基于超磁致伸縮材料的光纖光柵

AbstractSTYLEREF"標題1"摘要-第2章光纖光柵電流傳感器的設計-PAGEIII-Thecurrentmeasurementisquiteimportantinthepowerindustry,its’precisionandreliabilityrelatedthesafetyandeconomyofoperationinelectricpowersystemclosely.Withthedevelopmentofpower,conventionalcurrenttransducercan’tmeetrequirements.Nowtheopticalcurrenttransformer(OCT)havepotentialapplicationcostbecauseofits’uniqueadvantageswillbeusedtoreplaceconventionalcurrenttransducersinthefuture.Inthispaper,onthepresentsituationsinthefieldofOCT,anovelelectricalcurrentsensingconfigurationisconstructedbasedonfiberbragggratingandgiantmagnetostrictivematerial.Thecontentofthisresearchincludes:Inthedepthanalysisoffibergratingsensingprinciple,thecorrespondingmathematicalmodelarederivedbasedontheaxialstraincharacteristic,temperaturecharacteristicandcross-sensitivitycharacteristic;thenthesensingpropertiesofgiantmagnetostrictivematerialisanalyzed.Thenthesensorisdesignedbasedonthegiantmagnetostrictivematerialandthefiberbragggrating.Theoreticallycompletethecalculationofthesensordetectiononthehighvoltagebuscurrent.Withtheadvantagesanddisadvantagesofvariousdemodulationmethodsareanalyzed,andtheappropriatedemodulationisdesigned:tunableF-Pfilterdemodulationsystem.Forthecorecomponentsofthedemodulationsystemareselected.Onthisfoundationoftheoreticaldesign,theexperimentsystemisbuiltup.Anditstudiesprestressingforceeffects,offsetmagneticfieldeffectsandtemperatureeffectsontheexperimentsystem.Thediameterandsizeofthedrivecoilandthebiascoilaredesigned.CompletionoftheDCandACtestingexperiments,andtheexperimentresultareanalyzed.Keywords:Powersystem;Opticalcurrenttransformer;Giantmagnetostrictivematerials;Fiberbragggrating摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1課題背景與研究意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.2.1光學電流互感器研究現(xiàn)狀 21.2.2信號解調(diào)技術的研究現(xiàn)狀 41.3光纖光柵傳感器應用概述 41.4課題研究的主要內(nèi)容 6第2章光纖光柵電流傳感器的設計 72.1光纖光柵特性分析 72.1.1光纖光柵的基本原理及特征參量 72.1.2光纖光柵傳感模型的建立 92.2超磁致伸縮材料特性分析 122.2.1超磁致伸縮材料的基本原理 122.2.2超磁致伸縮材料的磁滯特性 142.2.3超磁致伸縮材料傳感模型的建立 152.2.4超磁致伸縮材料的應用特性 162.3電流傳感器的設計 182.4傳感器電流檢測實驗仿真 202.5本章小結(jié) 21第3章光纖光柵電流檢測系統(tǒng)設計 233.1光纖光柵傳感信號解調(diào)方法 233.1.1光譜儀 233.1.2邊緣濾波法 243.1.3匹配光柵法 243.1.4非平衡M-Z干涉解調(diào)法 253.2實驗所用傳感信號解調(diào)方法—可調(diào)諧F-P濾波法 263.3電流檢測系統(tǒng)整體設計 273.4本章小結(jié) 30第4章實驗與數(shù)據(jù)分析 314.1實驗系統(tǒng)的搭建 314.1.1解調(diào)系統(tǒng) 314.1.2電源系統(tǒng) 334.1.3傳感系統(tǒng) 344.2實驗數(shù)據(jù)分析 414.2.1直流電流檢測實驗 414.2.2交流電流檢測實驗 444.3實驗誤差分析 484.4本章小結(jié) 50結(jié)論 51參考文獻 53附錄 57攻讀碩士學位期間承擔的科研任務與主要成果 62致謝 63作者簡介 64-1.1課題背景與研究意義在電力系統(tǒng)中，由于對電流監(jiān)測系統(tǒng)和繼電保護系統(tǒng)自動化、智能化等要求的不斷提高，使電流互感器(CurrentTransformer,CT)的研究發(fā)展十分迅速，因而電流互感器的安全性、精確性與電力系統(tǒng)的可靠和經(jīng)濟運行密切相關[1]。目前隨著大容量發(fā)電機組的投入使用和輸電電壓等級的提高，傳統(tǒng)電磁式電流互感器存在的磁飽和、鐵磁諧振、絕緣難度大、有油易燃易爆等問題愈來愈明顯[2]。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。在這種背景環(huán)境下，努力尋求新型的電流互感器是未來發(fā)展的必然趨勢[3]。目前研究的熱點是利用光學傳感技術來監(jiān)測電流，即利用光電子學的方法和光纖傳感技術的手段來實現(xiàn)的光學電流互感器(OpticalCurrentTransformer,OCT)[4]。光學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)中發(fā)電、輸電和變電等領域，尤其是在對高壓系統(tǒng)的測量與監(jiān)控方面，光學電流互感器具有明顯的優(yōu)越性，是傳統(tǒng)的電磁式電流互感器的理想替代產(chǎn)品[5,6]。光學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材料、傳輸信號的光纖都是良好的絕緣材料，結(jié)構簡單，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；能夠適應電力系統(tǒng)數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化的需求。所以目前光學式電流互感器在電力系統(tǒng)中，有著廣泛的發(fā)展綜上所述，開展光學電流互感器研究的現(xiàn)實意義體現(xiàn)在以下三個方面：首先開展光學電流互感器的研究是現(xiàn)代科學技術發(fā)展進步的技術基礎之一，起著先導作用；其次開展光學電流互感器的研究是保證現(xiàn)代電力行業(yè)安全高效生產(chǎn)，以及提高人民生活質(zhì)量的重要手段；再次光學電流互感器屬于高新技術的產(chǎn)業(yè)，具有高增長，高收益的特點。因此，研究開發(fā)新型的光學電流互感器對促進我國的國民經(jīng)濟的發(fā)展具有十分重要的意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1光學電流互感器研究現(xiàn)狀光學電流互感器主要研究方案有基于法拉第磁光效應的磁光式電流互感器及基于磁致伸縮材料的光學電流互感器[7-9]?