基于磁致伸縮效應(yīng)的光纖光柵電流檢測技術(shù)研究畢業(yè)論文

1、<p>　本科畢業(yè)設(shè)計（論文）</p><p>　　燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書</p><p>　　學(xué)院： 電氣工程學(xué)院 系級教學(xué)單位：電力工程系 </p><p>　本科畢業(yè)設(shè)計（論文）</p><p><b>　　摘要</b

2、></p><p>　　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)的安全運行密切相關(guān)。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。目前光學(xué)電流互感器因其明顯的優(yōu)越性為電流檢測提供了很大的應(yīng)用價值，是將來電力系統(tǒng)在電流檢測方向發(fā)展的趨勢之一。</p><p>　　本文在借鑒現(xiàn)有光學(xué)電流互感器的基礎(chǔ)上，提出了基于超磁致伸縮材料的光纖光柵電流測試技術(shù)

3、，主要工作包括：</p><p>　　對光纖光柵的傳感原理進行深入分析，根據(jù)光纖光柵的應(yīng)變特性、溫度特性、及交叉敏感特性，推證了相應(yīng)的傳感模型；分析了超磁致伸縮材料的傳感特性在此基礎(chǔ)上對超磁致伸縮材料的光纖光柵電流傳感器進行了設(shè)計，并完成了傳感器對高壓母線上電流進行檢測的理論計算。</p><p>　　分析對比了現(xiàn)階段常用的幾種不同的光柵波長解調(diào)方法并設(shè)計了適合本方案的解調(diào)系統(tǒng)：可調(diào)諧F-

4、P濾波解調(diào)系統(tǒng)，并對解調(diào)系統(tǒng)中的核心元件進行了選型。</p><p>　　在理論設(shè)計的基礎(chǔ)上構(gòu)建了相應(yīng)的實驗系統(tǒng)。具體分析了預(yù)應(yīng)力、溫度、偏置磁場等因素對實驗的作用效果，設(shè)計了驅(qū)動線圈以及偏置線圈的線徑、尺寸。完成了直、交流電流的測試實驗，并對實驗結(jié)果進行了進一步的分析、處理。</p><p>　　關(guān)鍵詞 電力系統(tǒng)；光學(xué)電流互感器；超磁致伸縮材料；光纖光柵</p><p

5、><b>　　Abstract</b></p><p>　　The current measurement is quite important in the power industry, its'precision and reliability related the safety and economy of operation in electric power sy

6、stem closely.With the development of power, conventional current transducer can't meet requirements. Now the optical current transformer(OCT) have potential application cost because of it's unique advantages will

7、 be used to replace conventional current transducers in the future.</p><p>　　In this paper, on the present situations in the field of OCT, a novel electrical current sensing configuration is constructed base

8、d on fiber bragg grating and giant magnetostrictive material. The content of this research includes:</p><p>　　In the depth analysis of fiber grating sensing principle,the corresponding mathematical model are

9、 derived based on the axial strain characteristic, temperature characteristic and cross-sensitivity characteristic; then the sensing properties of giant magnetostrictive material is analyzed. Then the sensor is designed

10、based on the giant magnetostrictive material and the fiber bragg grating. Theoretically complete the calculation of the sensor detection on the high voltage bus current.</p><p>　　With the advantages and disa

11、dvantages of various demodulation methods are analyzed, and the appropriate demodulation is designed: tunable F-P filter demodulation system.</p><p>　　On this foundation of theoretical design, the experiment

12、 system is built up. And it studies prestressing force effects, offset magnetic field effects and temperature effects on the experiment system. The diameter and size of the drive coil and the bias coil are designed. Comp

13、letion of the DC and AC testing experiments, and the experiment result are analyzed.</p><p>　　Keywords Power system; Optical current transformer; Giant magnetostrictive

14、 materials;Fiber bragg grating</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論

15、1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 光纖光柵傳感應(yīng)用概況3</p><p>　　第2章 光纖光柵電流傳感器的設(shè)計7</p><p>　　2.1 光纖光柵特性介紹7</p><p>　　

16、2.1.1 光纖光柵的基本原理7</p><p>　　2.1.2 光纖光柵的特征參量8</p><p>　　2.1.3 光纖光柵的傳感原理9</p><p>　　2.1.4 光纖光柵傳感模型的建立9</p><p>　　2.2 磁超致伸縮材料的基本特性12</p><p>　　2.2.1 超磁致伸縮材料特

17、性研究12</p><p>　　2.2.2 超磁致伸縮材料的基本原理14</p><p>　　2.2.3 超磁致伸縮材料傳感模型的建立15</p><p>　　2.2.4 超磁致伸縮材料的應(yīng)用特性16</p><p>　　2.3 電流傳感器的設(shè)計18</p><p>　　2.4 本章小結(jié)20</p&

18、gt;<p>　　第3章 光纖光柵電流檢測系統(tǒng)設(shè)計21</p><p>　　3.1 光纖光柵傳感信號解調(diào)方法21</p><p>　　3.1.1 光譜儀21</p><p>　　3.1.2 邊緣濾波法22</p><p>　　3.1.3 匹配光柵法23</p><p>　　3.1.4 非平衡M-

19、Z干涉解調(diào)法23</p><p>　　3.2 實驗所用傳感信號解調(diào)方法一可調(diào)諧F-P濾波法23</p><p>　　3.3電流檢測系統(tǒng)整體設(shè)計26</p><p>　　3.4 本章小結(jié)30</p><p>　　第4章 電流傳感器的仿真31</p><p>　　4.1 傳感器電流檢測實驗仿真31</p&

20、gt;<p>　　4.2 不加偏置電流情況下交流電流檢測實驗32</p><p>　　4.3 施加偏置電流情況下交流電流檢測實驗34</p><p>　　4.4 實驗結(jié)果分析35</p><p>　　4.5 本章小結(jié)35</p><p><b>　　結(jié)論37</b></p><

