基于超磁致伸縮材料的光纖光柵

AbstractSTYLEREF"標(biāo)題1"摘要-第2章光纖光柵電流傳感器的設(shè)計(jì)-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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.2.1光學(xué)電流互感器研究現(xiàn)狀 21.2.2信號(hào)解調(diào)技術(shù)的研究現(xiàn)狀 41.3光纖光柵傳感器應(yīng)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(shè)計(jì) 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(yīng)用特性 162.3電流傳感器的設(shè)計(jì) 182.4傳感器電流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)仿真 202.5本章小結(jié) 21第3章光纖光柵電流檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 233.1光纖光柵傳感信號(hào)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(shí)驗(yàn)所用傳感信號(hào)解調(diào)方法—可調(diào)諧F-P濾波法 263.3電流檢測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 273.4本章小結(jié) 30第4章實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析 314.1實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 414.2.1直流電流檢測(cè)實(shí)驗(yàn) 414.2.2交流電流檢測(cè)實(shí)驗(yàn) 444.3實(shí)驗(yàn)誤差分析 484.4本章小結(jié) 50結(jié)論 51參考文獻(xiàn) 53附錄 57攻讀碩士學(xué)位期間承擔(dān)的科研任務(wù)與主要成果 62致謝 63作者簡(jiǎn)介 64-1.1課題背景與研究意義在電力系統(tǒng)中，由于對(duì)電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和繼電保護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)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(jì)運(yùn)行密切相關(guān)[1]。目前隨著大容量發(fā)電機(jī)組的投入使用和輸電電壓等級(jí)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(wèn)題愈來(lái)愈明顯[2]。因此對(duì)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(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)[3]。目前研究的熱點(diǎn)是利用光學(xué)傳感技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)電流，即利用光電子學(xué)的方法和光纖傳感技術(shù)的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)的光學(xué)電流互感器(OpticalCurrentTransformer,OCT)[4]。光學(xué)電流互感器是將被測(cè)電流轉(zhuǎn)換為光信號(hào)進(jìn)行傳輸來(lái)實(shí)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(lǐng)域，尤其是在對(duì)高壓系統(tǒng)的測(cè)量與監(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)的電磁式電流互感器的理想替代產(chǎn)品[5,6]。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(diǎn)，具有如下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：絕緣性能好，成本低。在OCT中，用來(lái)做傳感元件的光學(xué)材料、傳輸信號(hào)的光纖都是良好的絕緣材料，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了成本；不含鐵心，不會(huì)產(chǎn)生磁飽和及鐵磁共振，因而系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性好，適用于大電流的故障診斷；可靠性強(qiáng)，無(wú)二次開(kāi)路產(chǎn)生高壓的危險(xiǎn)以及避免了因充油引發(fā)的易燃易爆等危險(xiǎn)；測(cè)量頻帶寬。OCT的測(cè)量頻帶范圍完全由信號(hào)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)展綜上所述，開(kāi)展光學(xué)電流互感器研究的現(xiàn)實(shí)意義體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：首先開(kāi)展光學(xué)電流互感器的研究是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的技術(shù)基礎(chǔ)之一，起著先導(dǎo)作用；其次開(kāi)展光學(xué)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(xué)電流互感器屬于高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)，具有高增長(zhǎng)，高收益的特點(diǎn)。因此，研究開(kāi)發(fā)新型的光學(xué)電流互感器對(duì)促進(jìn)我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有十分重要的意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1光學(xué)電流互感器研究現(xiàn)狀光學(xué)電流互感器主要研究方案有基于法拉第磁光效應(yīng)的磁光式電流互感器及基于磁致伸縮材料的光學(xué)電流互感器[7-9]?；诜ɡ诖殴庑?yīng)的磁光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(jiǎn)單，加工方便的優(yōu)點(diǎn)，不過(guò)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(lái)自英國(guó)的科學(xué)家A.J.Rogers提出了全光纖電流的設(shè)想以來(lái)，許多研究人員投入了大量時(shí)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(wèn)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(xué)互感器是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，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(diǎn)[11]。其中B.C.B.Chu等人設(shè)計(jì)的塊狀玻璃光學(xué)電流互感器在1A~3kA的測(cè)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(yīng)[12]。到目前為止塊狀玻璃光學(xué)電流互感器是實(shí)際經(jīng)驗(yàn)最豐富，掛網(wǎng)運(yùn)行最多，并且穩(wěn)定性最好的一種光學(xué)電流互感器?；诖胖律炜s效應(yīng)的光學(xué)互感器進(jìn)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(gòu)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(guó)阿姆斯實(shí)驗(yàn)室研制成功了新型的超磁致伸縮材料(GiantMagnetostrictiveMaterials,GMM)并且實(shí)現(xiàn)了商品化，其成分為。最初是由美國(guó)前沿技術(shù)公司于1989年開(kāi)始成產(chǎn)銷售，隨后瑞典、日本、俄羅斯、英國(guó)等國(guó)家也相繼研發(fā)出產(chǎn)品。我國(guó)對(duì)GMM開(kāi)始的研究比較晚，不過(guò)進(jìn)展速度，到目前為止北京有色金屬研究總院、北京科技大學(xué)、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(biāo)基本上達(dá)到了國(guó)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(jià)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(dòng)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(duì)金屬探傷、水下探測(cè)等方面的應(yīng)用也發(fā)展迅速，目前美國(guó)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(yīng)利用在精密的位移控制，其控制精度能夠達(dá)到納米級(jí)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?cè)诠饫w表面等方法。美國(guó)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(cè)量實(shí)驗(yàn)，取得了實(shí)驗(yàn)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(chǎng)測(cè)量，在8A~200A的測(cè)量范圍內(nèi)誤差約為0.5%，最小電流檢測(cè)能達(dá)到0.5A，不過(guò)此方案動(dòng)態(tài)線性范圍較小，適合小電流的檢測(cè)。張學(xué)亮等人將超磁致伸縮材料覆在去了保護(hù)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(jìn)行電流的檢測(cè)。光纖布喇格光柵(FiberBraggGrating,FBG)傳感技術(shù)通過(guò)紫外光對(duì)光纖進(jìn)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(duì)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(zhǎng)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(yīng)變和溫度的影響，對(duì)其他物理量不敏感。所以發(fā)生應(yīng)變或是溫度變化會(huì)使FBG的中心波長(zhǎng)發(fā)生偏移，通過(guò)解調(diào)儀或是其他檢測(cè)手段測(cè)出波長(zhǎng)的偏移量就能得出應(yīng)變或是溫度的變化情況[14]。自從FBG被應(yīng)用以來(lái)，將FBG與GMM結(jié)合起來(lái)作為電流互感器成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的主要方向。