；诜ɡ诖殴庑拇殴馐诫娏骰ジ衅靼ㄈ饫w電流互感器以及塊狀玻璃光學電流互感器兩種。其中全光纖電流互感器具有光路簡單，加工方便的優(yōu)點，不過輸出的靈敏度受到外界環(huán)境溫度、入射偏振面以及光纖本身雙折射等因素的影響較大。從1973年來自英國的科學家A.J.Rogers提出了全光纖電流的設想以來，許多研究人員投入了大量時間精力研究全光纖型電流互感器，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完全解決，這也限制了其發(fā)展[10]。塊狀玻璃光學互感器是采用具有較高菲爾德常數(shù)的一整塊光學玻璃作為核心傳感元件，這樣的互感器受到線性雙折射的影響較小并且材料選擇范圍廣，但是其塊狀玻璃具有加工難度大，易碎，成本高等缺點[11]。其中B.C.B.Chu等人設計的塊狀玻璃光學電流互感器在1A~3kA的測試范圍內(nèi)，獲得的分辨率為20mA/Hz，并且在頻率1Hz~10kHz范圍內(nèi)能夠得到平坦的頻率響應[12]。到目前為止塊狀玻璃光學電流互感器是實際經(jīng)驗最豐富，掛網(wǎng)運行最多，并且穩(wěn)定性最好的一種光學電流互感器。基于磁致伸縮效應的光學互感器進行了近二十年的研究工作。磁致伸縮材料最初是由鎳合金等材料構成，這種伸縮材料伸縮系數(shù)小，精度低，從而限制了其發(fā)展。80年代美國阿姆斯實驗室研制成功了新型的超磁致伸縮材料(GiantMagnetostrictiveMaterials,GMM)并且實現(xiàn)了商品化，其成分為。最初是由美國前沿技術公司于1989年開始成產(chǎn)銷售，隨后瑞典、日本、俄羅斯、英國等國家也相繼研發(fā)出產(chǎn)品。我國對GMM開始的研究比較晚，不過進展速度，到目前為止北京有色金屬研究總院、北京科技大學、包頭稀土研究所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)，效果顯著，GMM的一些主要性能指標基本上達到了國際同類產(chǎn)品的水平。由于GMM所具有的良好特性，目前將GMM作為核心元件的器件已經(jīng)研發(fā)出許多，在很多方面都發(fā)揮了很高的使用價值。GMM換能傳感器能夠?qū)⒋蠊β孰娔苻D(zhuǎn)換成超聲波的振動從而改變物質(zhì)的狀態(tài)，例如超聲切割、超聲清洗等；將其用于對金屬探傷、水下探測等方面的應用也發(fā)展迅速，目前美國海軍就已成功研制一套基于GMM的聲納系統(tǒng)；再有就是將GMM的伸縮效應利用在精密的位移控制，其控制精度能夠達到納米級別。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.Sedlar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。2002年王廷云完成了基于GMM的光纖微分干涉電流互感器，該互感器能夠完成高靈敏度、高精度的電流及磁場測量，在8A~200A的測量范圍內(nèi)誤差約為0.5%，最小電流檢測能達到0.5A，不過此方案動態(tài)線性范圍較小，適合小電流的檢測。張學亮等人將超磁致伸縮材料覆在去了保護層的光纖上，得到的這種傳感單元具有很高的靈敏度以及傳輸效率，但是要在光纖表面完成磁致伸縮材料均勻的覆蓋是很困難的，所以目前更多的還是采用將光纖繞在GMM表面或是用粘合劑固定的方式進行電流的檢測。光纖布喇格光柵(FiberBraggGrating,FBG)傳感技術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，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[13]。而FBG的周期和折射率只受物理量應變和溫度的影響，對其他物理量不敏感。所以發(fā)生應變或是溫度變化會使FBG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變或是溫度的變化情況[14]。自從FBG被應用以來，將FBG與GMM結(jié)合起來作為電流互感器成為國內(nèi)外學者研究的主要方向。2004年D.Reilly通過螺線管完了基于GMM-FBG的電流傳感系統(tǒng)，偏置磁場由釤鈷體提供，F(xiàn)BG的解調(diào)系統(tǒng)為F-P可調(diào)濾波器，該系統(tǒng)能夠同時完成電流和溫度的測量，測量范圍是0.3A~1.0A和18℃~90℃[15,16]。國內(nèi)很多大學如南開大學、武漢理工大學、燕山大學等對GMM-FBG相繼展開了研究實驗，也都取得不錯的結(jié)果，不過更多的是把研究重點放在如何消除實驗影響因素方面。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)外學者都提出很多方案：D.Reilly提出的基于GMM-FBG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度的變化[17]；易本順等采用利用兩個光纖光柵綜上所述，目前為止對GMM-FBG電流傳感系統(tǒng)的研究僅限于處在螺線管產(chǎn)生的磁場條件下，應用到實際線路測量的實例還沒有。應用GMM-FBG傳感系統(tǒng)于工頻交流的測量研究僅僅開始于2004年，并且大多是集中在如何較小溫度影響方面。1.2.2信號解調(diào)技術的研究現(xiàn)狀對FBG傳感系統(tǒng)的解調(diào)實質(zhì)上是指對于傳感光柵反射波譜的實時監(jiān)測，分析出波長大小。實際應用中FBG信號解調(diào)可分為兩部分：一部分是光信號分析處理，完成光信號波長大小到電信號的轉(zhuǎn)化。另一部分是對電信號的處理，將電信號轉(zhuǎn)化成人們熟悉的形式。其中光信號的分析處理是解調(diào)技術的核心部分，傳感光柵對于反射波長的跟蹤分析能力決定了整個解調(diào)系統(tǒng)的分辨率、可靠性以及成本。目前已有的解調(diào)方法分為干涉法、濾波法、色散法以及窄帶激光掃描法等。A.D.Kersey根據(jù)干涉法提出的采用非平衡M-Z干涉儀法將中心波長的偏移量轉(zhuǎn)換為相位的變化量來進行檢測，其動態(tài)參量的分辨率能達，該方法的優(yōu)點是能提供高解析度、寬帶寬的調(diào)控能力，不過該方法只適合動態(tài)應變的測量不適用于絕對應變的檢測[19]；可調(diào)法F-P濾波法具有調(diào)諧范圍寬的優(yōu)點不過成本較高[20]；基于CCD色散解調(diào)法的解調(diào)儀一般解調(diào)速度只有幾毫秒，響應時間快，抗干擾能力強，缺點是波長分辨率受到的影響因素較多；可調(diào)窄帶激光掃描法具有較高的分辨率和信噪比，最小分辨率能夠達到2pm，不過其穩(wěn)定性較差以及解調(diào)范圍不夠理想的問題限制了其使用范圍。目前國內(nèi)外對于FBG解調(diào)裝置的研究取得了很大的進展。美國的微光公司設計的解調(diào)儀器動態(tài)解調(diào)范圍能達80nm、分辨率為1pm、掃描速度能到1kHz，處于國際領先地位。國內(nèi)的如北京品傲光電、上海紫珊光電等公司對FBG解調(diào)儀的研究也取得了不錯的成果。綜上所述，F(xiàn)BG的解調(diào)技術近些年發(fā)展的比較迅猛，成熟的解調(diào)裝置已經(jīng)問世，其指標能夠滿足對50Hz工頻交流電流的檢測。1.3光纖光柵傳感器應用概述隨著光纖光柵問世以來，其傳感技術已經(jīng)成為光纖傳感技術中最具有優(yōu)勢的一種技術。目前在石油工業(yè)、建筑工程等行業(yè)已經(jīng)取得了很好的研究成果以及得到了廣泛的應用，在電力系統(tǒng)行業(yè)雖然起步較晚，目前整體上依然處在研究階段，但憑借其對電磁干擾不敏感、絕緣性能好以及體積小等優(yōu)勢，使其在電力系統(tǒng)中有著廣闊的應用前景尤其是在高電磁場環(huán)境下的電氣設備檢測方面更是具有不可替代的優(yōu)勢。(1)航空航天中的應用。航空航天業(yè)中傳感器的尺寸和重量尤為重要，因此小巧的光纖光柵就成為最好的選擇，幾乎沒有其他傳感器可以與之相比。美國國家航空和宇宙航行局就對光纖光柵傳感技術非常重視，僅波音公司就具有好幾個注冊的光纖光柵傳感器的專利[21]。(2)土木工程中的應用。光纖光柵在土木工程中的結(jié)構監(jiān)測是其應用最多的領域。對于橋梁、隧道、礦井、大壩等工程的力學參數(shù)的監(jiān)測對于其維護以及健康狀況是非常重要的。