21、p><b>　　參考文獻39</b></p><p><b>　　致謝41</b></p><p><b>　　附錄42</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</

22、b></p><p>　　長期以來，在電力系統(tǒng)運行中，一直是由傳統(tǒng)的電流互感器來完成高壓電網(wǎng)的電流測量工作。由于對電流檢測系統(tǒng)和繼電保護系統(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。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500kV。隨著電壓等級的提高，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器暴

23、露出一系列嚴重的缺點：磁飽和、鐵磁諧振、絕緣難度大、動態(tài)范圍小、頻帶窄以及有油易燃易爆等[1]。因此對于電力系統(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。在這種背景下，尋求更理想的新型電流互感器已勢在必行，目前研究重點是利用光學(xué)傳感技術(shù)來檢測電流，即用光電子學(xué)的方法和光纖傳感技術(shù)來發(fā)展所謂的光學(xué)電流互感器( optical current transformer，簡稱OCT ) 。</p><p>　　光學(xué)

24、電流互感器是將被測電流轉(zhuǎn)換為光信號進行傳輸來實現(xiàn)電流互感。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]。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，具有如下幾個方面的優(yōu)點：絕緣性能好，成本低。在OCT中，用來做傳感元件的光學(xué)材料、傳輸信號的光纖都是良好的絕緣材料，結(jié)構(gòu)簡單，降低了成本；不含鐵心，不會產(chǎn)生磁飽和及鐵磁共振，因而系

25、統(tǒng)運行穩(wěn)定性好，適用于大電流的故障診斷；可靠性強，無二次開路產(chǎn)生高壓的危險以及避免了因充油引發(fā)的易燃易爆等危險；測量頻帶寬。OCT的測量頻帶范圍完全由信號處理部分的電子線路所決定；抗電磁干擾性能好；重量輕，體積小，節(jié)約占地面積，安裝方便;能夠適應(yīng)電力系統(tǒng)數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的需求。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。</p><p>　　光學(xué)電流互感器的現(xiàn)實意義體現(xiàn)于三個方面：一

26、、光學(xué)電流互感器的研究作為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展進步的技術(shù)基礎(chǔ)之一，起著先導(dǎo)性的作用；二、光學(xué)電流互感器的運用保證了現(xiàn)代電力行業(yè)的高效安全生產(chǎn)，在更大的程度上提升了人民的生活質(zhì)量；三、光學(xué)電流互感器屬于高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，具有高增長、高回報的特點。所以，研究開發(fā)新型光學(xué)電流互感器對促進我國的國民經(jīng)濟的發(fā)展具有十分重要的地位。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 </p><p>　　光學(xué)電流互

27、感器主要研究方案有兩種：基于法拉第磁光效應(yīng)的電磁式電流互感器，基于磁致伸縮效應(yīng)的光學(xué)電流互感器。</p><p>　　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，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。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

28、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]。采用具有較高菲爾德常數(shù)的一整塊光學(xué)玻璃作為核心傳感元件的塊狀玻璃光學(xué)互感器，其受到線性雙折射的影響較小并且選擇材料的范圍很廣泛，但是其塊狀玻璃有著易碎，成本高昂等缺陷。其中B.C.B.Chu等人聯(lián)合設(shè)計的塊狀玻璃光學(xué)電流互感器在1 A～3 kA的測試范圍內(nèi)，獲得的分辨率為20mA

29、/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]。到目前為止塊狀玻璃光學(xué)電流互感器是實際經(jīng)驗最為豐富，掛網(wǎng)運行最多，并且穩(wěn)定性最好的一種光學(xué)電流互感器。</p><p>　　基于磁致伸縮效應(yīng)的光學(xué)互感器進行了近二十年的研究工作。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。80年代時美國阿姆斯實驗室研制成功了新型的超磁致伸縮材料(Giant M

30、agnetostrictive Materials，GMM)并且率先實現(xiàn)商品化。起初在1989年時是由美國前沿技術(shù)公司開始成產(chǎn)銷售，隨后瑞典、口本、俄羅斯、英國等國家也相繼研發(fā)出類似產(chǎn)品。我國對GMM開始的研究時間比較晚，但是發(fā)展速度很快，到目前為止北京科技大學(xué)、包頭稀土研究所、北京有色金屬研究總院以及甘肅天星稀土材料有限公司等單位都從事著GMM的研發(fā)，成效很好，GMM的一些主要性能指標(biāo)基本上達到了國際同類產(chǎn)品的水平。</p>

31、;<p>　　將GMM用在電流互感器通常是采用在GMM圓柱體周圍繞上光纖、光纖粘貼在GMM材料上或是將GMM金屬膜鍍在光纖表面等方法。美國的D.C.Larson,N.NaderRezvani和捷克的M. Sedla將GMM周圍纏繞上光纖利用M-Z干涉儀完成了電流測量實驗，取得了實驗階段性的成果。</p><p>　　通過紫外光對光纖進行照射，使得光纖芯折射率發(fā)生變化而形成芯體布喇格光柵的光纖布喇格光

32、柵(Fiber Bragg Grating, FBG)傳感技術(shù)，對于滿足布喇格條件的入射光中90%以上的窄帶光譜能夠?qū)崿F(xiàn)反射，反射譜的中心波長只是由FBG的周期以及有效折射率所決定[4]。而FBG的周期和折射率只受物理量應(yīng)變和溫度的影響，對其他物理量不敏感。所以發(fā)生應(yīng)變或是溫度變化會使FB G的中心波長發(fā)生偏移，通過解調(diào)儀或是其他檢測手段測出波長的偏移量就能得出應(yīng)變或是溫度的變化情況。自從FB G被應(yīng)用以來，將FBG與GMM結(jié)合起來作為

