長(zhǎng)，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(zhǎng) [ 14]。 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。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(guò)光電檢測(cè)裝置將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)處理消除光功率變化產(chǎn)生的影響，最后得到波長(zhǎng)的偏移量。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，多用于實(shí)驗(yàn)室。 光譜儀 光纖光柵傳感系統(tǒng)中對(duì)波長(zhǎng)偏移檢測(cè)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(cè)出光的 B?? ，如圖 31 所示，其基本原理為， 通過(guò)調(diào)整衍射光柵的角度，衍射光柵能夠分離出不同的波長(zhǎng)，分離出來(lái)的特定波長(zhǎng)經(jīng)過(guò)反射鏡聚焦在光闌孔然后通過(guò)探測(cè)器能夠檢測(cè)出波長(zhǎng)信息，旋轉(zhuǎn)衍射光柵能夠掃描波長(zhǎng)的范圍，如圖 32。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)。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(shì)在于其傳感器屬于波長(zhǎng)編碼。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。 通過(guò)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(chǎng)24kA/m 的情況，產(chǎn)生的波長(zhǎng)偏移為 0～ 。 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。 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(zhǎng)，通過(guò)形變量的大小就能知道波長(zhǎng)偏移量的大小。 (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。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(chǎng)強(qiáng)度與磁致伸縮系數(shù)的關(guān)系如圖 29 所示。 （ 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。 （ 1）計(jì)算高 壓母線上產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)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(cè)量范圍是 0～ 3000A，對(duì)于通電直導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度 (kA/m) 。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。 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。要想提高工作頻率，棒的直徑需要相應(yīng)地減小。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(chǎng)，降低了有效磁導(dǎo)率及電感。 （ 3） 驅(qū)動(dòng)頻率。當(dāng)磁致伸縮材料由交變磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)時(shí)，交變磁場(chǎng)由驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生。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]。如圖26 所示，材料的這種倍頻現(xiàn)象可通過(guò)在棒上加一個(gè)恒定的偏置磁場(chǎng) bH 來(lái)消除，并且施加偏置磁場(chǎng)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)。 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) 。當(dāng)考慮到由磁場(chǎng)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(chǎng)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(lái)建立傳感模型。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)。 超磁致伸縮材料傳感模型的建立 超磁致伸縮材料在外加磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度大小 (kA/m) ； l—— 超磁致伸縮材料初始長(zhǎng)度 (m) ； l? —— 伸長(zhǎng)量 ((m) 。 (5) Jump 效應(yīng)。 (4) Auti— Viedemauu 效應(yīng)。 (3) Viedemauu 效應(yīng)。 (2) E? 效應(yīng)。 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)。隨磁場(chǎng)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)。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)。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。 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)。其中 l 為鐵磁體的長(zhǎng)度， l? 表示鐵磁體在 l方向上的伸長(zhǎng)量。 （ 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。 （ 1） 體磁致伸縮效應(yīng) 這指的是鐵磁體在磁化過(guò)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 ?? 。 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)。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)。 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。 （ 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。 （ 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。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? 1500~2020 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(guò)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(shì)： （ 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。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。 忽略交叉靈敏度的影響后， Bragg 波長(zhǎng)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(cè)量中，應(yīng)當(dāng)考慮到去敏和 增敏的問(wèn)題，即降低增加被測(cè)量的靈敏度，降低非被測(cè)量的靈敏度。又由式（ 23）可有： ? ? ? ?2 1 2 2 3 31/ i i i ze ffn p v p v p ?? ?