通過監(jiān)測上述工程中的應變分布，能夠了解結(jié)構的負荷情況及健康情況[22]。目前光纖光柵傳感器主要是貼在結(jié)構表面或是預先埋入結(jié)構中，從而對結(jié)構進行各種監(jiān)測。(3)石油工業(yè)中的應用。石油化工行業(yè)屬于易燃易爆行業(yè)，并且工作環(huán)境空氣中帶有重金屬、化合物、燃化油等物質(zhì)，這些都很不利于常規(guī)的傳感器工作[23]。由于獨特的電絕緣性以及在易燃易爆場合的本征安全性，并且對于腐蝕液體的抗拒性這些特性都賦予光纖光柵傳感器獨一無二的優(yōu)勢，使其在石油化工行業(yè)中具有廣泛的應用。目前光纖光柵傳感器替代傳統(tǒng)的傳感器廣泛的應用在油田儲量勘測以及海洋石油平臺上的監(jiān)測工作[24-(4)核工業(yè)中的應用。核工業(yè)場所是一個高輻射的地方，核泄漏對于人的身體健康是一個極大的威脅，因此對于核電站的安全監(jiān)測是非常有必要的[27]。對于老化的核裝置，需要更多的修理及維護，直到最終需要拆除，這些在設計初都是不能預見的，因此就需要更多的傳感器來監(jiān)測設備的運行情況，來處理不確定情況[28]。目前在核工業(yè)中應用(5)電力行業(yè)中的應用。電力行業(yè)中高壓開關、發(fā)電機定子、高壓變壓器繞組等地方的溫度以及位移等參數(shù)的在線監(jiān)測都要求具有很好的絕緣性以及小尺寸，光纖光柵正是滿足這些測量要求的最佳選擇。對于人難以到達的地方，如沙漠、荒山、森林等地的光纜傳輸以及變電站等設備采取分布式光纖光柵進行遙控可以大大減少設備的維護費用。目前日本北海道已將光纖光柵傳感器應用于高壓線路的積雪負荷監(jiān)測[30電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性對于整個國家經(jīng)濟的發(fā)展起著重要的作用。2003年的美加電網(wǎng)崩潰導致大面積停電的事故就造成了不下300億美元的損失[31]。因此配置可靠的檢測系統(tǒng)對電力系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，是保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運行的有效方法。1.4課題研究的主要內(nèi)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(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。(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，完成傳感器的設計及計算機仿真。(3)完成電流檢測系統(tǒng)整體的設計工作，并對其中核心元件進行了分析。(4)為搭建相應的實驗系統(tǒng)選擇核心材料，具體分析預應力、溫度、偏置磁場等因素對實驗的影響，設計完成驅(qū)動線圈以及偏置線圈的線徑、尺寸。(5)構建相應實驗系統(tǒng)，完成直流、交流測試實驗，并通過實驗結(jié)果還原到實際應用中去。對實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，具體分析產(chǎn)生實驗誤差的原因，并提出提高靈敏度的方法。自從1978年，加拿大的K.O.Hill等人在實驗室首次發(fā)現(xiàn)了光纖中的光柵效應，并且成功制作出世界上首根光纖布喇格光柵以及1989年美國的G.Melt等人發(fā)明了紫外光側(cè)寫入技術以來，F(xiàn)BG隨著制造水平的逐步提高，其應用前景也迅速開展，目前FBG傳感已經(jīng)成為最優(yōu)秀的光纖傳感器之一。超磁致伸縮材料是目前研究較多的一種新型稀土合金材料，具有較大的磁致伸縮系數(shù)。本章主要介紹光纖光柵的基本原理以及超磁致伸縮材料的一些基本特性，并根據(jù)其傳感特性完成傳感器的設計工作。2.1光纖光柵特性分析2.1.1光纖光柵的基本原理及特征參量光纖光柵是在光纖表面利用周期性強度調(diào)制的紫外光從光纖的側(cè)面照射光纖，使被照部分光纖纖芯的折射率發(fā)生永久性的變化，這一永久性改變了折射率的光纖即稱為光柵。當照射光撤去后，在光纖中輸入一段波長范圍的寬帶光，那些滿足由照射時決定的Bragg波長的寬帶光將被反射，其余的光不會受到影響[32光纖光柵實質(zhì)上是在光纖中寫入了一個反射鏡，其原理如圖2-1，為由光源產(chǎn)生寬帶激光，照射進光柵后與光柵中心波長相同的光會被反射回來即圖中，其余的光則會透射出去即。其中可以由測量反射光譜的中心波長或是透射光譜的中心波長進行布喇格光柵效果測試實驗。圖2-1光纖光柵的基本原理圖光纖光柵的主要特征參量包括：中心波長、反射譜帶寬、以及峰值反射率，具體描述如下。(1)Bragg波長光纖光柵的Bragg波長是指在光纖光柵中傳輸?shù)哪軡M足Bragg條件的波長，依據(jù)光纖光學，即使基模與其相對應的光線方向也和光纖的光軸有很小的夾角，如圖2-2該光線對布喇格光柵的余角設為，有，滿足Bragg條件的波長可以證明滿足： (2-1)或 (2-2)式中——柵格周期。通常寫成有效折射率，它的大小介于，之間，即>>,這樣可以寫為[33]： (2-3)圖2-2光纖光柵分析圖(2)反射譜帶寬如果反射光的波長為，則它具有一定的帶寬，計算式為： (2-4)式中L——光柵長度(mm)。(3)峰值反射率最大的反射率可根據(jù)下式求出： (2-5)2.1.2光纖光柵傳感模型的建立由公式（2-3）可知，光纖光柵的Bragg波長是隨著光柵周期和纖芯有效折射率而改變的，其變化量和導致符合Bragg條件的反射波長發(fā)生位移[34]。由Bragg條件可知： (2-6)當光纖光柵受到應力作用情況下或是受到溫度變化影響時，和都會發(fā)生變化。為方便研究，首先忽略應力和溫度的交叉敏感，僅考慮在單一應力或是溫度作用下的傳感特性。(1)光纖光柵應變傳感模型的建立Bragg波長受應力影響是由彈光效應和光柵周期的伸縮而導致。為簡化推導，假設光纖光柵除受軸向力作用外忽略其它方向受力作用，以及忽略溫度及其它參數(shù)的影響。軸向力應變作用，具有拉伸和伸縮兩個作用，應變對光柵周期影響導致光柵的周期性伸縮： (2-7)式中——軸向的應變量。利用介電常數(shù)與相對介電抗?jié)B張量的關系： (2-8)可得： (2-9)式中——某一方向上的光纖折射率。此時應是軸向力作用的方向，故將用代替，再根據(jù)軸向應變的表達式，則光纖光柵方程變成為： (2-10)再根據(jù)材料的彈光性質(zhì) (m，n=1,2,3) (2-11)式中——材料的彈光系數(shù)。再根據(jù)式(2-3)可得： (2-12)式中,——光纖的泊松比，且有： (2-13)由此可得因軸向應力作用而引起的Bragg波長的變化量： (2-14)式中 (2-15)其中是一個與材料有關的系數(shù)，在一般的石英光纖中，所以式(2-14)可以表示為： (2-16)(2)光纖光柵溫度傳感模型的建立當光纖光柵環(huán)境受到溫度變化時，Bragg波長偏移一方面是由于熱致效應導致光柵周期發(fā)生變化，可以表示為： (2-17)式中——光纖的熱膨脹系數(shù)。另一方面是由于熱光效應使光柵的折射率發(fā)生了變化，可以表示為： (2-18)式中——熱光系數(shù)。熱光效應是溫度引起B(yǎng)ragg波長偏移的主要因素，它占熱偏移的95%左右，可以表示為： (2-19)式中——光纖的歸一化頻率。所以溫度對于Bragg波長偏移的影響為： (2-20)對于石英光纖，熱膨脹系數(shù)。熱光系數(shù)為/℃(150℃~200℃)，/℃(400℃)?？梢钥闯?，當確定好光纖光柵的材料后，光纖光柵對溫度的靈敏度系數(shù)也就確定為與材料系數(shù)相關的常數(shù)，從理論上可以確定采用光纖光柵作為溫度傳感器會有很好的線性輸出。(3)光纖光柵應變-溫度耦合模型的建立應變與溫度的變化都會導致光纖光柵的波長偏移，當它用于單個參量傳感的時候，其另一種變量的交叉敏感問題會對傳感產(chǎn)生干涉，所以有必要建立光纖光柵的應變-溫度耦合模型。假設溫度在較小范圍內(nèi)變化，那么對于溫度變化范圍內(nèi)材料的彈光系數(shù)及泊松比就可以常數(shù)對待，從而能夠得出應變-溫度的光纖光柵交叉靈敏度系數(shù)為： (2-21)整理可以得到： (2-22)對于一般光纖光柵，當溫度在0℃~100℃和應變在0~1％的測量范圍內(nèi)，通過實驗測試，由溫度產(chǎn)生的相對誤差僅為0.77％，由應變產(chǎn)生的相對誤差為。