33、電流互感器成為國內(nèi)外學(xué)者研究的主要方向。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GMM-FB G相繼展開了研究實驗，也都取得不錯的結(jié)果，不過更多的是把如何消除實驗影響因素方面作為研究重點。GMM-FBG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：D.Reilly提出的基于GMM-FB 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

34、度的變化[ 10]。</p><p>　　綜上所述，至今為止對GMM-FBG電流傳感系統(tǒng)的研究仍然僅限于處在螺線管產(chǎn)生的磁場條件下，而難以應(yīng)用到實際的電路測量。工頻交流的測量研究上應(yīng)用GMM-FBG傳感系統(tǒng)僅僅開始于2004年，而且絕大多數(shù)焦點在于如何減小溫度影響方面。</p><p>　　1.3 光纖光柵傳感應(yīng)用概況</p><p>　　80年代后期產(chǎn)生的光纖布喇

35、格光柵，自從問世以來，其傳感技術(shù)就成為光纖傳感技術(shù)中最具活力的一種技術(shù)[ 5]。在建筑、石化、核工業(yè)等行業(yè)中得到了深入研究和廣泛應(yīng)用，雖然在電力工業(yè)中的應(yīng)用研究起步較晚，正處于研究的初始階段，但其良好的絕緣性能、抗電磁干擾特性及體積小等長處，使其成為處于強電磁場中電氣設(shè)備在線檢測的最佳選擇，在電力系統(tǒng)中有著更為廣闊的應(yīng)用前景。</p><p>　　1.民用工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用 </p><p>

36、　　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。在橋梁、大壩、隧道、高層建筑和運動場館的維護上基礎(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)。有一座跨度72米的預(yù)應(yīng)力混凝土橋聳立在德國德累斯頓附近高速公路上，德累斯頓大學(xué)的Meissner等人將光纖布喇格光柵埋進橋的混凝土棱柱中，進而測量荷載下的基本線性響應(yīng)，并用常規(guī)的應(yīng)變測量儀器作了相應(yīng)的對比試驗，充分證實了光纖光柵傳感器的現(xiàn)實可

37、行性[ 6]。</p><p>　　2.石油化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用</p><p>　　石化工業(yè)是當(dāng)今世界上經(jīng)濟的主體行業(yè)，但是帶有易燃易爆的危險，用于諸如油氣罐、油氣井、油氣管等地方的測量存在不安全的因素需要運用電學(xué)傳感器。光纖光柵傳感器因為自身的優(yōu)勢安全性非常適合應(yīng)用在石油化工領(lǐng)域里”。</p><p>　　3.核工業(yè)中的應(yīng)用 </p><p>

38、;　　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，核泄漏對人類是一個很大的威脅，貝爾格利核電站泄漏的巨大影響至今還沒有完全消除，因此對于核電站的安全檢測及其重要。核廢料的管理措施也變得更加重要，需要有特定的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)視核廢料站的具體狀況，對監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)長期穩(wěn)定的高要求也是前所未有的。與此同時，由于核裝置逐漸老化，需要更多的維護、修理、保養(yǎng)，乃至最終必須被拆除，而所有這些都在設(shè)計時沒有預(yù)見，因此需要更多更好的傳感器以便遙控設(shè)備，進而處

39、理不確定情況。日本核能研究院1999年4月～2000年3月的年度報告中提到，通過輻射環(huán)境測試能確保光纖光柵用于核電廠設(shè)備和管道方面的傳感，并可在幾乎整個反應(yīng)堆壽命期間忍耐著核輻射。目前，光纖光柵傳感器已用于核電廠的混凝土變形測量等諸多實際情況中。</p><p>　　4.航空航天業(yè)中的應(yīng)用 </p><p>　　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。為了監(jiān)測一架飛行器壓

40、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。</p><p><b>　　5.醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 </b></p><p>　　傳感器的小尺寸在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中是非常有意義的，光纖光柵傳感器是現(xiàn)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(nèi)部測量，提供有關(guān)溫度

41、、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(shè)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(tǒng)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(dǎo)流管方法。</p><p>　　6.電力工業(yè)中的應(yīng)用 </p><p>　　在電力工業(yè)中，設(shè)

42、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(shè)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(shè)備維護費用，充分利用分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)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(guān)，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(shù)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

43、行這些測量時光纖光柵傳感器是最佳的選擇。</p><p>　　在國家經(jīng)濟發(fā)展中電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。2003年美加電網(wǎng)崩潰，這次大面積嚴重停電事故造成直接經(jīng)濟損失不下于300億美元[ 5]，給未來經(jīng)濟的發(fā)展蒙上一層陰影。因此對電力系統(tǒng)進行實時在線監(jiān)測時必須配置可靠的檢測系統(tǒng)，及時準確發(fā)現(xiàn)故障并加以維護，保證電力系統(tǒng)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感技術(shù)——光纖光柵傳

44、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(tǒng)中的更多應(yīng)用提供了更大現(xiàn)實可行性。</p><p>　　1.4 課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本文在對超磁致伸縮材料與光纖光柵傳感技術(shù)進行分析研究的基礎(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：</p><p>

45、;　　(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。</p><p>　　(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。</p><p>　　(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行了分析。</p><p>　　(4)根據(jù)已經(jīng)提供的實驗數(shù)據(jù)，完成光學(xué)電流傳感器的仿真。對實驗數(shù)

46、據(jù)進行分析處理并仿真，進而驗證設(shè)計的正確性。</p><p>　　第2章 光纖光柵電流傳感器的設(shè)計</p><p>　　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(xiàn)了光纖的光柵效應(yīng)，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(shù)以來，F(xiàn)BG隨同制造工藝的逐漸提升，其發(fā)展越來越

