基于超磁致伸縮材料與光纖光柵的電流傳感理論及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、　　隨著電力系統(tǒng)容量的增長(zhǎng)，繼電保護(hù)系統(tǒng)的作用日益凸顯，而電流測(cè)量是電力系統(tǒng)中繼電保護(hù)、電能計(jì)量、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)分析的關(guān)鍵，其測(cè)量精度與可靠性直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。傳統(tǒng)的電磁式電流互感器具有抗電磁干擾能力差、有油易燃易爆、絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、動(dòng)態(tài)范圍小等缺點(diǎn)在一定程度上束縛了其發(fā)展和應(yīng)用。光纖傳感器具有尺寸小、重量輕、靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、集傳感和傳輸于一體，易于制作和埋入材料內(nèi)部，具有對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變、溫度

2、和磁場(chǎng)進(jìn)行高精度測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。論文將具有磁致伸縮量大、響應(yīng)頻帶寬、響應(yīng)速度快的超磁致伸縮材料與光纖光柵相結(jié)合進(jìn)行電流傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)，建立系統(tǒng)模型，分析溫度、預(yù)應(yīng)力、偏置磁場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)傳感特性的影響，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。
　　1. 根據(jù)超磁致伸縮材料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)GMM的磁-力-熱耦合特性進(jìn)行詳細(xì)的分析，從彈性Gibbs自由能出發(fā)，在Wiss鐵磁理論、熱力學(xué)關(guān)系與J-A模型的基礎(chǔ)上，建立了能夠描述超磁致伸縮材料磁-熱-力耦合特性的非線性

3、模型。該模型以顯式的形式給出了磁致伸縮材料中磁致伸縮?與磁場(chǎng)H、磁化強(qiáng)度M、應(yīng)力?、溫度 t?之間關(guān)系，模型中所涉及的參數(shù)均可通過實(shí)驗(yàn)獲得，模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)超磁致伸縮材料在不同預(yù)壓力、溫度影響下磁化強(qiáng)度、磁致伸縮、磁化率、壓磁系數(shù)隨外加磁場(chǎng)變化關(guān)系，并能夠反映材料的飽和特性與不同應(yīng)力影響下的“翻轉(zhuǎn)效應(yīng)”；可用于計(jì)算不同應(yīng)力、溫度影響下超磁致伸縮材料的磁致伸縮特性，在工程實(shí)際中有良好的應(yīng)用前景。
　　2. 運(yùn)用多參數(shù)磁測(cè)試系統(tǒng)對(duì)

4、不同預(yù)應(yīng)力、溫度影響下Terfenol-D棒材的磁化特性與磁致伸縮特性進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力對(duì)材料的磁化過程與飽和磁致伸縮特性影響明顯，預(yù)應(yīng)力導(dǎo)致飽和磁致伸縮明顯增加，溫度對(duì)中低場(chǎng)區(qū)的磁化過程與磁致伸縮特性影響十分微弱，但對(duì)飽和磁化強(qiáng)度與飽和磁致伸縮值影響明顯。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果與磁-力-熱耦合非線性模型的計(jì)算結(jié)果的比較表明模型能夠較好的預(yù)測(cè)應(yīng)力溫度影響下超磁致伸縮材料的磁致伸縮特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)超磁致伸縮材料的理論研究、模型建立具有一定的

5、指導(dǎo)意義，為以超磁致伸縮材料為核心的傳感器、換能器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及應(yīng)用提供依據(jù)。
　　3. 設(shè)計(jì)了基于磁致伸縮效應(yīng)和光纖腔衰蕩技術(shù)的高靈敏度電流傳感系統(tǒng)。在Jiles-Atherton模型、二次疇轉(zhuǎn)模型和光纖衰蕩技術(shù)波長(zhǎng)解調(diào)原理的基礎(chǔ)上建立了電流傳感器的數(shù)學(xué)模型，模型反映了電流-應(yīng)變-光纖腔衰蕩時(shí)間之間的耦合機(jī)制。對(duì)不同預(yù)應(yīng)力作用下Terfenol-D棒的磁致伸縮輸出應(yīng)變、衰蕩時(shí)間、系統(tǒng)靈敏度與磁場(chǎng)之間的變化規(guī)律進(jìn)行了理論分析和

6、仿真研究，結(jié)果表明，該傳感器具有較高的靈敏度，可通過改變預(yù)應(yīng)力實(shí)現(xiàn)不同量程范圍內(nèi)的電流或磁場(chǎng)測(cè)量，研究可為發(fā)展新型的高靈敏度電流傳感器提供理論指導(dǎo)。
　　4.設(shè)計(jì)了基于超磁致伸縮材料和光纖光柵的交流電流傳感系統(tǒng)。在光纖光柵應(yīng)變傳感機(jī)理、超磁致伸縮材料磁-力-熱耦合非線性模型、光纖M-Z干涉儀解調(diào)原理的基礎(chǔ)上，建立了超磁致伸縮材料和光纖光柵的交流電流傳感系統(tǒng)模型，模型能夠反映電流-光纖光柵中心波長(zhǎng)-光纖 M-Z 干涉儀輸出光強(qiáng)之間