因此在測量條件下，光纖光柵的交叉靈敏度對實驗結(jié)果影響不大。因此忽略交叉靈敏度的響應，Bragg的波長偏移在溫度和應變共同作用下可以表示為： (2-23)從式中可以看出，在實際的測量中，應該考慮到增敏以及去敏的問題，即降低非被測量的靈敏度，增加被測量的靈敏度。對于本課題，增加對應變量測量的靈敏度時，需要采取溫度補償方式來降低溫度對于Bragg波長的偏移，具體補償方式在后面的章節(jié)會展開討論。2.2超磁致伸縮材料特性分析2.2.1超磁致伸縮材料的基本原理處在外磁場中的鐵磁體被磁化后，其長度以及體積會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱之為磁致伸縮效應。焦耳(J.P.Joule)于1842年發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象，所以磁致伸縮效應也稱為焦耳效應[35,36磁致伸縮效應有兩種表現(xiàn)形式：(1)線磁致伸縮效應這是指鐵磁體在磁化過程中發(fā)生線性的伸長或是收縮，如圖2-3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[37]。圖2-3鐵磁體線磁致伸縮效應示意圖(2)體磁致伸縮效應這是指鐵磁體在磁化過程中發(fā)生了體積的膨脹或是收縮。體磁致伸縮系數(shù)用表示，。其中表示鐵磁體的原始體積大小，表示鐵磁體經(jīng)過磁化作用后的體積變化。當時表示鐵磁體經(jīng)過磁化作用后發(fā)生體積膨脹，稱為正體磁致伸縮；當表示鐵磁體經(jīng)過磁化作用后發(fā)生體積收縮，稱為負體磁致伸縮。體磁致伸縮的量比較小，一般由應變張量的分量表示[38]： (2-24)由于鐵磁體的體磁致伸縮效應很小，所以目前對鐵磁體的磁致伸縮效應的研究工作主要集中在線磁致伸縮效應方面，所以磁致伸縮效應通常指線磁致伸縮效應。磁致伸縮系數(shù)與溫度和磁場相關。隨著溫度的變化，會發(fā)生變化，當溫度達到居里溫度時，磁致伸縮效應將會消失。在一定的溫度下，隨著磁場的增大而增加，當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)用表示，對于已知鐵磁體是一個常數(shù)。是一個可正可負的系數(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。幾種鐵磁體磁致伸縮系數(shù)隨磁場強度變化如圖2-4所示。圖2-4幾種鐵磁體磁致伸縮系數(shù)隨磁場變化示意圖除磁致伸縮效應以外，磁致伸縮材料還有以下幾種效應[(1)效應。即磁致伸縮的逆效應，當磁致伸縮材料發(fā)生形變或是受到應力作用下會引起材料的磁化狀態(tài)發(fā)生改變的現(xiàn)象。(2)效應。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。(3)效應。在磁致伸縮材料上形成適當?shù)拇怕罚怕分型ㄟ^電流時，發(fā)生扭曲變形的現(xiàn)象。(4)效應。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。(5)效應。對磁致伸縮材料施加適當?shù)念A應力，在外磁場變化下，磁致伸縮效應會產(chǎn)生躍變式的增加，磁化率也會發(fā)生改變的現(xiàn)象。超磁致伸縮材料(GMM)是20世紀70年代研制成功并迅速發(fā)展起來的一種新型功能材料。同鐵、鎳、鈷等材料相比，GMM的磁致伸縮量更大，其磁致伸縮系數(shù)是一般磁致伸縮材料的102~103倍。其中鋱鏑鐵系列(TbDyFe)磁致伸縮合金于1989年在ERTEMA公司正式投產(chǎn)，產(chǎn)品名為Terfenol-D，是應變量最高，能量密度最大的磁致伸縮材料。其與純鎳以及壓電陶瓷(PZT)的性能比較如表2-1所示[40]。表2-1Terfenol-D與純鎳以及壓電陶瓷(PZT)的性能比較參數(shù)Terfenol-DNiPZT飽和磁致伸縮應變1500~200035~-40100~600能量轉(zhuǎn)換效率(%)49~56923~52響應時間<1—抗拉強度(MPa)28—76抗壓強度(MPa)700——承載能力(MPa)20—4通過性能比較可以看出，同一般磁致伸縮材料以及壓電陶瓷相比，Terfenol-D具有以下優(yōu)點：(1)磁致伸縮大小是Ni的50倍，是壓電陶瓷的5~25倍。(2)能量轉(zhuǎn)換率高，能達到70%，而Ni的能量轉(zhuǎn)化率為16%，壓電陶瓷的為40~60%。(3)用Terfenol-D制備的器件所需驅(qū)動電壓低，而壓電陶瓷的驅(qū)動電壓則需要達到幾千伏。(4)響應時間不到1，對于磁化以及應力的反應幾乎即使響應，適用于制造快速執(zhí)行器件。(5)具有良好的頻率特性，工作頻帶范圍廣，可在低頻狀態(tài)下(幾十到上千赫茲)工作。(6)其磁致伸縮效應不會隨時間而發(fā)生改變，穩(wěn)定性好，可靠性高。2.2.2超磁致伸縮材料的磁滯特性GMM屬于鐵磁性材料，具有鐵磁材料所具有的磁滯現(xiàn)象，如圖2-5所示當GMM中不存在磁化場的時候，磁場強度H和磁感應強度B均為零，在圖中相當于坐標原點O。隨著H的增加，B也隨之增加，但是兩者之間的關系并不是線性的。當H增加到一定時，B達到飽和狀態(tài)不再增加，此時如圖中A點和稱為飽和磁場強度和飽和磁感應強度。H逐漸減小到零，與此同時B也逐漸減小，不過其軌跡并不是沿著原曲線AO減小，而是沿著另一曲線AR減小到，說明當H減小到零時超磁致伸縮材料中仍有一定的磁性。改變磁化強方向，沿著反向增加磁場強度，直到，曲線達到點達到反向飽和，然后使H減小到零，再繼續(xù)沿正向增大，直到達到飽和為止。這樣就得到一條與相對稱的曲線，而從A出發(fā)又回到A點的曲線為一閉合曲線，此曲線稱為超磁致伸縮材料的磁滯回線。圖中磁滯回線與B軸的交點和稱為剩余磁感應強度，與H軸的交點和稱為矯頑力[41]。具體本實驗所選超磁致伸縮材料的磁滯回線會在實驗中具體說明。圖2-5GMM磁滯回線圖2.2.3超磁致伸縮材料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，其應變大小可表示為： (2-25)式中——超磁致伸縮材料的磁致應變量；——施加預應力大小(Mpa)；——外加磁場強度大小(kA/m)；——超磁致伸縮材料初始長度(m)；——伸長量(m)。從式(2-25)可以看出，磁致應變量是受預應力與外加磁場強度大小的影響。當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： (2-26)式中——給定磁場強度下超磁致伸縮材料的楊氏模量(N/)；——材料在應變方向的預應力(Mpa)；——磁致伸縮系數(shù)或壓磁系數(shù)。由式(2-26)可知：當楊氏模量和磁致伸縮系數(shù)為已知時，磁致應變量與預應力和外加磁場強度能夠構成線性關系，即磁致應變量的大小取決于施加預應力的大小以及外加磁場強度的大小。當考慮到由磁場引起的磁滯效應時，式(2-26)則可表示為： (2-27)可以看出在考慮到材料的磁滯效應時，超磁致伸縮材料的磁致應變量與磁場強度并不是完全的構成線性關系，在具體的實驗中應根據(jù)具體的磁致伸縮材料的特性來建立傳感模型。超磁致伸縮材料的磁致伸縮效應與溫度有關，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)生的熱形變的應變公式為： (2-28)式中——磁致伸縮材料的熱膨脹常數(shù)。2.2.4超磁致伸縮材料的應用由超磁致伸縮材料的結(jié)構及特性出發(fā)，在應用超磁致伸縮材料器件的設計時應綜合考慮以下幾個問題：(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)響應的不靈敏區(qū)域，使其應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)。偏置磁場的大小約為曲線線性部分一半處所對應的磁場。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[42]。圖2-6倍頻現(xiàn)象圖(2)驅(qū)動磁場。當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曲線的線性區(qū)，并根據(jù)材料特性曲線來設計驅(qū)動線圈的尺寸、線徑和匝數(shù)等。(3)驅(qū)動頻率。磁致伸縮材料因為棒或薄片的渦流損耗導致了其高頻限制。