47、迅速，目前已經(jīng)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(shù)，應(yīng)用也越來越廣泛。</p><p>　　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。</p><p>　　2.1 光纖光柵特性介紹</p><p>　　2.1.1 光纖光柵的基本原理&l

48、t;/p><p>　　通過用周期性強度調(diào)制的紫外光從光纖的側(cè)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(dāng)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]。</p><p>　　圖2-1 光纖光柵的基本原理圖</

49、p><p>　　如圖2-1所示，光纖光柵作用實質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的(透射或反射)濾波器和反射鏡，光源產(chǎn)生的光為，能夠透射出光纖的光為，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，這部分光被稱為。 </p><p>　　2.1.2 光纖光柵的特征參量</p><p>　　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

50、描述如下：</p><p><b>　　中心波長</b></p><p>　　Bragg波長是指在光纖光柵中傳輸并能滿足Bragg條件的波長，根據(jù)光纖知識，如圖2-2所示，基模與光纖光柵對應(yīng)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90°，則有以下公式：</p><p><b>　?。?-1）</

51、b></p><p><b>　　該公式也可寫作：</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中 ——柵格周期。</p><p>　　常被稱作纖芯有效折射率，顯然<<，所以式2-1與式2-2可被寫作：</p><p>&l

52、t;b>　?。?-3）</b></p><p>　　圖2-2 光纖光柵分析圖</p><p><b>　?。?）反射譜帶寬</b></p><p>　　反射光的波長為，顯然它具有一定的帶寬，公式如下：</p><p><b>　　（2-4） </b></p><

53、p>　　式中 L——光柵長度（mm）。</p><p>　　（3）峰值反射率 </p><p>　　最大的峰值反射率由下面公式求出：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　2.1.3 光纖光柵的傳感原理</p><p>　　非常廣泛用于壓力、應(yīng)變、溫度及動

54、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(shù)的變化FBG的中心波長也總是發(fā)生相應(yīng)的變化，通過解調(diào)FBG的中心波長漂移量便可以準確得到待測物理量的信息。</p><p>　　如圖2-3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(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

55、，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。</p><p>　　圖2-3 光纖光柵傳感原理圖</p><p>　　2.1.4 光纖光柵傳感模型的建立</p><p>　　由公式可知，光纖光柵周期和纖芯折射率的改變決定了光纖光柵的中心波長的變化，相應(yīng)的變化量和致使符合Bragg波長條件的反射波長發(fā)生變化[ 8]。從而可有：&

56、lt;/p><p><b>　　（2-6）</b></p><p>　　當(dāng)光纖光柵受到溫度變化和應(yīng)力作用時，和都會發(fā)生相應(yīng)的變化。為了更好研究這種情況，應(yīng)先忽略溫度和應(yīng)力的交叉影響，單一考慮溫度或者應(yīng)力作用下的影響。</p><p>　?。?）光纖光柵溫度傳感模型</p><p>　　光纖光柵所在環(huán)境受到溫度變化時，Brag

57、g波長偏移一方面是因為熱光效應(yīng)使其折射率發(fā)生了變化，即：</p><p><b>　　（2-7）</b></p><p>　　式中 ——熱光系數(shù)。</p><p>　　另一方面熱致效應(yīng)使光柵周期發(fā)生相應(yīng)變化，即：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>

58、;　　式中 ——光纖的熱膨脹系數(shù)。</p><p>　　其中，溫度引起B(yǎng)ragg波長偏移的主要因數(shù)是熱光效應(yīng)，占熱偏移的95％以上，即：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　式中 V——光纖的歸一化頻率。</p><p>　　綜上所述，溫度對Bragg波長偏移的影響如下：</p>

59、;<p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　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用性。</p><p>　?。?）光纖光柵應(yīng)變傳感模型</p><p>　　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

60、柵周期的影響致使光柵的周期性伸縮：</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　式中 ——軸向的應(yīng)變量。</p><p>　　相對介電抗?jié)B張量與介電常數(shù)的關(guān)系為：</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p><b>　

61、　可有：</b></p><p><b>　　（2-13）</b></p><p>　　式中 ——某方向上的光纖折射率。</p><p>　　由于此處是軸向力作用的方向，所以用替代，并由軸向應(yīng)變公式，所以光纖光柵方程為：</p><p><b>　　（2-14）</b></p>

62、;<p><b>　　材料的彈光性質(zhì)為：</b></p><p><b>　　（2-15）</b></p><p>　　式中 ——材料的彈光系數(shù)。又由式（2-3）可有：</p><p><b>　?。?-16）</b></p><p>　　式中 ，——光纖的泊松比

63、，并有如下關(guān)系：</p><p><b>　　（2-17）</b></p><p>　　由此可得因應(yīng)力作用而引起B(yǎng)ragg波長的變化為：</p><p><b>　?。?-18）</b></p><p>　　式中 （2-19）</p><p&g

64、t;　　在一般的石英光纖中，與材料有關(guān)的系數(shù)≈0.22，因此式（2-18）可化為：</p><p><b>　?。?-20）</b></p><p>　　光纖光柵應(yīng)變—溫度耦合模型</p><p>　　當(dāng)溫度與應(yīng)變力作為單一參量變化時，都會使光纖光柵的波長發(fā)生偏移，而現(xiàn)實情況中兩者情形都會容易出現(xiàn)，所以應(yīng)該建立光纖光柵應(yīng)變—溫度耦合模型。<

65、;/p><p>　　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)對待，進而可得出應(yīng)變—溫度的交叉靈敏度系數(shù)為：</p><p><b>　　（2-21） </b></p><p><b>　　可以被整理為：</b></p><p>　?。?-22） </p>