2004年D.Reilly通過(guò)螺線管完了基于GMM-FBG的電流傳感系統(tǒng)，偏置磁場(chǎng)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(shí)完成電流和溫度的測(cè)量，測(cè)量范圍是0.3A~1.0A和18℃~90℃[15,16]。國(guó)內(nèi)很多大學(xué)如南開(kāi)大學(xué)、武漢理工大學(xué)、燕山大學(xué)等對(duì)GMM-FBG相繼展開(kāi)了研究實(shí)驗(yàn)，也都取得不錯(cuò)的結(jié)果，不過(guò)更多的是把研究重點(diǎn)放在如何消除實(shí)驗(yàn)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(duì)于如何消除溫度影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)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(shí)完成電流和溫度的測(cè)量，通過(guò)溫度變化能引起FBG的波長(zhǎng)偏移原理從電流的信號(hào)中讀取出溫度的變化[17]；易本順等采用利用兩個(gè)光纖光柵綜上所述，目前為止對(duì)GMM-FBG電流傳感系統(tǒng)的研究?jī)H限于處在螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)條件下，應(yīng)用到實(shí)際線路測(cè)量的實(shí)例還沒(méi)有。應(yīng)用GMM-FBG傳感系統(tǒng)于工頻交流的測(cè)量研究?jī)H僅開(kāi)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(hào)解調(diào)技術(shù)的研究現(xiàn)狀對(duì)FBG傳感系統(tǒng)的解調(diào)實(shí)質(zhì)上是指對(duì)于傳感光柵反射波譜的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分析出波長(zhǎng)大小。實(shí)際應(yīng)用中FBG信號(hào)解調(diào)可分為兩部分：一部分是光信號(hào)分析處理，完成光信號(hào)波長(zhǎng)大小到電信號(hào)的轉(zhuǎn)化。另一部分是對(duì)電信號(hào)的處理，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成人們熟悉的形式。其中光信號(hào)的分析處理是解調(diào)技術(shù)的核心部分，傳感光柵對(duì)于反射波長(zhǎng)的跟蹤分析能力決定了整個(gè)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(zhǎng)的偏移量轉(zhuǎn)換為相位的變化量來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，其動(dòng)態(tài)參量的分辨率能達(dá)，該方法的優(yōu)點(diǎn)是能提供高解析度、寬帶寬的調(diào)控能力，不過(guò)該方法只適合動(dòng)態(tài)應(yīng)變的測(cè)量不適用于絕對(duì)應(yīng)變的檢測(cè)[19]；可調(diào)法F-P濾波法具有調(diào)諧范圍寬的優(yōu)點(diǎn)不過(guò)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(yīng)時(shí)間快，抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是波長(zhǎng)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(dá)到2pm，不過(guò)其穩(wěn)定性較差以及解調(diào)范圍不夠理想的問(wèn)題限制了其使用范圍。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于FBG解調(diào)裝置的研究取得了很大的進(jìn)展。美國(guó)的微光公司設(shè)計(jì)的解調(diào)儀器動(dòng)態(tài)解調(diào)范圍能達(dá)80nm、分辨率為1pm、掃描速度能到1kHz，處于國(guó)際領(lǐng)先地位。國(guó)內(nèi)的如北京品傲光電、上海紫珊光電等公司對(duì)FBG解調(diào)儀的研究也取得了不錯(cuò)的成果。綜上所述，F(xiàn)BG的解調(diào)技術(shù)近些年發(fā)展的比較迅猛，成熟的解調(diào)裝置已經(jīng)問(wèn)世，其指標(biāo)能夠滿足對(duì)50Hz工頻交流電流的檢測(cè)。1.3光纖光柵傳感器應(yīng)用概述隨著光纖光柵問(wèn)世以來(lái)，其傳感技術(shù)已經(jīng)成為光纖傳感技術(shù)中最具有優(yōu)勢(shì)的一種技術(shù)。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(yīng)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(duì)電磁干擾不敏感、絕緣性能好以及體積小等優(yōu)勢(shì)，使其在電力系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景尤其是在高電磁場(chǎng)環(huán)境下的電氣設(shè)備檢測(cè)方面更是具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。(1)航空航天中的應(yīng)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(méi)有其他傳感器可以與之相比。美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局就對(duì)光纖光柵傳感技術(shù)非常重視，僅波音公司就具有好幾個(gè)注冊(cè)的光纖光柵傳感器的專利[21]。(2)土木工程中的應(yīng)用。光纖光柵在土木工程中的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)是其應(yīng)用最多的領(lǐng)域。對(duì)于橋梁、隧道、礦井、大壩等工程的力學(xué)參數(shù)的監(jiān)測(cè)對(duì)于其維護(hù)以及健康狀況是非常重要的。通過(guò)監(jiān)測(cè)上述工程中的應(yīng)變分布，能夠了解結(jié)構(gòu)的負(fù)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(gòu)表面或是預(yù)先埋入結(jié)構(gòu)中，從而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行各種監(jiān)測(cè)。(3)石油工業(yè)中的應(yīng)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(dú)特的電絕緣性以及在易燃易爆場(chǎng)合的本征安全性，并且對(duì)于腐蝕液體的抗拒性這些特性都賦予光纖光柵傳感器獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)，使其在石油化工行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用。目前光纖光柵傳感器替代傳統(tǒng)的傳感器廣泛的應(yīng)用在油田儲(chǔ)量勘測(cè)以及海洋石油平臺(tái)上的監(jiān)測(cè)工作[24-(4)核工業(yè)中的應(yīng)用。核工業(yè)場(chǎng)所是一個(gè)高輻射的地方，核泄漏對(duì)于人的身體健康是一個(gè)極大的威脅，因此對(duì)于核電站的安全監(jiān)測(cè)是非常有必要的[27]。對(duì)于老化的核裝置，需要更多的修理及維護(hù)，直到最終需要拆除，這些在設(shè)計(jì)初都是不能預(yù)見(jiàn)的，因此就需要更多的傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行情況，來(lái)處理不確定情況[28]。目前在核工業(yè)中應(yīng)用(5)電力行業(yè)中的應(yīng)用。電力行業(yè)中高壓開(kāi)關(guān)、發(fā)電機(jī)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(cè)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(cè)量要求的最佳選擇。對(duì)于人難以到達(dá)的地方，如沙漠、荒山、森林等地的光纜傳輸以及變電站等設(shè)備采取分布式光纖光柵進(jìn)行遙控可以大大減少設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。目前日本北海道已將光纖光柵傳感器應(yīng)用于高壓線路的積雪負(fù)荷監(jiān)測(cè)[30電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)于整個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重要的作用。2003年的美加電網(wǎng)崩潰導(dǎo)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(cè)系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行的有效方法。1.4課題研究的主要內(nèi)容本文在對(duì)超磁致伸縮材料與光纖光柵傳感技術(shù)進(jìn)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：(1)分析研究光學(xué)電流互感器國(guó)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(cè)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(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)仿真。(3)完成電流檢測(cè)系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)工作，并對(duì)其中核心元件進(jìn)行了分析。(4)為搭建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選擇核心材料，具體分析預(yù)應(yīng)力、溫度、偏置磁場(chǎng)等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，設(shè)計(jì)完成驅(qū)動(dòng)線圈以及偏置線圈的線徑、尺寸。(5)構(gòu)建相應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，完成直流、交流測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果還原到實(shí)際應(yīng)用中去。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，具體分析產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室首次發(fā)現(xiàn)了光纖中的光柵效應(yīng)，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(guó)的G.Melt等人發(fā)明了紫外光側(cè)寫入技術(shù)以來(lái)，F(xiàn)BG隨著制造水平的逐步提高，其應(yīng)用前景也迅速開(kāi)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(shè)計(jì)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(qiáng)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(dāng)照射光撤去后，在光纖中輸入一段波長(zhǎng)范圍的寬帶光，那些滿足由照射時(shí)決定的Bragg波長(zhǎng)的寬帶光將被反射，其余的光不會(huì)受到影響[32光纖光柵實(shí)質(zhì)上是在光纖中寫入了一個(gè)反射鏡，其原理如圖2-1，為由光源產(chǎn)生寬帶激光，照射進(jìn)光柵后與光柵中心波長(zhǎng)相同的光會(huì)被反射回來(lái)即圖中，其余的光則會(huì)透射出去即。