基于超磁致伸缩材料和光纤光栅的电流传感原理研究.docx

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1、基于超磁致伸缩材料和光纤光栅的电流传感原理研究3-1光纤光栅传感原理随着人们对光纤光栅基本理论、写入技术、传感机理、解调技术研究的不断深入，光纤光栅传感技术已经成为可靠性最高、应用最为广泛的光纤传感技术。由于光纤光栅具有较高的温度、应力敏感特性，因此，当前应用最广泛、性能最稳定的是根据光纤光栅轴向应变和温度特性设计的光纤光栅传感器，以及在此基础上衍生的基于光纤光栅的磁场、电流、压力传感器。下面我们将从耦合模理论出发，研究光纤光栅的传输特性、应变传感特性，建立光纤光栅的应变传感模型，为合理设计光纤光栅电流传感头结构提供理论基础。由模式耦合理论可知，光纤光栅的耦合中心波长(取决于光纤光栅的周期/和

2、有效折射率耳疗，只要能够改变这两个参量的物理过程都会引起光纤光栅中心波长的漂移，因此只要能够准确解调耦合中心波长变化值，即可实现被测量的测量。利用光纤光栅进行应变测量时，应变引起光栅布喇格波长漂移量，可以由下式给出：ZU, = 2ne&. AA + 2Aneff. A(3.1)式中 AA 光纤本身在应力作用下的弹性形变neff光纤的弹光效应引起的有效折射率的变化根据材料力学原理与弹光理论可求得应变导致的光纤光栅中心波长漂移量为：(3.2)4凝-MPu+Pi2),J将式(3.2)两边同除以可得:(33)在式(3.3)中引入常数令的表达式如下:(3.4)Ke = |1-管 612 - MPll +

3、P12)卜B可得出(3.5)式(3.4)即为FBG由弹光效应引起的耦合中心波长变化应变灵敏度系数。若光纤采用纯熔融石英制成，相关参数为：p”=0.121、p2 = 0.270 . v = 0.170、/2m =1.456,可得FBG耦合中心波长光应变灵敏度系数K,=0.784。表4-1为几种的FBG (%如为不同值时)的应变灵敏度系数。表3；不同中心波长的光纤光栅应变灵敏度系数Table3-1 The strain sensitivity of FBG with different center wavelength入fbg(nm)/e (pm/M13101340135015401.0271.

4、0501.0581.20715451.21115501.21515551.21915601.223通过光纤光栅耦合中心波长2网G与应变2之间关系可知，丸依G随C线性变化，图3.1给出了 C为不同值时FBG反射谱的变化规律，图3.1(a)中所示三条曲线从左至右分别为 = -400呼，2 =-0即与2 = 400因时 FBG 的反射谱(参数为：E = 7.31X101，Pa, v=0.17,=0.121, p12 =0.270,=1550nm, D = 125|im, L=10mm, neff- = 1.456 )o由此可见，当FBG产生拉伸应变时，耦合中心波长将向红波方向移动，当FBG产生压缩应

5、变时，耦合中心波长将向蓝波方向移动，同时应变的大小仅改变耦合中心波长的变化而不会引起光谱形状改变。图3.1(b)为FBG的耦合中心波长4尸即与应变之间变化关系曲线，显然几尸bg随线性变化。Wavelength/nmQ S Q 。-APOOLPd5Strain（b）中心波长与轴向应变关系55（a）不同轴向应变作用下发射谱图3.1不同轴向应变作用时反射谱与中心波长的变化Fig.3.1 Changes of the reflected spectra and the center wavelengthunder different axial strain3-2基于超磁致伸缩材料和光纤光栅的电流传感

6、系统设计3-2-1解调系统组成及工作原理基于Terfenol-D层状粘结复合材料、FBG以及M-Z干涉仪的交流电流传感器是通过光纤光栅的中心波长的实时变化来反应交流电流的变化情况。因此相应的解调系统应具备实时、准确的反映波长变化规律。本文设计的光纤光栅动态波长解调系统是通过两段长度差为的光纤输入端与输出端分别连接2x2耦合器（0C）（耦合比为1： 1）和3x3耦合器（0C）（耦合比（CR）为L 1： 1）构成光纤M-Z干涉仪，其结构如图3.2所示。图3.2 M-Z干涉仪Fig. 3.2 M-Z interferometer其中2 x 2耦合器0C的传输矩阵为：(3.6)连接两个耦合器的光纤传输