66、;<p>　　而一般的光纖光柵，溫度為0℃～100℃和應(yīng)變?yōu)?～1.0％的測量范圍之內(nèi)時，經(jīng)過測試，因為溫度產(chǎn)生的誤差為0.77％，因為應(yīng)變產(chǎn)生的誤差極小，所以光纖光柵交叉靈敏度對實驗結(jié)果的影響不大。</p><p>　　忽略交叉靈敏度的影響后，Bragg波長偏移在應(yīng)變和溫度的共同影響下表示為：</p><p><b>　?。?-23）</b></

67、p><p>　　由上式可知，在實際的測量中，應(yīng)當(dāng)考慮到去敏和增敏的問題，即降低增加被測量的靈敏度，降低非被測量的靈敏度。</p><p>　　2.2 磁超致伸縮材料的基本特性</p><p>　　2.2.1 超磁致伸縮材料特性研究</p><p>　　自20世紀70年代以來迅速發(fā)展起來的本質(zhì)為稀土一鐵系金屬間化合物的超磁致伸縮材料GMM是一種

68、新型功能材料，這種材料的磁致伸縮系數(shù)比一般磁致伸縮材料高約102～103倍，由此被稱為超磁致伸縮材料并有優(yōu)勢：機械響應(yīng)快、功率密度高。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。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驗室率先研制成功。其與純鎳和壓電陶瓷（PZT）的性能如下表所示：</p><p>　　表2-1 Terfenol-D與純鎳以及壓電陶瓷(

69、PZT)的性能比較</p><p>　　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：</p><p>　?。?）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Ni.Co合金高400～800倍。</p><p>　?。?）其磁致伸縮性能不隨時間發(fā)生改變，穩(wěn)定性較好，可靠性較高，無疲勞，無過熱失效

70、問題。</p><p>　　響應(yīng)時間僅為百萬分之一秒，適用于制造快速執(zhí)行器件。</p><p>　　Terfenol—D為基礎(chǔ)制備的器件所需要的驅(qū)動電壓較低，而其它材料制成的器件則需要達到幾千伏。</p><p>　　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。</p><p>　　能量轉(zhuǎn)化率明顯高于ni和壓電陶瓷，具有不可替代的

71、優(yōu)勢。</p><p>　　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。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，極大地促進了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步。根據(jù)磁致伸縮材料特性，其主要的應(yīng)用領(lǐng)域有：①高能微型機械功率源；②新型飛機和空間站振動主動控制；③新型飛機自適應(yīng)機翼；④高精度快速微位移致動器；⑤大功率低頻聲納系

72、統(tǒng)。此外，利用磁致伸縮材料的較大磁致伸縮性能，從而可以改變光導(dǎo)纖維的間距大小，達到改變波長的目的，同時在汽車行業(yè)中磁致伸縮材料作為一種非常靈巧的材料也顯示出廣闊的前景。</p><p>　　2.2.2 超磁致伸縮材料的基本原理</p><p>　　外磁場中的鐵磁體被磁化后，其體積和長度會發(fā)生相應(yīng)的變化，這種現(xiàn)象被稱之為磁致伸縮效應(yīng)。1842年時焦耳首先發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象，因此磁致伸縮效應(yīng)也被稱

73、為焦耳效應(yīng)。</p><p><b>　　體磁致伸縮效應(yīng)</b></p><p>　　這指的是鐵磁體在磁化過程中體積發(fā)生的收縮或者膨脹，用w表示磁致伸縮系數(shù)，則有。其中V表示鐵磁體的原始體積大小，表示鐵磁體磁化后體積的變化。</p><p>　　（2）線磁致伸縮效應(yīng)</p><p>　　這是指鐵磁體在磁化過程中發(fā)生線性的

74、伸長或是收縮，如下所示。線磁致伸縮系數(shù)用表示，。其中為鐵磁體的長度，表示鐵磁體在方向上的伸長量。當(dāng)>0時表示鐵磁體沿磁場的方向伸長，垂直于磁場方向縮短，稱為正線磁致伸縮；當(dāng)<0表示鐵磁體沿磁場的方向縮短，垂直于磁場方向伸長，稱為負線磁致伸縮[ 9]。</p><p>　　圖2-4 鐵磁體線磁致伸縮效應(yīng)示意圖</p><p>　　由于鐵磁體的體磁致伸縮效應(yīng)很小，所以目前對鐵磁體的

75、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)。</p><p>　　磁致伸縮系數(shù)兄與溫度和磁場相關(guān)。隨著溫度的變化，會發(fā)生變化，當(dāng)溫度達到居里溫度時，磁致伸縮效應(yīng)將會消失。在一定的溫度下，隨著磁場的增大而增加，當(dāng)磁化強度達到飽和時，也會達到一個飽和值，這個值稱為飽和磁致伸縮系數(shù)。這個數(shù)用表示，對于己知鐵磁體是一個常數(shù)。</p><p>　　是一個

76、可正可負的系數(shù)，其正負是這樣定義的:隨磁場強度H的增加至飽和狀態(tài)，鐵磁體沿磁化方向發(fā)生伸長，則為正;隨磁場強度H增加至飽和狀態(tài)，鐵磁體沿磁化方向發(fā)生縮短，為負。</p><p>　　幾種鐵磁體磁致伸縮系數(shù)隨磁場強度變化如下圖所示。</p><p>　　圖2-5 幾種鐵磁體磁致伸縮系數(shù)隨磁場變化示意圖</p><p>　　除磁致伸縮效應(yīng)以外，磁致伸縮材料還有以下幾種效

77、應(yīng)[ 10]</p><p>　　(1) Villari效應(yīng)。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)力作用下會引起材料的磁化狀態(tài)發(fā)生改變的現(xiàn)象。</p><p>　　(2)效應(yīng)。隨著磁場的變化，磁致伸縮材料的楊氏模量也會發(fā)生變化的現(xiàn)象。</p><p>　　(3) Viedemauu效應(yīng)。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