其中可以由測(cè)量反射光譜的中心波長(zhǎng)或是透射光譜的中心波長(zhǎng)進(jìn)行布喇格光柵效果測(cè)試實(shí)驗(yàn)。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(zhǎng)、反射譜帶寬、以及峰值反射率，具體描述如下。(1)Bragg波長(zhǎng)光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)是指在光纖光柵中傳輸?shù)哪軡M足Bragg條件的波長(zhǎng)，依據(jù)光纖光學(xué)，即使基模與其相對(duì)應(yīng)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(duì)布喇格光柵的余角設(shè)為，有，滿足Bragg條件的波長(zhǎng)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(zhǎng)為，則它具有一定的帶寬，計(jì)算式為： (2-4)式中L——光柵長(zhǎng)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(zhǎng)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(dǎo)致符合Bragg條件的反射波長(zhǎng)發(fā)生位移[34]。由Bragg條件可知： (2-6)當(dāng)光纖光柵受到應(yīng)力作用情況下或是受到溫度變化影響時(shí)，和都會(huì)發(fā)生變化。為方便研究，首先忽略應(yīng)力和溫度的交叉敏感，僅考慮在單一應(yīng)力或是溫度作用下的傳感特性。(1)光纖光柵應(yīng)變傳感模型的建立Bragg波長(zhǎng)受應(yīng)力影響是由彈光效應(yīng)和光柵周期的伸縮而導(dǎo)致。為簡(jiǎn)化推導(dǎo)，假設(shè)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(yīng)變作用，具有拉伸和伸縮兩個(gè)作用，應(yīng)變對(duì)光柵周期影響導(dǎo)致光柵的周期性伸縮： (2-7)式中——軸向的應(yīng)變量。利用介電常數(shù)與相對(duì)介電抗?jié)B張量的關(guān)系： (2-8)可得： (2-9)式中——某一方向上的光纖折射率。此時(shí)應(yīng)是軸向力作用的方向，故將用代替，再根據(jù)軸向應(yīng)變的表達(dá)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(yīng)力作用而引起的Bragg波長(zhǎng)的變化量： (2-14)式中 (2-15)其中是一個(gè)與材料有關(guān)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(dāng)光纖光柵環(huán)境受到溫度變化時(shí)，Bragg波長(zhǎng)偏移一方面是由于熱致效應(yīng)導(dǎo)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(yīng)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(yīng)是溫度引起B(yǎng)ragg波長(zhǎng)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(duì)于Bragg波長(zhǎng)偏移的影響為： (2-20)對(duì)于石英光纖，熱膨脹系數(shù)。熱光系數(shù)為/℃(150℃~200℃)，/℃(400℃)?？梢钥闯?，當(dāng)確定好光纖光柵的材料后，光纖光柵對(duì)溫度的靈敏度系數(shù)也就確定為與材料系數(shù)相關(guān)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(huì)有很好的線性輸出。(3)光纖光柵應(yīng)變-溫度耦合模型的建立應(yīng)變與溫度的變化都會(huì)導(dǎo)致光纖光柵的波長(zhǎng)偏移，當(dāng)它用于單個(gè)參量傳感的時(shí)候，其另一種變量的交叉敏感問(wèn)題會(huì)對(duì)傳感產(chǎn)生干涉，所以有必要建立光纖光柵的應(yīng)變-溫度耦合模型。假設(shè)溫度在較小范圍內(nèi)變化，那么對(duì)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(duì)待，從而能夠得出應(yīng)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(duì)于一般光纖光柵，當(dāng)溫度在0℃~100℃和應(yīng)變?cè)?~1％的測(cè)量范圍內(nèi)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，由溫度產(chǎn)生的相對(duì)誤差僅為0.77％，由應(yīng)變產(chǎn)生的相對(duì)誤差為。因此在測(cè)量條件下，光纖光柵的交叉靈敏度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不大。因此忽略交叉靈敏度的響應(yīng)，Bragg的波長(zhǎng)偏移在溫度和應(yīng)變共同作用下可以表示為： (2-23)從式中可以看出，在實(shí)際的測(cè)量中，應(yīng)該考慮到增敏以及去敏的問(wèn)題，即降低非被測(cè)量的靈敏度，增加被測(cè)量的靈敏度。對(duì)于本課題，增加對(duì)應(yīng)變量測(cè)量的靈敏度時(shí)，需要采取溫度補(bǔ)償方式來(lái)降低溫度對(duì)于Bragg波長(zhǎng)的偏移，具體補(bǔ)償方式在后面的章節(jié)會(huì)展開(kāi)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(chǎng)中的鐵磁體被磁化后，其長(zhǎng)度以及體積會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱之為磁致伸縮效應(yīng)。焦耳(J.P.Joule)于1842年發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象，所以磁致伸縮效應(yīng)也稱為焦耳效應(yīng)[35,36磁致伸縮效應(yīng)有兩種表現(xiàn)形式：(1)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，如圖2-3所示。線磁致伸縮系數(shù)用表示，。其中為鐵磁體的長(zhǎng)度，表示鐵磁體在方向上的伸長(zhǎng)量。當(dāng)時(shí)表示鐵磁體沿磁場(chǎng)的方向伸長(zhǎng)，垂直于磁場(chǎng)方向縮短，稱為正線磁致伸縮；當(dāng)表示鐵磁體沿磁場(chǎng)的方向縮短，垂直于磁場(chǎng)方向伸長(zhǎng)，稱為負(fù)線磁致伸縮[37]。圖2-3鐵磁體線磁致伸縮效應(yīng)示意圖(2)體磁致伸縮效應(yīng)這是指鐵磁體在磁化過(guò)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(guò)磁化作用后的體積變化。當(dāng)時(shí)表示鐵磁體經(jīng)過(guò)磁化作用后發(fā)生體積膨脹，稱為正體磁致伸縮；當(dāng)表示鐵磁體經(jīng)過(guò)磁化作用后發(fā)生體積收縮，稱為負(fù)體磁致伸縮。體磁致伸縮的量比較小，一般由應(yīng)變張量的分量表示[38]： (2-24)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)。磁致伸縮系數(shù)與溫度和磁場(chǎng)相關(guān)。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。在一定的溫度下，隨著磁場(chǎng)的增大而增加，當(dāng)磁化強(qiáng)度達(dá)到飽和時(shí)，也會(huì)達(dá)到一個(gè)飽和值，這個(gè)值稱為飽和磁致伸縮系數(shù)用表示，對(duì)于已知鐵磁體是一個(gè)常數(shù)。是一個(gè)可正可負(fù)的系數(shù)，其正負(fù)是這樣定義的：隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H的增加至飽和狀態(tài)，鐵磁體沿磁化方向發(fā)生伸長(zhǎng)，則為正；隨磁場(chǎng)強(qiáng)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(fù)。幾種鐵磁體磁致伸縮系數(shù)隨磁場(chǎng)強(qiáng)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(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)[(1)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(huì)引起材料的磁化狀態(tài)發(fā)生改變的現(xiàn)象。(2)效應(yīng)。隨著磁場(chǎng)的變化，磁致伸縮材料的楊氏模量也會(huì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。(3)效應(yīng)。在磁致伸縮材料上形成適當(dāng)?shù)拇怕?，磁路中通過(guò)電流時(shí)，發(fā)生扭曲變形的現(xiàn)象。(4)效應(yīng)。磁致伸縮材料受到外力發(fā)生扭曲變形時(shí)，會(huì)在二次線圈中有電流產(chǎn)生的現(xiàn)象。(5)效應(yīng)。對(duì)磁致伸縮材料施加適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力，在外磁場(chǎng)變化下，磁致伸縮效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生躍變式的增加，磁化率也會(huì)發(fā)生改變的現(xiàn)象。超磁致伸縮材料(GMM)是20世紀(jì)70年代研制成功并迅速發(fā)展起來(lái)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(yīng)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(yīng)變1500~200035~-40100~600能量轉(zhuǎn)換效率(%)49~56923~52響應(yīng)時(shí)間<1—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)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(diǎn)：(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(dá)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(dòng)電壓低，而壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電壓則需要達(dá)到幾千伏。