當線圈中的電流頻率較高時，在超磁致伸縮棒中產(chǎn)生感應電流，渦流導致能量損失并且產(chǎn)生反向磁場，降低了有效磁導率及電感。圖2-7磁致伸縮棒直徑與臨界頻率的關系圖圖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，棒的直徑需要相應地減小。對于在高頻(如20kHz以上)狀態(tài)下工作時，則必須要考慮材料的渦流損耗，對超磁致伸縮材料采用薄片疊層結(jié)構或是其他切割技術能夠提高超磁致伸縮材料的極限工作頻率[43,(4)預應力。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力或剪切應力時脆性較大容易斷裂，應提前對磁致伸縮棒施加一預壓應力。磁致伸縮材料棒工作在施加預壓應力的狀態(tài)下時，其磁致伸縮量要比無預壓應力時大，但同時預壓應力又不能過大，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。2.3電流傳感器的設計如圖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)生形變，形變量通過作用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的設計工作。圖2-8高壓母線上電流傳感器示意圖(1)計算高壓母線上產(chǎn)生的驅(qū)動磁場大小目前500kV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，對于通電直導線周圍產(chǎn)生的磁場強度計算公式為： (2-29)式中I——母線上電流強度(A)；R——距離母線距離(m)；H——磁場強度(kA/m)。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。(2)根據(jù)驅(qū)動磁場大小來選擇適當?shù)拇胖律炜s材料以及永磁體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/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鋱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預應力下的磁場強度與磁致伸縮系數(shù)的關系如圖2-9所示。圖2-9磁致伸縮系數(shù)與磁場強度大小的關系圖從圖中可以看出在10MPa預應力下，在0~50kA/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，能夠滿足設計要求。(3)計算光纖光柵波長偏移量通過理論研究發(fā)現(xiàn)，超磁致伸縮材料應變量大小與光柵的軸向應變具有不同的物理意義前者由磁場引起，后者產(chǎn)生機理源于力學效應，但是，由磁場引起的伸縮與應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，環(huán)氧樹脂膠能夠很好的將超磁致伸縮材科的應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變量與光柵發(fā)生的形變量保持一致。由式2-23可知，在忽略溫度影響的條件下，已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。根據(jù)圖2-9，對于10MPa情況下的曲線，在磁場強度48kA/m情況下所產(chǎn)生單的形變量為。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。由計算可知電流檢測中所產(chǎn)生的波長偏移大小為=1.29nm通過對傳感器的設計計算可知，在0A~3000A，永磁體提供偏置磁場24kA/m的情況，產(chǎn)生的波長偏移為0~1.29nm。2.4傳感器電流檢測實驗仿真實驗仿真輸入為3000A工頻電流，根據(jù)圖2-9，對于0~50kA/m的數(shù)據(jù)進行擬合分析，然后根據(jù)擬合公式通過matlab實驗仿真出波形變化曲線圖，具體如圖2-10、2-11、2-12及2-13。從圖中可以看出，隨著擬合次數(shù)的增多，擬合曲線與實際數(shù)據(jù)之間的誤差逐漸減小，具體四次仿真的相關指標如表2-2所示。其中四次擬合出來的方程與原始數(shù)據(jù)擬合度最高，根據(jù)四次擬合的方程得出的波長偏移變化曲線圖應該是四次仿真中誤差最小的，具體還需在第四章實驗進行驗證。圖2-10一次擬合圖圖2-11二次擬合圖圖2-12三次擬合圖圖2-13四次擬合圖表2-2擬合指標擬合次數(shù)SSER-squareAdjustedR-squareRMSE一次擬合699500.94010.9281118.3二次擬合290740.97510.962785.26三次擬合73540.99370.987449.51四次擬合13320.99890.996625.812.5本章小結(jié)本章主要介紹了：光纖光柵的基本結(jié)構以及傳感原理，建立了應變-溫度的傳感模型。利用光纖光柵對應變、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以及其基本特性進行了簡述，并且分析了器件在具體應用應注意的一些問題，通過分析建立了超磁致伸縮材料的傳感模型；根據(jù)對高壓母線上的電流進行檢測完成了對傳感器的設計并進行了計算機仿真工作。3.1光纖光柵傳感信號解調(diào)方法光信號解調(diào)技術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。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。其抗干擾能力很強，與光源的強度、光的偏振等因素均無關。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，所以有光纖光柵構成的傳感系統(tǒng)中應該具備精密的波長檢測裝置。到目前為止，很多學者在這方面進行了研究分析，相繼提出了一些解調(diào)方案以及研發(fā)了一些簡單實用的信號解調(diào)系統(tǒng)，這對光纖光柵傳感系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。3.1.1光纖光柵傳感系統(tǒng)中對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。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0.001nm，基本可以滿足對Bragg波長偏移量的分辨。該方法結(jié)構簡單，多用于實驗室[45]圖3-1光譜儀檢測示意圖圖3-2光譜儀工作原理圖3.1.2在邊緣濾波法中測量元件為波分耦合器，其傳輸特性為在1510nm~1560nm之間的波長范圍內(nèi)，耦合器的效率與波長呈線性關系，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)出的光反射回耦合器，由耦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[46圖3-3邊緣濾波法示意圖3.1.3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耦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，當兩個光柵相匹配時，就可以確定傳感光柵中的中心波長[47圖3-4匹配光柵法傳感系統(tǒng)示意圖3.1.4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)過耦合器進入到光纖光柵，其反射光再通過耦合器進入到非平衡M-Z干涉儀。當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長的偏移量。圖3-5非平衡M-Z干涉解調(diào)法示意圖該解調(diào)方法分辨率高，動態(tài)響應好，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[483.2實驗所用傳感信號解調(diào)方法—可調(diào)諧F-P濾波法19世紀末，F(xiàn)abry-Perot濾波器(FP-TF)就已經(jīng)被用于光譜分析?？