78、現(xiàn)象。</p><p>　　(4) Auti—Viedemauu效應(yīng)。磁致伸縮材料受到外力發(fā)生扭曲變形時，會在二次線圈中有電流產(chǎn)生的現(xiàn)象。</p><p>　　(5) Jump效應(yīng)。對磁致伸縮材料施加適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力，在外磁場變化下，磁致伸縮效應(yīng)會產(chǎn)生躍變式的增加，磁化率也會發(fā)生改變的現(xiàn)象。</p><p>　　2.2.3 超磁致伸縮材料傳感模型的建立</p>

79、;<p>　　超磁致伸縮材料在外加磁場的作用下產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，其應(yīng)變大小可表示為：</p><p><b>　?。?-24）</b></p><p>　　式中 ——超磁致伸縮材料的磁致應(yīng)變量；</p><p>　　——施加預(yù)應(yīng)力大小(Mpa) ；</p><p>　　H——外加磁場強度大小(kA/m) ；

80、</p><p>　　——超磁致伸縮材料初始長度(m) ；</p><p>　　——伸長量 ((m) 。</p><p>　　從式(2-24)可以看出，磁致應(yīng)變量是受預(yù)應(yīng)力與外加磁場強度大小的影響。當(dāng)外加磁場強度大小不飽和、低頻激勵的情況下，的量值可有下面方程給出：</p><p><b>　　（2-25）</b><

81、;/p><p>　　式中 ——給定磁場強度下超磁致伸縮材料的楊氏模量(N/)；</p><p>　　——材料在應(yīng)變方向的預(yù)應(yīng)力(Mpa) ；</p><p>　　——磁致伸縮系數(shù)或壓磁系數(shù)。</p><p>　　由式(2-25)可知:當(dāng)楊氏模量和磁致伸縮系數(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

82、加預(yù)應(yīng)力的大小以及外加磁場強度的大小。當(dāng)考慮到由磁場引起的磁滯效應(yīng)時，式(2-25)則可表示為：</p><p><b>　　（2-26）</b></p><p>　　可以看出在考慮到材料的磁滯效應(yīng)時，超磁致伸縮材料的磁致應(yīng)變量與磁場強度并不是完全的構(gòu)成線性關(guān)系，在具體的實驗中應(yīng)根據(jù)具體的磁致伸縮材料的特性來建立傳感模型。</p><p>　　

83、超磁致伸縮材料的磁致伸縮效應(yīng)與溫度有關(guān)，所以溫度的變化對材料的影響也需要考慮，溫度的變化對所產(chǎn)生的熱形變的應(yīng)變公式為：</p><p><b>　　(2-27）</b></p><p>　　式中 ——磁致伸縮材料的熱膨脹常數(shù)。</p><p>　　2.2.4 超磁致伸縮材料的應(yīng)用特性</p><p>　　由磁致伸縮材料的

84、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)計時應(yīng)綜合考慮以下幾個問題：</p><p>　　（1）倍頻和偏置磁場。由于超磁致伸縮材料在正反兩個方向的磁場下發(fā)生的形變都是伸長的，所以產(chǎn)生應(yīng)變的頻率是驅(qū)動電流頻率的兩倍。如圖2-6所示，材料的這種倍頻現(xiàn)象可通過在棒上加一個恒定的偏置磁場來消除，并且施加偏置磁場后還能夠減小磁致伸縮棒動態(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態(tài)磁致伸縮系數(shù)。偏置磁場的

85、大小約為曲線線性部分一半處所對應(yīng)的磁場。目前提供偏置磁場的手段主要有兩種，一種是永磁體，一種是直流線圈[ 11]。</p><p>　　圖2-6 倍頻現(xiàn)象圖</p><p>　?。?）驅(qū)動磁場。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。驅(qū)動磁場一般不超過超磁致伸縮材料的-H曲線的線性區(qū)，并根據(jù)材料特性曲線來設(shè)計驅(qū)動線圈的尺寸、線徑和匝數(shù)等。</p><p&

86、gt;　　驅(qū)動頻率。磁致伸縮材料因為棒或薄片的渦流損耗導(dǎo)致了其高頻限制。當(dāng)線圈中的電流頻率較高時，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，降低了有效磁導(dǎo)率及電感。</p><p>　　圖2-7顯示出了超磁致伸縮棒的直徑與渦流臨界的頻率之間關(guān)系曲線，可見隨著超磁致伸縮棒直徑的增大，則臨界頻率降低。要想提高工作頻率，棒的直徑需要相應(yīng)地減小。對于在高頻(如20kHz以上)狀態(tài)下工作時，則必須要考

87、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]。</p><p>　　圖2-7 磁致伸縮棒直徑與臨界頻率的關(guān)系圖</p><p>　　預(yù)應(yīng)力。磁致伸縮材料的抗壓強度能達到700MPa，但其抗拉強度很小只有約28MPa，因此在工作時承受到拉伸應(yīng)力或剪切應(yīng)力時脆性較大容易斷裂，應(yīng)提前對磁致伸縮棒施加一預(yù)壓應(yīng)力。磁致伸縮材料棒工作在

88、施加預(yù)壓應(yīng)力的狀態(tài)下時，其磁致伸縮量要比無預(yù)壓應(yīng)力時大，但同時預(yù)壓應(yīng)力又不能過大，一般在10～15MPa范圍內(nèi)時具有較大的磁致伸縮系數(shù)和較好的線性度，在具體設(shè)計中的取值要根據(jù)所選取的磁致伸縮材料的實驗數(shù)據(jù)來確定。</p><p>　　2.3 電流傳感器的設(shè)計</p><p>　　如圖2-8為對于實際高壓母線上的電流進行檢測的示意圖，通過高壓母線上的電流產(chǎn)生的交變磁場來使超磁致伸縮材料發(fā)生形