(4)響應(yīng)時(shí)間不到1，對(duì)于磁化以及應(yīng)力的反應(yīng)幾乎即使響應(yīng)，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(yīng)不會(huì)隨時(shí)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(dāng)GMM中不存在磁化場(chǎng)的時(shí)候，磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B均為零，在圖中相當(dāng)于坐標(biāo)原點(diǎn)O。隨著H的增加，B也隨之增加，但是兩者之間的關(guān)系并不是線性的。當(dāng)H增加到一定時(shí)，B達(dá)到飽和狀態(tài)不再增加，此時(shí)如圖中A點(diǎn)和稱為飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。H逐漸減小到零，與此同時(shí)B也逐漸減小，不過(guò)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(shuō)明當(dāng)H減小到零時(shí)超磁致伸縮材料中仍有一定的磁性。改變磁化強(qiáng)方向，沿著反向增加磁場(chǎng)強(qiáng)度，直到，曲線達(dá)到點(diǎn)達(dá)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(dá)到飽和為止。這樣就得到一條與相對(duì)稱的曲線，而從A出發(fā)又回到A點(diǎn)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(diǎn)和稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，與H軸的交點(diǎn)和稱為矯頑力[41]。具體本實(shí)驗(yàn)所選超磁致伸縮材料的磁滯回線會(huì)在實(shí)驗(yàn)中具體說(shuō)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(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： (2-25)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)；——外加磁場(chǎng)強(qiáng)度大小(kA/m)；——超磁致伸縮材料初始長(zhǎng)度(m)；——伸長(zhǎng)量(m)。從式(2-25)可以看出，磁致應(yīng)變量是受預(yù)應(yīng)力與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度大小的影響。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： (2-26)式中——給定磁場(chǎng)強(qiáng)度下超磁致伸縮材料的楊氏模量(N/)；——材料在應(yīng)變方向的預(yù)應(yīng)力(Mpa)；——磁致伸縮系數(shù)或壓磁系數(shù)。由式(2-26)可知：當(dāng)楊氏模量和磁致伸縮系數(shù)為已知時(shí)，磁致應(yīng)變量與預(yù)應(yīng)力和外加磁場(chǎng)強(qiáng)度能夠構(gòu)成線性關(guān)系，即磁致應(yīng)變量的大小取決于施加預(yù)應(yīng)力的大小以及外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小。當(dāng)考慮到由磁場(chǎng)引起的磁滯效應(yīng)時(shí)，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(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。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(duì)材料的影響也需要考慮，溫度的變化對(duì)所產(chǎn)生的熱形變的應(yīng)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(yīng)用由超磁致伸縮材料的結(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)。由于超磁致伸縮材料在正反兩個(gè)方向的磁場(chǎng)下發(fā)生的形變都是伸長(zhǎng)的，所以產(chǎn)生應(yīng)變的頻率是驅(qū)動(dòng)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(guò)在棒上加一個(gè)恒定的偏置磁場(chǎng)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)。偏置磁場(chǎng)的大小約為曲線線性部分一半處所對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)。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[42]。圖2-6倍頻現(xiàn)象圖(2)驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)。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。驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)一般不超過(guò)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(lái)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)線圈的尺寸、線徑和匝數(shù)等。(3)驅(qū)動(dòng)頻率。磁致伸縮材料因?yàn)榘艋虮∑臏u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(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。圖2-7磁致伸縮棒直徑與臨界頻率的關(guān)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(guān)系曲線，可見(jiàn)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(duì)于在高頻(如20kHz以上)狀態(tài)下工作時(shí)，則必須要考慮材料的渦流損耗，對(duì)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[43,(4)預(yù)應(yīng)力。磁致伸縮材料的抗壓強(qiáng)度能達(dá)到700MPa，但其抗拉強(qiáng)度很小只有約28MPa，因此在工作時(shí)承受到拉伸應(yīng)力或剪切應(yīng)力時(shí)脆性較大容易斷裂，應(yīng)提前對(duì)磁致伸縮棒施加一預(yù)壓應(yīng)力。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。2.3電流傳感器的設(shè)計(jì)如圖2-8為對(duì)于實(shí)際高壓母線上的電流進(jìn)行檢測(cè)的示意圖，通過(guò)高壓母線上的電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)來(lái)使超磁致伸縮材料發(fā)生形變，形變量通過(guò)作用到光纖光柵上來(lái)使中心波長(zhǎng)發(fā)生偏移，通過(guò)對(duì)輸出信號(hào)的檢測(cè)，就能知道高壓母線上電流的大小，傳感器中的偏置磁場(chǎng)采用的永磁體來(lái)提供，下面具體進(jìn)行傳感器指標(biāo)的設(shè)計(jì)工作。圖2-8高壓母線上電流傳感器示意圖(1)計(jì)算高壓母線上產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)大小目前500kV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)算公式為： (2-29)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)。對(duì)于0~3000A的高壓母線電流，在距離母線0.02m處產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小約為0~23.885kA/m。(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。本實(shí)驗(yàn)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(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2-9所示。圖2-9磁致伸縮系數(shù)與磁場(chǎng)強(qiáng)度大小的關(guān)系圖從圖中可以看出在10MPa預(yù)應(yīng)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(chǎng)強(qiáng)度特性很好，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。(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)變量大小與光柵的軸向應(yīng)變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。實(shí)驗(yàn)中是用環(huán)氧樹(shù)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(shù)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(shù)脂膠對(duì)測(cè)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。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(zhǎng)，通過(guò)形變量的大小就能知道波長(zhǎng)偏移量的大小。根據(jù)圖2-9，對(duì)于10MPa情況下的曲線，在磁場(chǎng)強(qiáng)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(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1551.34nm，光柵長(zhǎng)度為14mm。由計(jì)算可知電流檢測(cè)中所產(chǎn)生的波長(zhǎng)偏移大小為=1.29nm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0~1.29nm。2.4傳感器電流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)仿真輸入為3000A工頻電流，根據(jù)圖2-9，對(duì)于0~50kA/m的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，然后根據(jù)擬合公式通過(guò)matlab實(shí)驗(yàn)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(shí)際數(shù)據(jù)之間的誤差逐漸減小，具體四次仿真的相關(guān)指標(biāo)如表2-2所示。