基于磁致伸缩效应的光纤光栅电流检测技术研究_燕山大学毕业论文(编辑修改稿)

基于磁致伸缩效应的光纤光栅电流检测技术研究_燕山大学毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

5 诸多实际情况中。 使用传感器 密集的航空航天业，体现了其行业最高要求 —— 安全。 为了监测一架飞行器压力、燃料液位、温度、振动、方向舵和机翼的位置、起落架状态等，至少需要使用一百多个传感器，因此传感器的重量、尺寸大小显得尤其重要。 传感器的小尺寸在医学应用中是非常有意义的，光纤光栅传感器是现今能够做到最小的传感器。 光纤光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量，提供有关温度、压力和声波场的精确局部信息。 光纤光栅传感器对人体组织的损害非常之小，足以避免对正常医疗过程的干扰。 一种光纤光栅阵列温度传感器被设 计用来测量超声波、温度和压力场，另一个光纤光栅温度传感系统被研制用来遥测核磁共振机中的实地温度。 光纤光栅传感器还被研究用来进行心脏效率的测量，这种测量基于一种定向热稀释导流管方法。 在电力工业中，设备大都处在强电磁场中，普通的电类传感器无法正常使用。 有很多电力设备所在的位置是常人难以到达的地方，如荒原沙漠、荒山丘陵中的传输电缆和中继变电站，为了极大地减少设备维护费用，充分利用分布式光纤光栅传感系统的遥测能力是明智的选择。 处在高压中需要测量的地方有很多，如在线监测高压开关，发电机定子、 高压变压器绕组等地方的位移以及温度等参数的实时准确测量，这些地方的测量需要的传感器必须有以下优点：体积小、具有良好的绝缘性能、而且是无源器件，显然在进行这些测量时光纤光栅传感器是最佳的选择。 在国家经济发展中电力系统运行的稳定性起着至关重要的作用。 2020年美加电网崩溃，这次大面积严重停电事故造成直接经济损失不下于 300亿美元 [ 5]，给未来经济的发展蒙上一层阴影。 因此对电力系统进行实时在线监测时必须配置可靠的检测系统，及时准确发现故障并加以维护，保证电力系统安全、稳定、高效运行。 作为八十年代以来逐步发展成 熟的一种新型传燕山大学本科生毕业设计（论文） 6 感技术 —— 光纤光栅传感器，自其问世之日就显示出巨大的生命力和优越性。 其非凡的抗辐射能力、优良的电气绝缘性能和快速的频响等优势都为其在电力系统中的更多应用提供了更大现实可行性。 课题研究的主要内容 本文在对超磁致伸缩材料与光纤光栅传感技术进行分析研究的基础上，提出了一种基于超磁致伸缩材料的光纤光栅电流互感器，所做工作主要有： (1)分析研究光学电流互感器国内外发展现状，提出基于超磁致伸缩材料的光纤光栅电流检测的方案。 (2)论述光纤光栅与超磁致伸缩材料的传感原理与基本性能，完成传 感器的设计。 (3)完成电流检测系统整体的设计工作，并对其中核心元件进行了分析。 (4)根据已经提供的实验数据，完成光学电流传感器的仿真。 对实验数据进行分析处理 并仿真 ， 进而验证设计的正确性。 第 2章 光纤光栅电流传感器的设计 7 第 2 章 光纤光栅电流传感器的设计 进入新世纪以来，光纤光栅是发展最为迅速的光纤无源器件之一。 自从1978 年在实验中加拿大 K． O． Hill 等研究者首次发现了光纤的光栅效应，并由此成功采用驻波法成功地写入光纤光栅以及 1989 年美国人 GMelt 等人发明紫外写入技术以来， FBG 随同制造工艺的逐渐提升，其发展越来越迅速，目前已经成为世界上最好的光纤电流传感器之一。 作为目前研究程度很深的新型稀土合金材料 —— 超磁致伸缩材料，有着较大的磁致伸缩系数，应用也越来越广泛。 本章首先介绍 FBG 传感的基本原理，超磁致伸缩材料的基本特性，由此根据传感特性完成传感器的设计。 光纤光栅特性介绍 光纤光栅的基本原理 通过用周期性强度调制的紫外光从光纤的侧面照射光纤表面，从而使被照射部分光纤纤芯的折射率发生永久性的变化，这种因为照射被永久性改变了折射率的光纤被称为光纤光栅。 当移开照射光后，利用光源在光纤中输入一段波 长的范围的入射光，此时那些能满足由照射决定的 bragg 波长的光将被反射，而其他的入射光不会受到任何影响 [ 7]。 图 21 光纤光栅的基本原理图 如图 21 所示，光纤光栅作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的 (透射或反射 )滤波器和反射镜，光源产生的光为 iI ，能够透射出光纤的光为 tI ，其余照射光纤后由于与光栅中心波长相同的光会被反射回来，这部分光被称入 射 光 谱 纤 芯 包 层 涂 敷 层 透 射 光 谱反 射 光 谱 iIiI tI tIrIr燕山大学本科生毕业设计（论文） 8 为 rI。 