烧{(diào)諧F-P濾波器是基于多光束干涉的光學工作原理，它是由光學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)構如圖3-6所示，當有外界信號作用時，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。圖3-6當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： (3-1)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： (3-2)其中：是光纖入射到光纖光柵上的入射角，當光線垂直入射到光柵上時，=0；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。那么當光線垂直入射的時候，其透射率可以化簡為： (3-3)光纖F-P濾波器的輸出光的波長可表示為： ,K=1,2,3…… (3-4)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。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[49圖3-7F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。適用于工程應用方面的波長偏移檢測技術。本方案所選用的是美國微光公司生產(chǎn)的型號為SM130解調(diào)儀，其解調(diào)原理為可調(diào)諧F-P濾波法。3.3電流檢測系統(tǒng)整體設計如圖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成。圖3-8電流檢測系統(tǒng)示意圖(1)光源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，光源要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SM130解調(diào)儀內(nèi)置寬帶掃描激光器，與一般寬帶光源相比，具有帶寬更寬、功率更高、使用壽命長等優(yōu)點[51,52]表3-1寬帶掃描激光器性能指標類型最大峰值功率掃描平均功率外掃描頻率偏振特性光學接頭掃描激光器20mW8mW8kHz去偏振FC/APC(2)信號解調(diào)信號解調(diào)系統(tǒng)的好壞對于整個測量結(jié)果的精確度、分辨率及測量時間起著直接的影響，本方案選用的解調(diào)儀自帶信號解調(diào)系統(tǒng)，其解調(diào)原理為可調(diào)諧F-P濾波法，其波長解調(diào)范圍為1510nm~1590nm，分辨率為1pm，絕對精度為3pm。(3)活動連接頭活動連接頭是把兩個光纖端面結(jié)合在一起，使光纖輸出的光信號最大限度的耦合到另外接收光纖的器件，其基本要求是：連接過程中產(chǎn)生的損耗要盡量小，性能穩(wěn)定，插拔重復性好，安裝方便，性高可靠。本方案所選取的活動連接頭的型號是FC/APC，F(xiàn)C是指接頭的連接方式，它是一種螺口式連接器，通過帶鍵槽導引的螺紋來連接和鎖定兩根光纖；APC是指光纖連接器端面的形狀。其結(jié)構特點和性能指標如表3-2：表3-2活動連接頭性能指標類型連接方式連接器形狀平均插入損耗最大插入損耗回波損耗FC/APC螺紋圓形≦0.3dB0.5dB70dB(4)傳感單元設計如圖3-9，本方案所設計的傳感單元主要由超磁致伸縮材料、光纖光柵、驅(qū)動線圈、偏置線圈及預應力施加裝置等組成，將設計好的傳感頭放在螺線管內(nèi)，直流源經(jīng)過偏置線圈提供偏置磁場，交流源經(jīng)過驅(qū)動線圈提供交變磁場，通過調(diào)節(jié)電流的大小，從而改變螺線管中磁場強度的大小，超磁致伸縮材料在變化的磁場強度下發(fā)生磁致伸縮效應，其應變量的大小傳遞到光纖光柵上，使得Bragg波長發(fā)生偏移，通過光柵解調(diào)儀對波長偏移量的解調(diào)就能還原回電流的大小，這是本方案所采取的對電流檢測的實驗手段。圖3-9傳感系統(tǒng)示意圖1)待測電流通過螺線管產(chǎn)生電磁場理論分析如圖3-9本實驗所設計螺線管內(nèi)層為驅(qū)動線圈，外層為偏置線圈，驅(qū)動線圈的匝數(shù)為內(nèi)徑為，外徑為；偏置線圈的匝數(shù)為內(nèi)徑為，外徑為，螺線管長度為L。螺線管中磁場強度的大小由流過線圈的電流所決定。交變磁場強度大小為： (3-5)偏置磁場強度大小為： (3-6)式中，；——交流電大小(A)；——直流電大小(A)。2)超磁致伸縮材料與光線光柵間的應變傳感將式(2-28)帶入式(2-23)得到： (3-7)當對交流電進行測量時，式中，其中偏置磁場為恒定，將式(3-5)帶入式(3-7)得到： (3-8)若維持實驗過程中為恒溫條件則，則有： (3-9)通過式(3-8)可得到交流電的大小為： (3-10)式(3-10)為超磁致伸縮材料光纖光柵電流的檢測提供了理論支持。3.4本章小結(jié)本章主要分析了目前常用的幾種解調(diào)方案，對比其優(yōu)缺點然后選取設計了實驗所用的解調(diào)方法—可調(diào)諧F-P濾波法；詳細分析了解調(diào)系統(tǒng)中各個部件的特性及器件選擇；對本方案所采用的電流傳感從理論上進行了推證，從而完成了對電流檢測系統(tǒng)的整體設計工作，為下一章搭建實驗系統(tǒng)做好鋪墊。4.1實驗系統(tǒng)的搭建根據(jù)前兩章設計，完成器件的設計與選取工作。所搭建的實驗系統(tǒng)如圖4-1所示。螺線管中放置粘有光纖光柵的超磁致伸縮材料棒，當線圈中通入被測電流時，超磁致伸縮材料棒在被測電流產(chǎn)生變化磁場中發(fā)生伸縮效應，從而使粘貼在一起的光纖光柵波長發(fā)生偏移。光纖光柵通過FC/APC的活動連接頭與解調(diào)儀相連接，解調(diào)儀通過網(wǎng)線與含有配套軟件的計算機相連，可以通過計算機讀出波長的變化，進而能夠得出超磁致伸縮材料的形變量，從而能夠得到被測電流的大小。圖4-1實驗系統(tǒng)實物圖實驗中所采用的電流傳感系統(tǒng)主要由解調(diào)系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)以及電源系統(tǒng)三部分組成，下面具體說明各個系統(tǒng)的選取及參數(shù)指標。4.1.1本方案的解調(diào)系統(tǒng)主要是由光柵解調(diào)儀組成，本方案所選用的光柵解調(diào)儀為美國微光公司生產(chǎn)的SM130型解調(diào)儀如圖4-2所示。SM130是一個高速度、大功率、多傳感器的監(jiān)測系統(tǒng)，主要應用在力學傳感技術中；SM130內(nèi)置微光專利技術的校正波長掃描激光器，在每次掃描時會自動對中心波長進行校準，無需再對波長校準；SM130能夠?qū)崿F(xiàn)高功率快速掃描，屬于一個完善的系統(tǒng)，內(nèi)部配有掃描式光源。SM130解調(diào)儀基本指標如表4-1所示。本文選用的是700型解調(diào)儀，掃描頻率為1kHz，實驗過程每次采樣時間10s。

圖4-2SM130解調(diào)儀表4-1SM130解調(diào)儀基本指標SM130700500200光學通道數(shù)441波長范圍1510~1590nm1510~1590nm1510~1590nm穩(wěn)定性2pm典型，5pm最大重復性1pm，(0.05pmwith1000averages)每通道最大傳感器數(shù)量80動態(tài)范圍25dB掃描頻率1kHz500Hz(1kHz可選)100Hz(500Hz1kHz可選)光學接頭FC/APC工作溫度0~50℃工作濕度<80%(無凝結(jié))外型尺寸132×267×135mm重量2.5kg4.1.2電源系統(tǒng)實驗中提供交流電的電源如圖4-3所示，所選用交流源的輸入為220V的三相交流電，輸出能夠提供0~250V的單相交流電，通過電流表以及萬用表對線路中的交流電大小進行測量。實驗過程中選用適當?shù)碾妷悍秶ㄟ^調(diào)節(jié)滑動變阻器來得到實驗所需的電流大小。圖4-3交流源實物圖實驗中提供直流電的電源如圖4-4所示，所選用直流源的輸入為380V三相交流電，輸出能夠提供10~100V的單相直流電壓，接在線路上后在直流源上能夠直接顯示線路電流大小，消除了再對直流電流大小測量所產(chǎn)生的誤差。