其中四次擬合出來(lái)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(zhǎng)偏移變化曲線圖應(yīng)該是四次仿真中誤差最小的，具體還需在第四章實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)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(biāo)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(gòu)以及傳感原理，建立了應(yīng)變-溫度的傳感模型。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；根據(jù)對(duì)高壓母線上的電流進(jìn)行檢測(cè)完成了對(duì)傳感器的設(shè)計(jì)并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真工作。3.1光纖光柵傳感信號(hào)解調(diào)方法光信號(hào)解調(diào)技術(shù)是研究將原信號(hào)從被調(diào)制的光信號(hào)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(shì)在于其傳感器屬于波長(zhǎng)編碼。傳感器的探測(cè)量為光纖光柵反射波長(zhǎng)的偏移量。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)。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖光柵的波長(zhǎng)偏移進(jìn)行解調(diào)，是實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感器實(shí)用化的關(guān)鍵因素，整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度都取決于對(duì)中心波長(zhǎng)的檢測(cè)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(zhǎng)檢測(cè)裝置。到目前為止，很多學(xué)者在這方面進(jìn)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(jiǎn)單實(shí)用的信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)，這對(duì)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(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，如圖3-1。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3-2。用光譜儀解調(diào)波長(zhǎng)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(dá)到0.001nm，基本可以滿足對(duì)Bragg波長(zhǎng)偏移量的分辨。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，多用于實(shí)驗(yàn)室[45]圖3-1光譜儀檢測(cè)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(cè)量元件為波分耦合器，其傳輸特性為在1510nm~1560nm之間的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，耦合器的效率與波長(zhǎng)呈線性關(guān)系，因此可利用這一特性來(lái)檢測(cè)波長(zhǎng)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(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。此方法的優(yōu)點(diǎn)是電子處理電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是測(cè)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(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3-4。進(jìn)入到傳感光柵的寬帶光，經(jīng)過(guò)光柵反射后的反射光通過(guò)耦合器進(jìn)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(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)[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(hào)經(jīng)過(guò)耦合器進(jìn)入到光纖光柵，其反射光再通過(guò)耦合器進(jìn)入到非平衡M-Z干涉儀。當(dāng)傳感光柵的中心波長(zhǎng)發(fā)生的波長(zhǎng)偏移時(shí)，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(zhǎng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)好，不過(guò)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(duì)于100Hz以下的動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)，此方法并不適合[483.2實(shí)驗(yàn)所用傳感信號(hào)解調(diào)方法—可調(diào)諧F-P濾波法19世紀(jì)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(xué)工作原理，它是由光學(xué)F-P干涉儀發(fā)展起來(lái)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(hào)作用時(shí)，壓電晶體發(fā)生形變，進(jìn)而使F-P干涉腔的腔長(zhǎng)發(fā)生變化，進(jìn)而達(dá)到可調(diào)諧濾波器的效果。圖3-6當(dāng)F-P干涉腔的長(zhǎng)度為L(zhǎng)的時(shí)候，其腔鏡的反射率為,那么諧振腔的透射率的表達(dá)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(dá)式為： (3-2)其中：是光纖入射到光纖光柵上的入射角，當(dāng)光線垂直入射到光柵上時(shí)，=0；是光纖通過(guò)F-P腔內(nèi)反射后的附加相位移動(dòng)，一般情況下非常小，可以忽略不計(jì)。那么當(dāng)光線垂直入射的時(shí)候，其透射率可以化簡(jiǎn)為： (3-3)光纖F-P濾波器的輸出光的波長(zhǎng)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(jìn)行波長(zhǎng)的選擇，其選擇的波長(zhǎng)的大小正比于F-P腔長(zhǎng)L。所以透射光的波長(zhǎng)選擇可以通過(guò)改變F-P腔的腔長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常情況下我們是用壓電陶瓷來(lái)驅(qū)動(dòng)光纖F-P腔的，對(duì)壓電陶瓷施加周期性變化的電壓，它能夠使F-P腔長(zhǎng)產(chǎn)生周期性的變化，進(jìn)而可以對(duì)既定區(qū)間內(nèi)光纖的波長(zhǎng)實(shí)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(hào)經(jīng)過(guò)耦合器后進(jìn)入到光纖光柵，其中滿足布喇格反射條件的信號(hào)被反射回來(lái)，再通過(guò)耦合器入射到可調(diào)諧F-P濾波器中進(jìn)行處理，探測(cè)器將檢測(cè)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(guò)F-P濾波器透射光最強(qiáng)，通過(guò)濾波放大將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再由信號(hào)采集裝置將電信號(hào)采集后送入信號(hào)處理電路，然后得出被測(cè)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(diǎn)。適用于工程應(yīng)用方面的波長(zhǎng)偏移檢測(cè)技術(shù)。本方案所選用的是美國(guó)微光公司生產(chǎn)的型號(hào)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(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖3-8為本方案采取的電流檢測(cè)系統(tǒng)的示意圖，根據(jù)第二章的傳感器設(shè)計(jì)中，實(shí)際是按照檢測(cè)高壓母線上的電流計(jì)算，由于目前本方案處在實(shí)驗(yàn)階段，并且實(shí)驗(yàn)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(chǎng)由驅(qū)動(dòng)線圈提供，偏置磁場(chǎng)由偏置線圈提供，其中核心元件由以下部分構(gòu)成。圖3-8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。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(shí)要保證其穩(wěn)定性，可以保持長(zhǎng)時(shí)間的工作狀態(tài)。由于不同的光源發(fā)出的光波長(zhǎng)并不一樣所以對(duì)于光源的選擇要根據(jù)傳感波長(zhǎng)來(lái)確認(rèn)適合的波長(zhǎng)段。本實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[51,52]表3-1寬帶掃描激光器性能指標(biāo)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(xué)接頭掃描激光器20mW8mW8kHz去偏振FC/APC(2)信號(hào)解調(diào)信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)的好壞對(duì)于整個(gè)測(cè)量結(jié)果的精確度、分辨率及測(cè)量時(shí)間起著直接的影響，本方案選用的解調(diào)儀自帶信號(hào)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(zhǎng)解調(diào)范圍為1510nm~1590nm，分辨率為1pm，絕對(duì)精度為3pm。(3)活動(dòng)連接頭活動(dòng)連接頭是把兩個(gè)光纖端面結(jié)合在一起，使光纖輸出的光信號(hào)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(guò)程中產(chǎn)生的損耗要盡量小，性能穩(wěn)定，插拔重復(fù)性好，安裝方便，性高可靠。