89、變，形變量通過作用</p><p>　　圖2-8 高壓母線上電流傳感器示意圖</p><p>　　到光纖光柵上來使中心波長發(fā)生偏移，通過對輸出信號的檢測，就能知道高壓母線上電流的大小，傳感器中的偏置磁場采用的永磁體來提供，下面具體進行傳感器指標(biāo)的設(shè)計工作。</p><p>　?。?）計算高壓母線上產(chǎn)生的驅(qū)動磁場大小</p><p>　　目前S

90、OOkV電壓等級的高壓輸電線路上電流能夠達到3000A，假定測量范圍是0～3000A，對于通電直導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的磁場強度計算公式：</p><p><b>　　(2-28)</b></p><p>　　式中 I——母線上電流強度(A)；</p><p>　　R——距離母線距離(m) ；</p><p>　　H——磁場強度(

91、kA/m) 。</p><p>　　對于0～3000A的高壓母線電流，在距離母線0.02m處產(chǎn)生的磁場強度大小約為0～23.885kA/m 。</p><p>　　（2）根據(jù)驅(qū)動磁場大小來選擇適當(dāng)?shù)拇胖律炜s材料以及永磁體</p><p>　　由偏置磁場的取值特點可知，永磁體產(chǎn)生的偏置磁場大小約為24kA/m，由此可知作用在超超磁致伸縮材料上的磁場大小約為0～48kA

92、/m，所以需要所選材料在其磁場強度范圍內(nèi)有很好的線性度。本實驗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(）。所選材料尺寸大小為5mm×30mm，該超磁致伸縮材料在10MPa預(yù)應(yīng)力下的磁場強度與磁致伸縮系數(shù)的關(guān)系如圖2-9所示。</p><p>　　圖2-9 磁致伸縮系數(shù)與磁場強度大小的關(guān)系圖</p><p>　　從圖中可以看出在10MPa預(yù)應(yīng)力下，在0～5

93、0kA/m的范圍內(nèi)，超磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)與磁場強度特性很好，能夠滿足設(shè)計要求。</p><p>　　(3) 計算光纖光柵波長偏移量</p><p>　　通過理論研究發(fā)現(xiàn)，超磁致伸縮材料應(yīng)變量大小與光柵的軸向應(yīng)變具有不同的物理意義前者由磁場引起，后者產(chǎn)生機理源于力學(xué)效應(yīng)，但是，由磁場引起的伸縮與應(yīng)變場作用下的效果是相同的。實驗中是用環(huán)氧樹脂膠將光纖光柵沿軸向粘貼于超磁致伸縮材料棒上，

94、環(huán)氧樹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)氧樹脂膠對測量的影響不大，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。</p><p>　　由式2-23可知，在忽略溫度影響的條件下，己知光纖光柵的中心波長，通過形變量的大小就能知道波長偏移量的大小。</p><p>　　根據(jù)圖2-10，對于10MPa情況下的曲線，在磁場強度48kA/m情

95、況下所產(chǎn)生的形變量為1071 x 10-6。</p><p>　　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1551.34nm，光柵長度為14mm。</p><p>　　由計算可知電流檢測中所產(chǎn)生的波長偏移大小為。</p><p>　　通過對傳感器的設(shè)計計算可知，在0A～3000A，永磁體提供偏置磁場24kA/m的情況，產(chǎn)

96、生的波長偏移為0～1.29nm。</p><p><b>　　2.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了：光纖光柵的基本結(jié)構(gòu)以及傳感原理，建立了應(yīng)變一溫度的傳感模型。利用光纖光柵對應(yīng)變、溫度的傳感特性，可實現(xiàn)測量效果，從而為本課題的實現(xiàn)提供了理論支持；對超磁致伸縮材料的磁致伸縮效應(yīng)以及其基本特性進行了簡述，并且分析了器件在具體應(yīng)用應(yīng)注意的一些問題，通

97、過分析建立了超磁致伸縮材料的傳感模型。</p><p>　　第3章 光纖光柵電流檢測系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　3.1 光纖光柵傳感信號解調(diào)方法 </p><p>　　光信號解調(diào)技術(shù)是研究將原信號從被調(diào)制的光信號中還原出的一種技術(shù)。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)勢在于其傳感器屬于波長編碼。傳感器的探測量為光纖光柵反射波長的偏移量。其抗干擾能

98、力很強，與光源的強度、光的偏振等因素均無關(guān)。</p><p>　　如何實現(xiàn)對光纖光柵的波長偏移進行解調(diào)，是實現(xiàn)光纖光柵傳感器實用化的關(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。</p><p><b>　　3.1.1 光譜儀</b></p><p>　　光纖光柵傳感系統(tǒng)中對

99、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，如圖3-1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3-2。用光譜儀解調(diào)波長在寬帶光功率、信道增益、信噪比等方面能夠得到較理想的結(jié)果，分辨率能夠達到0.001 nm，基本可以滿足對Bragg波長偏移量的分辨。該方法結(jié)構(gòu)簡單，

100、多用于實驗室。</p><p>　　圖3-1 光譜儀檢測示意圖</p><p>　　圖3-2 光譜儀工作原理圖</p><p>　　3.1.2 邊緣濾波法</p><p>　　圖3-3 邊緣濾波法示意圖</p><p>　　在邊緣濾波法中測量元件為波分禍合器，其傳輸特性為在1510nm—1560nm之間的波長范圍內(nèi)，禍