光纤光栅的特征参量 光纤光栅的特征参量有：中心波长、反射谱带宽、峰值反射率，针对它们的具体描述如下： （ 1） 中心波长 B Bragg 波长 B 是指在光纤光栅中传输并能满足 Bragg 条件的波长，根据光纤知识，如图 22 所示，基模与光纤光栅对应的的光 线方向和光纤的光轴夹角为  ，光线对光纤的余角为  ，显然  与  之和为 90176。 ，则有以下公式：  cos2 1nB  （ 21） 该公式也可写作：  sin2 1nB  （ 22） 式中  —— 栅格周期。 cosn1 常被称作纤芯 有效折射率 efn ，显然 2n efn 1n ，所以式 21 与式 22 可被写作： effnB 2 （ 23） 芯 层 （ n 1 ）芯 层 （ n 2 ） 布 喇 格 光 栅基 模 的 波 矢 量 k光 轴 图 22 光纤光栅分析图 （ 2）反射谱带宽  反射光的波长为 B ，显然它具有一定的带宽，公式如下： 12 2 22= + / 2 effB L n L    （ 24） 式中 L—— 光栅长度（ mm）。 （ 3）峰值反射率 第 2章 光纤光栅电流传感器的设计 9 最大的峰值反射率由下面公式求出： 2tanRL （ 25） 光纤光栅的传感原理 非常广泛用于压力、应变、温度及动态电磁场等的测量的 FBG，测量的基本原理是随着外界环境参数的变化 FBG 的中心波长也总是发生相应的变化，通过解调 FBG 的中心波长漂移量便可以准确得到待测物理量的信息。 如图 23 所示，宽带光源的光线进入 FBG 中，满足 Bragg 反射条件的光将发生反 射，当被测信息量发生一定变化并能使光纤光栅所在环境的应变、温度、应力等其它物理量发生变化时，光栅周期或纤芯折射率将发生变化，反射光的中心波长随之发生变化，进而通过测量物理量变化前后反射光中心波长的变化，就可以获得待测物理量具体的变化情况。 图 23 光纤光栅传感原理图 光纤光栅传感模型的建立 由公式 effnB 2 可知，光纤光栅周期  和纤 芯折射率 efn 的改变决定了光纤光栅的中心波长的变化，相应的变化量 effn 和 致使符合 Bragg 波长条件的反射波长发生变化 B [ 8]。 从而可有： = 2 2eff effB nn     （ 26） 当光纤光栅受到温度变化和应力作用时， efn 和  都会发生相应的变化。 为了更好研究这种情况，应先忽略温度和应力的交叉影响，单一考虑温度或者应力作用下的影响。 （ 1）光纤光栅温度传感模型 光纤光栅所在环境受到温度 T 变化时， Bragg 波长偏移一方面是因为燕山大学本科生毕业设计（论文） 10 热光效应使其折射率发生了变化，即： eff eff Tnn    （ 27） 式中  —— 热光系数。 另一方面热致效应使光栅周期发生相应变化，即： = T  （ 28） 式中  —— 光纤的热膨胀系数。 其中，温度引起 Bragg 波长偏移的主要因数是热光效应，占热偏移的95％以上，即： 1= effeffdn dVn dV dT  （ 29） 式中 V—— 光纤的归一化频率。 综上所述，温度对 Bragg 波长偏移的影响如下：  BB     （ 210） 从上式可以明显看出，当光纤光栅的材料被确定好后，其对温度的灵敏度系数也被随之确定，从而可以判定光纤光栅作为温度传感器有很好的 实用性。 （ 2）光纤光栅应变传感模型 忽略温度和其他影响后，轴向力有两个作用 —— 伸缩和拉伸，应变作用对光栅周期的影响致使光栅的周期性伸缩：  = 1+  （ 211） 式中  —— 轴向的应变量。 相对介电抗渗张量 ij 与介电常数  的关系为： 21/ 1/ij ijn （ 212） 可有： 2 2 31 1 2 e ffijij e ff e ffnn n n                             （ 213） 式中 ijn —— 某方向上的光纤折射率。 由于此处是轴向力作用的方向，所以用 efn 替代 ijn ，并由轴向应变公式第 2章 光纤光栅电流传感器的设计 11 /z LL ，所以光纤光栅方程为： 321= 2 22e ffB e ff ze ffn nLnL       （ 214） 材料的弹光性质为：  2 = 1 , 2 ,3mn m n m np   ， （ 215） 式中 mp —— 材料的弹光系数。 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 —— 光纤的泊松比，并有如下关系： 231jzvv （ 217） 由此可得因应力作用而引起 Bragg 波长的变化为：    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 纤中，与材料有关的系数 eip ≈，因此式（ 218）可化为：  1 0 .7 8Bei z zB p    （ 220） （ 3） 光纤光栅应变 — 温度耦合模型 当温度与应变力作为单一参量变化时，都会使光纤光栅的波长发生偏燕山大学本科生毕业设计（论文） 12 移，而现实情况中两者情形都会容易出现，所以应该建立光纤光栅应变 — 温度耦合模型。 首先假设温度变化极小，则在温。