本方案所選取的活動(dòng)連接頭的型號(hào)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(guò)帶鍵槽導(dǎo)引的螺紋來(lái)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(gòu)特點(diǎn)和性能指標(biāo)如表3-2：表3-2活動(dòng)連接頭性能指標(biāo)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(shè)計(jì)如圖3-9，本方案所設(shè)計(jì)的傳感單元主要由超磁致伸縮材料、光纖光柵、驅(qū)動(dòng)線圈、偏置線圈及預(yù)應(yīng)力施加裝置等組成，將設(shè)計(jì)好的傳感頭放在螺線管內(nèi)，直流源經(jīng)過(guò)偏置線圈提供偏置磁場(chǎng)，交流源經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)線圈提供交變磁場(chǎng)，通過(guò)調(diào)節(jié)電流的大小，從而改變螺線管中磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小，超磁致伸縮材料在變化的磁場(chǎng)強(qiáng)度下發(fā)生磁致伸縮效應(yīng)，其應(yīng)變量的大小傳遞到光纖光柵上，使得Bragg波長(zhǎng)發(fā)生偏移，通過(guò)光柵解調(diào)儀對(duì)波長(zhǎng)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(duì)電流檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)手段。圖3-9傳感系統(tǒng)示意圖1)待測(cè)電流通過(guò)螺線管產(chǎn)生電磁場(chǎng)理論分析如圖3-9本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)螺線管內(nèi)層為驅(qū)動(dòng)線圈，外層為偏置線圈，驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)度為L(zhǎng)。螺線管中磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小由流過(guò)線圈的電流所決定。交變磁場(chǎng)強(qiáng)度大小為： (3-5)偏置磁場(chǎng)強(qiáng)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(yīng)變傳感將式(2-28)帶入式(2-23)得到： (3-7)當(dāng)對(duì)交流電進(jìn)行測(cè)量時(shí)，式中，其中偏置磁場(chǎng)為恒定，將式(3-5)帶入式(3-7)得到： (3-8)若維持實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為恒溫條件則，則有： (3-9)通過(guò)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(cè)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(duì)比其優(yōu)缺點(diǎn)然后選取設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)所用的解調(diào)方法—可調(diào)諧F-P濾波法；詳細(xì)分析了解調(diào)系統(tǒng)中各個(gè)部件的特性及器件選擇；對(duì)本方案所采用的電流傳感從理論上進(jìn)行了推證，從而完成了對(duì)電流檢測(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)工作，為下一章搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)做好鋪墊。4.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建根據(jù)前兩章設(shè)計(jì)，完成器件的設(shè)計(jì)與選取工作。所搭建的實(shí)驗(yàn)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(dāng)線圈中通入被測(cè)電流時(shí)，超磁致伸縮材料棒在被測(cè)電流產(chǎn)生變化磁場(chǎng)中發(fā)生伸縮效應(yīng)，從而使粘貼在一起的光纖光柵波長(zhǎng)發(fā)生偏移。光纖光柵通過(guò)FC/APC的活動(dòng)連接頭與解調(diào)儀相連接，解調(diào)儀通過(guò)網(wǎng)線與含有配套軟件的計(jì)算機(jī)相連，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)讀出波長(zhǎng)的變化，進(jìn)而能夠得出超磁致伸縮材料的形變量，從而能夠得到被測(cè)電流的大小。圖4-1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖實(shí)驗(yàn)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(shuō)明各個(gè)系統(tǒng)的選取及參數(shù)指標(biāo)。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(guó)微光公司生產(chǎn)的SM130型解調(diào)儀如圖4-2所示。SM130是一個(gè)高速度、大功率、多傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要應(yīng)用在力學(xué)傳感技術(shù)中；SM130內(nèi)置微光專利技術(shù)的校正波長(zhǎng)掃描激光器，在每次掃描時(shí)會(huì)自動(dòng)對(duì)中心波長(zhǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)，無(wú)需再對(duì)波長(zhǎng)校準(zhǔn)；SM130能夠?qū)崿F(xiàn)高功率快速掃描，屬于一個(gè)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(biāo)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(shí)驗(yàn)過(guò)程每次采樣時(shí)間10s。

圖4-2SM130解調(diào)儀表4-1SM130解調(diào)儀基本指標(biāo)SM130700500200光學(xué)通道數(shù)441波長(zhǎng)范圍1510~1590nm1510~1590nm1510~1590nm穩(wěn)定性2pm典型，5pm最大重復(fù)性1pm，(0.05pmwith1000averages)每通道最大傳感器數(shù)量80動(dòng)態(tài)范圍25dB掃描頻率1kHz500Hz(1kHz可選)100Hz(500Hz1kHz可選)光學(xué)接頭FC/APC工作溫度0~50℃工作濕度<80%(無(wú)凝結(jié))外型尺寸132×267×135mm重量2.5kg4.1.2電源系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(guò)電流表以及萬(wàn)用表對(duì)線路中的交流電大小進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選用適當(dāng)?shù)碾妷悍秶?，通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器來(lái)得到實(shí)驗(yàn)所需的電流大小。圖4-3交流源實(shí)物圖實(shí)驗(yàn)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(duì)直流電流大小測(cè)量所產(chǎn)生的誤差。圖4-4直流源實(shí)物圖4.1.3傳感系統(tǒng)線圈的設(shè)計(jì)超磁致伸縮材料發(fā)生磁致伸縮效應(yīng)需要外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的作用，實(shí)驗(yàn)所需外加磁場(chǎng)由螺線管提供，所以螺線管所需匝數(shù)、線徑、尺寸等問(wèn)題需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)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(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線來(lái)設(shè)計(jì)螺線管的具體參數(shù)。根據(jù)預(yù)應(yīng)力為10MPa的情況下，超磁致伸縮材料的曲線在磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)kA/m，交流驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)為kA/m，則總磁場(chǎng)強(qiáng)度H在0~48kA/m的范圍內(nèi)變化。下面具體計(jì)算交流驅(qū)動(dòng)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(yīng)該保證材料外徑與骨架之間沒(méi)有接觸，同時(shí)兩者間隙不能過(guò)大，否則會(huì)降低磁場(chǎng)強(qiáng)度，所以綜合考慮選擇螺線管的內(nèi)徑為8mm。螺線管長(zhǎng)度應(yīng)大于超磁致伸縮棒的長(zhǎng)度，以減小螺線管的邊緣效應(yīng)，所以螺線管的長(zhǎng)度為=60mm。(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的狀態(tài)選擇電流密度，從而確定出導(dǎo)線的裸線直徑一般來(lái)說(shuō)主要是依據(jù)線圈的發(fā)熱與散熱情況來(lái)選取電流密度，在散熱條件不理想的情況下，長(zhǎng)期工作的線圈中最大電流密度為3～5A/，反復(fù)短時(shí)工作時(shí)最大的電流密度為6～12A/，短時(shí)工作時(shí)最大的電流密度為13～30A/。本實(shí)驗(yàn)的工作狀態(tài)應(yīng)為反復(fù)短時(shí)工作，因此可選取電流密度為6A/。(3)選擇交變電流I，計(jì)算線圈導(dǎo)線直徑d本實(shí)驗(yàn)所選取的交變電流I的大小為2A。則螺線管導(dǎo)線的裸線直徑為： (4-1)由式(4-1)求出的裸線直徑，通過(guò)查詢線規(guī)表得到帶皮導(dǎo)線的線徑為，選用的是油性漆包銅線。(4)計(jì)算單位長(zhǎng)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(dǎo)線的排繞系數(shù)和疊繞系數(shù)導(dǎo)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(chǎng)的分布情況，如不滿足則要增大再進(jìn)行查算，直至滿足為止。對(duì)圖4-5所示多層螺線管線圈，軸線磁場(chǎng)分布為： (4-7)圖4-6是交流驅(qū)動(dòng)線圈軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度大小分布的仿真圖，從圖中可以看出本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的螺線管在軸向距中心15mm處得磁場(chǎng)大小近似均勻，其中心處磁場(chǎng)強(qiáng)度=24147A/m，距中心15mm處得磁場(chǎng)強(qiáng)度=23119A/m。圖4-5多層螺線管示意圖(9)計(jì)算線圈電阻R (4-8)式中——導(dǎo)線的有效截面積()；——電阻系數(shù)。經(jīng)過(guò)計(jì)算可得R=3.1圖4-6交流驅(qū)動(dòng)線圈軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度仿真圖表4-3驅(qū)動(dòng)、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(zhǎng)度/mm電阻R/驅(qū)動(dòng)線圈5750.72418603.1偏置線圈2880.721825605.3對(duì)于偏置磁場(chǎng)的尺寸和匝數(shù)等參數(shù)的設(shè)計(jì)，可采用與計(jì)算驅(qū)動(dòng)線圈相同的步驟進(jìn)行計(jì)算。