圖4-4直流源實物圖4.1.3傳感系統(tǒng)線圈的設計超磁致伸縮材料發(fā)生磁致伸縮效應需要外加磁場強度的作用，實驗所需外加磁場由螺線管提供，所以螺線管所需匝數(shù)、線徑、尺寸等問題需要進行設計，對于本實驗所選用的超磁致伸縮棒尺寸為5mm×30mm，根據(jù)磁致伸縮系數(shù)與磁場強度的關系曲線來設計螺線管的具體參數(shù)。根據(jù)預應力為10MPa的情況下，超磁致伸縮材料的曲線在磁場強度kA/m范圍內(nèi)具有較好的伸縮特性。根據(jù)這樣的特性，選取偏置磁場kA/m，交流驅(qū)動磁場為kA/m，則總磁場強度H在0~48kA/m的范圍內(nèi)變化。下面具體計算交流驅(qū)動線圈的尺寸和匝數(shù)等數(shù)據(jù)。(1)根據(jù)超磁致伸縮棒的尺寸，確定螺線管骨架內(nèi)徑的大小內(nèi)徑的大小應該保證材料外徑與骨架之間沒有接觸，同時兩者間隙不能過大，否則會降低磁場強度，所以綜合考慮選擇螺線管的內(nèi)徑為8mm。螺線管長度應大于超磁致伸縮棒的長度，以減小螺線管的邊緣效應，所以螺線管的長度為=60mm。(2)根據(jù)實驗過程中的狀態(tài)選擇電流密度，從而確定出導線的裸線直徑一般來說主要是依據(jù)線圈的發(fā)熱與散熱情況來選取電流密度，在散熱條件不理想的情況下，長期工作的線圈中最大電流密度為3～5A/，反復短時工作時最大的電流密度為6～12A/，短時工作時最大的電流密度為13～30A/。本實驗的工作狀態(tài)應為反復短時工作，因此可選取電流密度為6A/。(3)選擇交變電流I，計算線圈導線直徑d本實驗所選取的交變電流I的大小為2A。則螺線管導線的裸線直徑為： (4-1)由式(4-1)求出的裸線直徑，通過查詢線規(guī)表得到帶皮導線的線徑為，選用的是油性漆包銅線。(4)計算單位長度上的匝數(shù)(匝/cm)和單位厚度上的層數(shù)(匝/cm) (4-2) (4-3)式中——線圈的排繞系數(shù)；——線圈的疊繞系數(shù)。具體取值情況如表4-2所示。表4-2不同直徑導線的排繞系數(shù)和疊繞系數(shù)導線直徑/mm排繞系數(shù)疊繞系數(shù)<50.51~1.081.051.151.2~2.441.051.2(5)估算線圈厚度e(mm) mm (4-4)(6)線圈總匝數(shù)N(匝) (4-5)(7)線圈的外半徑 (4-6)式中——線圈的層數(shù)，；——每層所需要墊絕緣材料的厚度(--0.05mm)。將數(shù)據(jù)帶入可得： =4+5.7+0.05×(12×0.57-1)10mm(8)查算線圈軸向磁場的分布情況，如不滿足則要增大再進行查算，直至滿足為止。對圖4-5所示多層螺線管線圈，軸線磁場分布為： (4-7)圖4-6是交流驅(qū)動線圈軸向磁場強度大小分布的仿真圖，從圖中可以看出本實驗所設計的螺線管在軸向距中心15mm處得磁場大小近似均勻，其中心處磁場強度=24147A/m，距中心15mm處得磁場強度=23119A/m。圖4-5多層螺線管示意圖(9)計算線圈電阻R (4-8)式中——導線的有效截面積()；——電阻系數(shù)。經(jīng)過計算可得R=3.1圖4-6交流驅(qū)動線圈軸向磁場強度仿真圖表4-3驅(qū)動、偏置線圈數(shù)據(jù)參數(shù)線圈總匝數(shù)N/匝線徑/mm線圈內(nèi)徑/mm線圈外徑/mm線圈長度/mm電阻R/驅(qū)動線圈5750.72418603.1偏置線圈2880.721825605.3對于偏置磁場的尺寸和匝數(shù)等參數(shù)的設計，可采用與計算驅(qū)動線圈相同的步驟進行計算。如表4-3為設計計算出的驅(qū)動磁場、偏置磁場具體數(shù)據(jù)。對于偏置線圈軸向磁場強度大小分布的仿真圖如圖4-7所示，中心處的磁場強度基本符合理論設計。圖4-7偏置線圈軸向磁場強度仿真圖經(jīng)過設計后手動纏繞的螺線管如圖4-8所示。圖4-8螺線管實物圖傳感頭的選取根據(jù)對傳感器的設計，選取所需超磁致伸縮材料及光纖光柵，其中超磁致伸縮材料選用的是甘肅天星稀土功能材料有限公司提供的鋱鏑鐵系大磁致伸縮材料()，尺寸大小為5mm×30mm，其磁場強度與磁致伸縮系數(shù)的關系如圖2-9，其飽和磁致伸縮系數(shù)=1539ppm。光纖布喇格光柵選取的是美國微光公司出產(chǎn)的型號為SMF-28C型光纖光柵，其基本指標如表4-4所示。表4-4光纖光柵指標光纖類型SMF-28CFiber中心波長1551.34nm光柵長度14mm峰值反射率>90%FWHM(-3dB)半高寬0.24nm光纖連接頭FC/APC尾纖長度1m對所選光纖光柵需熔接一個FC/APC的活動連接頭才能與解調(diào)儀進行通信，熔接過程所用熔接機如圖4-9所示，熔接過程中并未產(chǎn)生損耗。完成熔接活動連接頭的光纖光柵沿著超磁致伸縮材料棒的軸向通過環(huán)氧樹脂緊密粘合在一起后，就完成了傳感頭的制作工作，所制作傳感頭如圖4-10所示。圖4-9光纖熔接機實物圖圖4-10實驗傳感頭實物圖預應力施加裝置本實驗所選用的預應力施加裝置如圖4-11所示，通過預應力活動頭固定好傳感頭與預應力施加裝置，確保預應力能夠均勻的施加在傳感頭上。因為實驗條件有限，實驗過程中選擇的預應力施加裝置并不能直接顯示施加預應力大小，只能通過波長偏移大小以及磁致伸縮系數(shù)與預應力之間的關系反推出實際施加預應力大小，這就造成一定的實驗誤差，在實驗結(jié)果分析中，對預應力產(chǎn)生的誤差進行了詳細的分析。圖4-11預應力施加裝置圖傳感器影響因素(1)對溫度變化因素的設計溫度的變化對超磁致伸縮材料的形變具有較大影響，在實驗設計中必須降低環(huán)境的溫度變化以及對實驗過程中由于材料發(fā)熱導致的溫度變化進行補償。溫度變化的主要原因包括兩個方面：1)實驗過程中由于線圈發(fā)熱導致超磁致伸縮材料溫度升高。對此抑制溫度升高的主要措施有：線圈骨架采用具有隔熱功能的塑料管，能夠有效的對線圈和超磁致伸縮材料之間進行隔熱；螺線管工作時采用風扇來延緩溫度的升高；每次測量的時間都盡可能的短。2)環(huán)境溫度的變化對實驗也會產(chǎn)生較大的影響。對此采取的措施是：實驗所在環(huán)境是溫度相對穩(wěn)定的房間；對實驗進行測量時間為同一時間段，避免早晚溫差過大對實驗的影響。以上的措施能夠大大降低溫度變化對實驗產(chǎn)生的影響，但是不能完全消除，相比線圈發(fā)熱對實驗室的影響，本實驗中環(huán)境溫度的變化對實驗影響更大，所以需要對傳感頭實施溫度補償。本實驗采用的傳感光柵在出廠前經(jīng)過溫度測試，所以傳感光柵具有準確的溫度-波長變化曲線，根據(jù)溫度計測量環(huán)境溫度，然后將溫度造成的波長偏移從整體測量偏移中去處，從而實現(xiàn)溫度補償效果。經(jīng)過設計后實驗中采取的具體措施如圖4-12所示。圖4-12實驗采取溫度補償措施圖(2)預應力的設計預應力對于超磁致伸縮材料的影響在第二章中已有介紹，下面具體就本實驗所選的超磁致伸縮棒進行預應力設計。所選樣品在不同預應力下的磁致伸縮系數(shù)與磁場強度的關系如圖4-13所示。圖4-13不同預應力下磁致伸縮系數(shù)與磁場強度的關系圖由圖可知：磁場強度一定時，施加的預應力在一定范圍內(nèi)，材料的磁致伸縮系數(shù)隨著預應力的增大而增大(0MPa~10MPa)；當預應力達到某一值后，磁致伸縮系數(shù)隨著預應力的增大反而減小(10MPa與15MPa)。預應力一定時，為得到較大的磁致伸縮系數(shù)，就需要較大的磁場強度，并且每一條曲線對應有一個伸縮特性較好的區(qū)域。因此通過選擇施加磁場的范圍，即可保證器件具有很好的工作特性。所以經(jīng)過第二章的設計以及對材料的綜合考慮之后，本實驗給材料施加預應力的大小為10MPa。4.2實驗數(shù)據(jù)分析.1.1直流檢測及溫度補償實驗根據(jù)實驗設計，直流源提供穩(wěn)定電壓10V，調(diào)節(jié)滑動變阻器，從而改變通過驅(qū)動線圈的直流電流大小。圖4-14為未施加偏置磁場情況下外加電流大小與波長偏移之間的關系圖；圖4-15為偏置線圈通入4A直流電情況下，外加電流大小與波長偏移之間的關系圖(圖中點為實驗數(shù)據(jù)，直線為擬合直線)。表4-5為兩種情況下所測實驗數(shù)據(jù)。表4-5直流實驗所測數(shù)據(jù)波長/nm0.5A1A1.5A2A2.5A3A1551.1771551.2011551.2491551.291551.321551.3431551.4591551.4841551.5261551.5811551.6371551.680圖4-14無偏置磁場情況下外加電流大小與波長偏移關系曲線圖由圖4-14可以看出在無偏置磁場的情況下外加電流大小與波長偏移之間線性度很好，其一次擬合度。