101、合器的效率與波長呈線性關(guān)系，因此可利用這一特性來檢測波長的偏移，圖3-3為此方法示意圖。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，兩束輸出光通過光電檢測裝置將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過處理消除光功率變化產(chǎn)生的影響，最后得到波長的偏移量。此方法的優(yōu)點是電子處理電路簡單，缺點是測量分辨率低[ 13]。 </p><p

102、>　　3.1.3 匹配光柵法</p><p>　　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3-4。進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入到相匹配的接受光柵中。接受光柵固定在一壓電陶瓷驅(qū)動器上，通過掃描接受光柵的中心波長，當(dāng)兩個光柵相匹配時，就可以確定傳感光柵中的中心波長[ 14]。<

103、/p><p>　　圖3-4 匹配光柵法傳感系統(tǒng)示意圖</p><p>　　3.1.4 非平衡M-Z干涉解調(diào)法</p><p>　　非平衡M-Z干涉解調(diào)法基本原理如圖3-5所示，寬帶光源發(fā)出的光信號經(jīng)過禍合器進入到光纖光柵，其反射光再通過禍合器進入到非平衡M-Z干涉儀。當(dāng)傳感光柵的中心波長發(fā)生的波長偏移時，干涉儀中發(fā)生的相位變化為為，由上式可知，只要解調(diào)出就能夠知道中心波

104、長的偏移量。</p><p>　　該解調(diào)方法分辨率高，動態(tài)響應(yīng)好，不過解調(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，對于100Hz以下的動態(tài)信號解調(diào)，此方法并不適合。</p><p>　　3.2 實驗所用傳感信號解調(diào)方法一可調(diào)諧F-P濾波法</p><p>　　19世紀末，F(xiàn)abry-Perot濾波器(FP-TF)就已經(jīng)被用于

105、光譜分析?？烧{(diào)諧</p><p>　　F-P濾波器是基于多光束干涉的光學(xué)工作原理，它是由光學(xué)F-P干涉儀發(fā)展起來的。光纖F-P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F-P干涉腔。F-P腔結(jié)構(gòu)如圖3-6所示，當(dāng)有外界信號作用時，壓電晶體發(fā)生形變，進而使F-P干涉腔的腔長發(fā)生變化，進而達到可調(diào)諧濾波器的效果。</p><p>　　圖3-5 非平衡M-Z干涉解調(diào)法示意圖&

106、lt;/p><p>　　圖3-6 F-P腔結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　當(dāng)F-P干涉腔的長度為L的時候，其腔鏡的反射率為，那么諧振腔的透射率的表達式為：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　式中 ——F-P腔中的兩條相鄰光線之間的相位之差，其表達式為:</p><p>

107、;<b>　　（3-2）</b></p><p>　　式中 ——光纖入射到光纖光柵上的入射角。</p><p>　　當(dāng)光線垂直入射到光柵上時，；必是光纖通過F-P腔內(nèi)反射后的附加相位移動，一般情況下非常小，可以忽略不計。那么當(dāng)光線垂直入射的時候，其透射率可以化簡為：</p><p><b>　?。?-3）</b></

108、p><p>　　光纖F-P濾波器的輸出光的波長可表示為：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　由公式(3-4)可知，光纖F-P濾波器能夠進行波長的選擇，其選擇的波長的大小正比于F-P腔長L。所以透射光的波長選擇可以通過改變F-P腔的腔長來實現(xiàn)，通常情況下我們是用壓電陶瓷來驅(qū)動光纖F-P腔的，對壓電陶瓷施加周期性變化的

109、電壓，它能夠使F-P腔長產(chǎn)生周期性的變化，進而可以對既定區(qū)間內(nèi)光纖的波長實現(xiàn)周期性的濾波。</p><p>　　圖3-7 F-P濾波器解調(diào)工作示意圖</p><p>　　在具體解調(diào)系統(tǒng)中的工作原理如圖3-7所示。寬帶光源發(fā)出的光信號經(jīng)過耦合器后進入到光纖光柵，其中滿足布喇格反射條件的信號被反射回來，再通過耦合器入射到可調(diào)諧F-P濾波器中進行處理，探測器將檢測可調(diào)諧F-P濾波器的透射峰是否與

110、光柵的中心波峰重合，重合則經(jīng)過F-P濾波器透射光最強，通過濾波放大將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，再由信號采集裝置將電信號采集后送入信號處理電路，然后得出被測信息[15]。</p><p>　　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。適用于工程應(yīng)用方面的波長偏移檢測技術(shù)。本方案所選用的是美國微光公司生產(chǎn)的型號SM130解調(diào)儀，其解調(diào)原理為可調(diào)諧F-P濾波法。</p><p>

111、;　　表3-1 SM130解調(diào)儀基本指標(biāo)</p><p>　　3.3電流檢測系統(tǒng)整體設(shè)計</p><p>　　如圖3-8為本方案采取的電流檢測系統(tǒng)的示意圖，根據(jù)第二章的傳感器設(shè)計中，實際是按照檢測高壓母線上的電流計算，由于目前本方案處在實驗階段，并且實驗條件有限所以傳感器中超磁致伸縮材料所需要的交變磁場由驅(qū)動線圈提供，偏置磁場由偏置線圈提供，其中核心元件由以下部分構(gòu)成。</p>

112、<p>　　圖3-8 電流檢測系統(tǒng)示意圖</p><p><b>　?。?）光源</b></p><p>　　光源性能的好壞對于整個解調(diào)系統(tǒng)起著重要的作用。在光纖光柵傳感中，光源有足夠的輸出功率并且在工作時要保證其穩(wěn)定性，可以保持長時間的工作狀態(tài)。由于不同的光源發(fā)出的光波長并不一樣所以對于光源的選擇要根據(jù)傳感波長來確認適合的波長段。本實驗選用的光源為SM