如表4-3為設(shè)計(jì)計(jì)算出的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)、偏置磁場(chǎng)具體數(shù)據(jù)。對(duì)于偏置線圈軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度大小分布的仿真圖如圖4-7所示，中心處的磁場(chǎng)強(qiáng)度基本符合理論設(shè)計(jì)。圖4-7偏置線圈軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度仿真圖經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)后手動(dòng)纏繞的螺線管如圖4-8所示。圖4-8螺線管實(shí)物圖傳感頭的選取根據(jù)對(duì)傳感器的設(shè)計(jì)，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(chǎng)強(qiáng)度與磁致伸縮系數(shù)的關(guān)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(guó)微光公司出產(chǎn)的型號(hào)為SMF-28C型光纖光柵，其基本指標(biāo)如表4-4所示。表4-4光纖光柵指標(biāo)光纖類型SMF-28CFiber中心波長(zhǎng)1551.34nm光柵長(zhǎng)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(zhǎng)度1m對(duì)所選光纖光柵需熔接一個(gè)FC/APC的活動(dòng)連接頭才能與解調(diào)儀進(jìn)行通信，熔接過(guò)程所用熔接機(jī)如圖4-9所示，熔接過(guò)程中并未產(chǎn)生損耗。完成熔接活動(dòng)連接頭的光纖光柵沿著超磁致伸縮材料棒的軸向通過(guò)環(huán)氧樹(shù)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(jī)實(shí)物圖圖4-10實(shí)驗(yàn)傳感頭實(shí)物圖預(yù)應(yīng)力施加裝置本實(shí)驗(yàn)所選用的預(yù)應(yīng)力施加裝置如圖4-11所示，通過(guò)預(yù)應(yīng)力活動(dòng)頭固定好傳感頭與預(yù)應(yīng)力施加裝置，確保預(yù)應(yīng)力能夠均勻的施加在傳感頭上。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件有限，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選擇的預(yù)應(yīng)力施加裝置并不能直接顯示施加預(yù)應(yīng)力大小，只能通過(guò)波長(zhǎng)偏移大小以及磁致伸縮系數(shù)與預(yù)應(yīng)力之間的關(guān)系反推出實(shí)際施加預(yù)應(yīng)力大小，這就造成一定的實(shí)驗(yàn)誤差，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析中，對(duì)預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的誤差進(jìn)行了詳細(xì)的分析。圖4-11預(yù)應(yīng)力施加裝置圖傳感器影響因素(1)對(duì)溫度變化因素的設(shè)計(jì)溫度的變化對(duì)超磁致伸縮材料的形變具有較大影響，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中必須降低環(huán)境的溫度變化以及對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于材料發(fā)熱導(dǎo)致的溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償。溫度變化的主要原因包括兩個(gè)方面：1)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于線圈發(fā)熱導(dǎo)致超磁致伸縮材料溫度升高。對(duì)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(duì)線圈和超磁致伸縮材料之間進(jìn)行隔熱；螺線管工作時(shí)采用風(fēng)扇來(lái)延緩溫度的升高；每次測(cè)量的時(shí)間都盡可能的短。2)環(huán)境溫度的變化對(duì)實(shí)驗(yàn)也會(huì)產(chǎn)生較大的影響。對(duì)此采取的措施是：實(shí)驗(yàn)所在環(huán)境是溫度相對(duì)穩(wěn)定的房間；對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量時(shí)間為同一時(shí)間段，避免早晚溫差過(guò)大對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。以上的措施能夠大大降低溫度變化對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的影響，但是不能完全消除，相比線圈發(fā)熱對(duì)實(shí)驗(yàn)室的影響，本實(shí)驗(yàn)中環(huán)境溫度的變化對(duì)實(shí)驗(yàn)影響更大，所以需要對(duì)傳感頭實(shí)施溫度補(bǔ)償。本實(shí)驗(yàn)采用的傳感光柵在出廠前經(jīng)過(guò)溫度測(cè)試，所以傳感光柵具有準(zhǔn)確的溫度-波長(zhǎng)變化曲線，根據(jù)溫度計(jì)測(cè)量環(huán)境溫度，然后將溫度造成的波長(zhǎng)偏移從整體測(cè)量偏移中去處，從而實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償效果。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)后實(shí)驗(yàn)中采取的具體措施如圖4-12所示。圖4-12實(shí)驗(yàn)采取溫度補(bǔ)償措施圖(2)預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力對(duì)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(shí)驗(yàn)所選的超磁致伸縮棒進(jìn)行預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)。所選樣品在不同預(yù)應(yīng)力下的磁致伸縮系數(shù)與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系如圖4-13所示。圖4-13不同預(yù)應(yīng)力下磁致伸縮系數(shù)與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系圖由圖可知：磁場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí)，施加的預(yù)應(yīng)力在一定范圍內(nèi)，材料的磁致伸縮系數(shù)隨著預(yù)應(yīng)力的增大而增大(0MPa~10MPa)；當(dāng)預(yù)應(yīng)力達(dá)到某一值后，磁致伸縮系數(shù)隨著預(yù)應(yīng)力的增大反而減小(10MPa與15MPa)。預(yù)應(yīng)力一定時(shí)，為得到較大的磁致伸縮系數(shù)，就需要較大的磁場(chǎng)強(qiáng)度，并且每一條曲線對(duì)應(yīng)有一個(gè)伸縮特性較好的區(qū)域。因此通過(guò)選擇施加磁場(chǎng)的范圍，即可保證器件具有很好的工作特性。所以經(jīng)過(guò)第二章的設(shè)計(jì)以及對(duì)材料的綜合考慮之后，本實(shí)驗(yàn)給材料施加預(yù)應(yīng)力的大小為10MPa。4.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析.1.1直流檢測(cè)及溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，直流源提供穩(wěn)定電壓10V，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，從而改變通過(guò)驅(qū)動(dòng)線圈的直流電流大小。圖4-14為未施加偏置磁場(chǎng)情況下外加電流大小與波長(zhǎng)偏移之間的關(guān)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(zhǎng)偏移之間的關(guān)系圖(圖中點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，直線為擬合直線)。表4-5為兩種情況下所測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。表4-5直流實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)波長(zhǎng)/nm0.5A1A1.5A2A2.5A3A1551.1771551.2011551.2491551.291551.321551.3431551.4591551.4841551.5261551.5811551.6371551.680圖4-14無(wú)偏置磁場(chǎng)情況下外加電流大小與波長(zhǎng)偏移關(guān)系曲線圖由圖4-14可以看出在無(wú)偏置磁場(chǎng)的情況下外加電流大小與波長(zhǎng)偏移之間線性度很好，其一次擬合度。圖4-15施加偏置磁場(chǎng)情況下外加電流大小與波長(zhǎng)偏移關(guān)系曲線圖由圖4-15可以看出在施加偏置磁場(chǎng)的情況下，波長(zhǎng)偏移有所提高并且外加電流大小與波長(zhǎng)偏移之間線性度很好，其一次擬合度。圖4-16不同時(shí)間下外加電流與波長(zhǎng)偏移曲線關(guān)系圖圖4-16為三次不同時(shí)間段測(cè)量的外加電流與波長(zhǎng)偏移關(guān)系曲線圖。從圖中可以看出，三次測(cè)量都具有較好的線性度，不過(guò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較大影響，所以應(yīng)考慮對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)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(guò)溫度補(bǔ)償處理后的實(shí)驗(yàn)曲線如圖4-17所示。圖4-17經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償后電流與波長(zhǎng)關(guān)系曲線圖表4-6所選光柵溫度特性溫度/℃波長(zhǎng)/nm擬合溫度/℃溫度/℃波長(zhǎng)/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(zhǎng)三次擬合后關(guān)系式經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償之后，三條線相差很小，溫度補(bǔ)償能夠基本消除環(huán)境溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。