圖4-15施加偏置磁場情況下外加電流大小與波長偏移關系曲線圖由圖4-15可以看出在施加偏置磁場的情況下，波長偏移有所提高并且外加電流大小與波長偏移之間線性度很好，其一次擬合度。圖4-16不同時間下外加電流與波長偏移曲線關系圖圖4-16為三次不同時間段測量的外加電流與波長偏移關系曲線圖。從圖中可以看出，三次測量都具有較好的線性度，不過實驗環(huán)境溫度對實驗結(jié)果具有較大影響，所以應考慮對實驗數(shù)據(jù)進行溫度補償，表4-6為所選取光柵的溫度特性及三次擬合公式，經(jīng)過溫度補償處理后的實驗曲線如圖4-17所示。圖4-17經(jīng)過溫度補償后電流與波長關系曲線圖表4-6所選光柵溫度特性溫度/℃波長/nm擬合溫度/℃溫度/℃波長/nm擬合溫度/℃-301550.7943-30.03501551.535050.15-201550.8782-20.07601551.636660.01-101550.9648-10.06701551.742370.0501551.0532-0.10801551.845379.64101551.14479.95901551.959690.08201551.240620.201001552.0702100.01301551.334229.971101552.1842110.10401551.433140.031201552.2971119.97溫度與中心波長三次擬合后關系式經(jīng)過溫度補償之后，三條線相差很小，溫度補償能夠基本消除環(huán)境溫度對實驗的影響。由圖4-17看出，在2.5A~3A時，實驗過程中由于線圈發(fā)熱產(chǎn)生的溫度變化對實驗影響開始顯現(xiàn)，如果時間過長則此因素也必須進行溫度補償來消除。磁滯回線實驗第二章分析了超磁致伸縮材料所具有的磁滯現(xiàn)象，實驗中選取被測電流2A循環(huán)和3A循環(huán)實驗，研究在磁化場循環(huán)的過程中磁致伸縮滯后的現(xiàn)象，實驗圖如圖4-18，4-19所示。在3A循環(huán)實驗中，由于實驗過程中溫升原因，導致磁滯現(xiàn)象并不明顯；在2A循環(huán)實驗中，磁滯現(xiàn)象明顯。圖4-18電流2A循環(huán)的磁滯回線圖圖4-19電流3A循環(huán)的磁滯回線圖實驗結(jié)果分析將實驗結(jié)果與理論進行對比。螺線管通入直流電為3A時，產(chǎn)生的磁場強度為18.63kA/m，偏置磁場提供的磁場強度為24kA/m，根據(jù)10Mpa預應力條件下的磁場強度與超磁致伸縮材料應變之間關系可得，材料形變量約為，由式(2-16)對應到波長偏移為1.1677nm。由圖4-14及圖4-15可以得出，當螺線管通入3A的直流電，偏置線圈施加4A的電流時，發(fā)生的波長偏移為0.54nm。將螺線管產(chǎn)生的磁場強度對比到通電直導線產(chǎn)生的磁場強度。通電直導線周圍電流產(chǎn)生的磁場強度由式表示，假設傳感頭距離直導線的距離為2cm，要產(chǎn)生42KA/m大小的磁場需要直導線中通入電流為5275A，即能夠測量0-5275A的直流電流，其等效的直流電流靈敏度為0.0001024nm/A。實驗所用解調(diào)儀精度為1pm，則最小可測直流電流為10A，測量電流精度為交流電流檢測實驗不加偏置電流情況下交流電流檢測實驗交流驅(qū)動線圈中通入工頻交流電流，電流幅值0~2A。計算機裝有與解調(diào)儀配套的軟件，其測試過程中的波形頁面截圖如圖4-20所示，由于解調(diào)儀采樣頻率很快，對于具體波形分析還需根據(jù)磁場強度與超磁致伸縮材料應變之間的關系曲線，以及波長偏移與受到應變的關系，然后將所測數(shù)據(jù)經(jīng)過matlab處理后得到。驅(qū)動電流與波長偏移對應的曲線如圖4-21、4-22所示。解調(diào)儀采樣頻率為1kHz，一個波長周期內(nèi)采樣點為20，時間為0.02s。圖4-20計算機軟件截圖圖4-21未加偏置磁場時交流電流傳感曲線圖由圖4-21可以看出，無論電流處在波峰或是波谷位置，波長的偏移都處在最大值，即波長偏移變化頻率為電流頻率的2倍，也就是產(chǎn)生了倍頻現(xiàn)象。并且波長的偏移量并不是嚴格的正弦變化，這是由于超磁致伸縮材料所具有的非線性以及磁滯現(xiàn)象所引起。由圖4-22可知交流電流很小時，曲線的非線性以及磁滯現(xiàn)象很明顯，隨著電流的增大，波長的偏移量變大，并且非線性以及磁滯現(xiàn)象的影響有所改善。由于超磁致伸縮材料存在非線性以及磁滯現(xiàn)象，使得波長的偏移量并不能完全反應電流的波形，而是周期與幅值與電流有對應關系。根據(jù)波長的偏移量，由磁場強度與超磁致伸縮材料應變關系曲線，通過數(shù)值插值可計算出電流的大小。圖4-22交流電流取0.5A、1A、1.5A、2A時波長變化曲線圖施加偏置電流情況下交流電流檢測實驗偏置線圈施加4A直流電流，驅(qū)動線圈施加工頻交流電流，幅值0~2A。所得通入電流與波長偏移對應曲線圖如圖4-23。圖4-23偏置電流4A交流電流2A時交流電流傳感曲線圖可以看出施加偏置磁場后，倍頻現(xiàn)象消失，波長偏移的頻率反映了交流電流的頻率，并且幅值對應；同無偏置電流時相比，波長偏移有了很大提高，能夠基本上反映電流正弦變化。但如圖4-24所示，在一個周期內(nèi)的波長偏移的曲線與電流曲線不是嚴格意義上的吻合，雖然非線性與磁滯現(xiàn)象有所改善但仍無法用具體函數(shù)關系表示，所以具體計算待測電流大小需用數(shù)值插值來計算。圖4-24一周期內(nèi)電流曲線與波長曲線示意圖給定4A偏置電流，交變電流從小到大時波長偏移變化曲線如圖4-25所示。從圖中看出隨著交流電流的增大波長偏移量增大，當交變電流產(chǎn)生的交變磁場大于偏置磁場時會有部分倍頻現(xiàn)象出現(xiàn)如圖4-26。圖4-25偏置電流4A,交流電流不同時波長偏移曲線圖圖4-26交變磁場大于偏置磁場時波長偏移曲線圖實驗結(jié)果分析將實驗結(jié)果與理論對比。驅(qū)動線圈通入交流電2A，偏置線圈通入直流電4A時，產(chǎn)生的磁場強度大小約為48kA/m，對應10Mpa條件下超磁致伸縮材料的形變量為，由式(2-16)對應得到波長偏移為1.296nm。由圖4-23可以得出，在驅(qū)動線圈通入交流電2A，偏置線圈通入直流電4A時，發(fā)生的波長偏移為0.534nm。將螺線管產(chǎn)生的磁場強度對比到通電直導線產(chǎn)生的磁場強度，假設傳感頭距離直導線的距離為2cm，交變磁場變化范圍為0~24kA/m，則最大可測導線交流電流為3014A，即能夠測量0-3014A的導線交流電流，其等效的交流電流靈敏度為0.0001772nm/A。實驗所用解調(diào)儀精度為1pm，則最小可測直流電流為6A，測量電流精度為0.2%。4.3實驗誤差分析(1)預應力影響如圖4-27所示，在偏置電流4A交流電流2A情況下的實驗曲線與第二章四次擬合的仿真曲線相比，從圖中可以明顯看出，實驗過程中發(fā)生的波長偏移與計算機仿真出來的波長偏移相差較大，通過分析發(fā)現(xiàn)理論計算是在預應力為10MPa條件下進行的，而實際預應力大小約為3MPa左右。圖4-27實驗曲線與仿真曲線對比圖如圖4-28所示在3MPa與10MPa條件下磁致伸縮系數(shù)在磁場強度25kA/m之前相差不大，而在25kA/m之后，磁致伸縮系數(shù)相差很大。直流實驗中的整體磁場強度為42kA/m，交流試驗中整體磁場強度為48kA/m因此在試驗中出現(xiàn)誤差較大的現(xiàn)象。所以尋找精密預應力施加裝置，提高預應力能夠使實驗結(jié)果與理論誤差減少，提高實驗精度。圖4-283MPa和10MPa條件下的磁致伸縮系數(shù)與磁場強度關系圖(2)溫度影響溫度對實驗的影響在第二、三章都進行了理論分析，并在實驗中提出了具體減小溫度影響的方法。雖然實驗系統(tǒng)采用了隔熱材料、冷風、較小測量時間等措施以減小實驗過程中的發(fā)熱現(xiàn)象，但是從直流實驗中看當電流達到3A時實驗中發(fā)熱現(xiàn)象開始顯現(xiàn)，尤其是在3A循環(huán)電流測試磁滯回線的實驗中更為明顯。在實際中的應用中，都是長時間的電流監(jiān)測，由于實驗的發(fā)熱問題對實驗的影響是非常大的。對于溫度的影響問題，最為有效的方法是進行溫度補償，本實驗通過測量光柵能夠測量實驗環(huán)境溫度能夠補償不同環(huán)境溫度對實驗的影響，但是對于實驗過程中的溫度變化則無能為力，目前采用較多的溫度補償方法是利用兩個光柵進行測量，一個進行電流測量