由圖4-17看出，在2.5A~3A時(shí)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于線圈發(fā)熱產(chǎn)生的溫度變化對(duì)實(shí)驗(yàn)影響開(kāi)始顯現(xiàn)，如果時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則此因素也必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償來(lái)消除。磁滯回線實(shí)驗(yàn)第二章分析了超磁致伸縮材料所具有的磁滯現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)中選取被測(cè)電流2A循環(huán)和3A循環(huán)實(shí)驗(yàn)，研究在磁化場(chǎng)循環(huán)的過(guò)程中磁致伸縮滯后的現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)圖如圖4-18，4-19所示。在3A循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫升原因，導(dǎo)致磁滯現(xiàn)象并不明顯；在2A循環(huán)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論進(jìn)行對(duì)比。螺線管通入直流電為3A時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為18.63kA/m，偏置磁場(chǎng)提供的磁場(chǎng)強(qiáng)度為24kA/m，根據(jù)10Mpa預(yù)應(yīng)力條件下的磁場(chǎng)強(qiáng)度與超磁致伸縮材料應(yīng)變之間關(guān)系可得，材料形變量約為，由式(2-16)對(duì)應(yīng)到波長(zhǎng)偏移為1.1677nm。由圖4-14及圖4-15可以得出，當(dāng)螺線管通入3A的直流電，偏置線圈施加4A的電流時(shí)，發(fā)生的波長(zhǎng)偏移為0.54nm。將螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比到通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度。通電直導(dǎo)線周圍電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度由式表示，假設(shè)傳感頭距離直導(dǎo)線的距離為2cm，要產(chǎn)生42KA/m大小的磁場(chǎng)需要直導(dǎo)線中通入電流為5275A，即能夠測(cè)量0-5275A的直流電流，其等效的直流電流靈敏度為0.0001024nm/A。實(shí)驗(yàn)所用解調(diào)儀精度為1pm，則最小可測(cè)直流電流為10A，測(cè)量電流精度為交流電流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)不加偏置電流情況下交流電流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)交流驅(qū)動(dòng)線圈中通入工頻交流電流，電流幅值0~2A。計(jì)算機(jī)裝有與解調(diào)儀配套的軟件，其測(cè)試過(guò)程中的波形頁(yè)面截圖如圖4-20所示，由于解調(diào)儀采樣頻率很快，對(duì)于具體波形分析還需根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度與超磁致伸縮材料應(yīng)變之間的關(guān)系曲線，以及波長(zhǎng)偏移與受到應(yīng)變的關(guān)系，然后將所測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)matlab處理后得到。驅(qū)動(dòng)電流與波長(zhǎng)偏移對(duì)應(yīng)的曲線如圖4-21、4-22所示。解調(diào)儀采樣頻率為1kHz，一個(gè)波長(zhǎng)周期內(nèi)采樣點(diǎn)為20，時(shí)間為0.02s。圖4-20計(jì)算機(jī)軟件截圖圖4-21未加偏置磁場(chǎng)時(shí)交流電流傳感曲線圖由圖4-21可以看出，無(wú)論電流處在波峰或是波谷位置，波長(zhǎng)的偏移都處在最大值，即波長(zhǎng)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(zhǎng)的偏移量并不是嚴(yán)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(shí)，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(zhǎng)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(zhǎng)的偏移量并不能完全反應(yīng)電流的波形，而是周期與幅值與電流有對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)波長(zhǎng)的偏移量，由磁場(chǎng)強(qiáng)度與超磁致伸縮材料應(yīng)變關(guān)系曲線，通過(guò)數(shù)值插值可計(jì)算出電流的大小。圖4-22交流電流取0.5A、1A、1.5A、2A時(shí)波長(zhǎng)變化曲線圖施加偏置電流情況下交流電流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)偏置線圈施加4A直流電流，驅(qū)動(dòng)線圈施加工頻交流電流，幅值0~2A。所得通入電流與波長(zhǎng)偏移對(duì)應(yīng)曲線圖如圖4-23。圖4-23偏置電流4A交流電流2A時(shí)交流電流傳感曲線圖可以看出施加偏置磁場(chǎng)后，倍頻現(xiàn)象消失，波長(zhǎng)偏移的頻率反映了交流電流的頻率，并且幅值對(duì)應(yīng)；同無(wú)偏置電流時(shí)相比，波長(zhǎng)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(gè)周期內(nèi)的波長(zhǎng)偏移的曲線與電流曲線不是嚴(yán)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(wú)法用具體函數(shù)關(guān)系表示，所以具體計(jì)算待測(cè)電流大小需用數(shù)值插值來(lái)計(jì)算。圖4-24一周期內(nèi)電流曲線與波長(zhǎng)曲線示意圖給定4A偏置電流，交變電流從小到大時(shí)波長(zhǎng)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(zhǎng)偏移量增大，當(dāng)交變電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)大于偏置磁場(chǎng)時(shí)會(huì)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(shí)波長(zhǎng)偏移曲線圖圖4-26交變磁場(chǎng)大于偏置磁場(chǎng)時(shí)波長(zhǎng)偏移曲線圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論對(duì)比。驅(qū)動(dòng)線圈通入交流電2A，偏置線圈通入直流電4A時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小約為48kA/m，對(duì)應(yīng)10Mpa條件下超磁致伸縮材料的形變量為，由式(2-16)對(duì)應(yīng)得到波長(zhǎng)偏移為1.296nm。由圖4-23可以得出，在驅(qū)動(dòng)線圈通入交流電2A，偏置線圈通入直流電4A時(shí)，發(fā)生的波長(zhǎng)偏移為0.534nm。將螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比到通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，假設(shè)傳感頭距離直導(dǎo)線的距離為2cm，交變磁場(chǎng)變化范圍為0~24kA/m，則最大可測(cè)導(dǎo)線交流電流為3014A，即能夠測(cè)量0-3014A的導(dǎo)線交流電流，其等效的交流電流靈敏度為0.0001772nm/A。實(shí)驗(yàn)所用解調(diào)儀精度為1pm，則最小可測(cè)直流電流為6A，測(cè)量電流精度為0.2%。4.3實(shí)驗(yàn)誤差分析(1)預(yù)應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生的波長(zhǎng)偏移與計(jì)算機(jī)仿真出來(lái)的波長(zhǎng)偏移相差較大，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算是在預(yù)應(yīng)力為10MPa條件下進(jìn)行的，而實(shí)際預(yù)應(yīng)力大小約為3MPa左右。圖4-27實(shí)驗(yàn)曲線與仿真曲線對(duì)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(chǎng)強(qiáng)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(shí)驗(yàn)中的整體磁場(chǎng)強(qiáng)度為42kA/m，交流試驗(yàn)中整體磁場(chǎng)強(qiáng)度為48kA/m因此在試驗(yàn)中出現(xiàn)誤差較大的現(xiàn)象。所以尋找精密預(yù)應(yīng)力施加裝置，提高預(yù)應(yīng)力能夠使實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論誤差減少，提高實(shí)驗(yàn)精度。圖4-283MPa和10MPa條件下的磁致伸縮系數(shù)與磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系圖(2)溫度影響溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響在第二、三章都進(jìn)行了理論分析，并在實(shí)驗(yàn)中提出了具體減小溫度影響的方法。雖然實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用了隔熱材料、冷風(fēng)、較小測(cè)量時(shí)間等措施以減小實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的發(fā)熱現(xiàn)象，但是從直流實(shí)驗(yàn)中看當(dāng)電流達(dá)到3A時(shí)實(shí)驗(yàn)中發(fā)熱現(xiàn)象開(kāi)始顯現(xiàn)，尤其是在3A循環(huán)電流測(cè)試磁滯回線的實(shí)驗(yàn)中更為明顯。在實(shí)際中的應(yīng)用中，都是長(zhǎng)時(shí)間的電流監(jiān)測(cè)，由于實(shí)驗(yàn)的發(fā)熱問(wèn)題對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響是非常大的。對(duì)于溫度的影響問(wèn)題，最為有效的方法是進(jìn)行溫度補(bǔ)償，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量光柵能夠測(cè)量實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度能夠補(bǔ)償不同環(huán)境溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，但是對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的溫度變化則無(wú)能為力，目前采用較多的溫度補(bǔ)償方法是利用兩個(gè)光柵進(jìn)行測(cè)量，一個(gè)進(jìn)行電流測(cè)量