7、矩阵为:式中 zp = 3四一一光纤长度差A导致的相位差A3x3耦合器oc的传输矩阵，可表示为明i27iexp亍i2ttexpv设系统输入光信号耳”二expzA0，2兀expv1i27rexpvUttexp三i2兀exp亍1(3.7)(3.8)时，M-Z干涉仪的两臂输出可表示为:(3.9)由于3x3耦合器0C2端口输入为零，因此将E加矩阵第2行补0后与心相乘即可得光纤M-Z干涉仪的输出:e2A.2 兀expzA + zexpz / a2 4、. 2 4expz(A + )+1 exp 1 2expz(A + )+ i通过式(3.10)即可求得理想情况下光纤M-Z干涉仪的输出光强为:out(3.

8、10)J = e - Eout out outout 2out 3t /八 211 + sin(A-)1 + sin(A)t / A 2 4、1 + sin(A9 + )(3.11)式(3.11)即为理想情况下光纤M-Z干涉仪三个端口输出情况，此时，/, = /2 = /3;人+右+八=/加。而实际输出应对其系数做出修正，输出修正式为:T A c 2 乃out乙=4 + B1 sin(A*)而2 = /2 = 4 + 之 sin(A)(3.12).3=13 = 43+83 sin。+3x3耦合器OC的CR=1： 1： 1,所以有:(3.13)4=4/ A3 = BJ B34 = 4 / 4 =

9、 B)/ B3由公式(3.13)可得：A = a2?9 B = C4B3, B2 = a2B3 0代入公式(3-18)中第一式和第二式可得：A n / a 2不1 = 4sin(A)I2 = a2A3 +。啰3 sin(A)(3.14)求解(3.14)所示方程可得:.71.1/2 sin(A? + ) + 72/1 sin(A)A3百q% cosQ(p-；)_。|，2 。21】4 _LTaa2 sin(A)(3.15)将公式(3.15)代入公式(3.12)中的第三式得:2aI2 _ cq I (1 - 6 tan (p)+ CtanAe)tan K(p = 4火.一一/J(p = arctan

10、j昨一生印认)(3.16)由M-Z干涉仪内两段光纤产生的相差公式2z?tzA可得:d222(3.17)由公式(3.16)、(3.17)可以看出，测出。1、的、乙、乙、八可得出A。，得出A。，即可求出4的变化量，从而实现波长的解调。将公式(3.3)、(3.17)与(2.23)结合即可得到基于Terfenol-D层状粘结复合材料、FBG以及M-Z干涉仪的交流电流传感系统的数学模型：=2n於l3b +At)A/2 +/2(cr, At)/4(3.18)其中“与之间关系可通过第二章关系式(2.24) (2.28)求得。3-2-2基于超磁致伸缩材料和光纤光栅的电流传感系统组成及工作原理根据Terfeno

11、l-D层状粘结复合棒的磁致伸缩特性、光纤光栅应变传感机理以及M-Z干涉仪的波长解调原理即可设计出基于Terfenol-D层状粘结复合材料、FBG以及M-Z干涉仪的交流电流传感系统，其结构如图3.4所示。电流传感器2F-P月空PD检测放大电路电流传感器n图3.3基于Terfenol-D层状粘结复合材料、FBG以及M-Z干涉仪的交流电流传感系统组成Fig. 3.3 AC current sensing system based on giant magnetostrictive material and fiber Bragg grating基于 Terfenol-D层状粘结复合材料、FBG以及M

12、-Z干涉仪的交流电流传感系统主要由宽带光源、粘贴有FBG的Terfenol-D层状粘结复合棒以及通过两段长度差为AL的光纤输入端与输出端分别连接2x2耦合器0C （耦合比CR为L 1）和3x3耦合器0C （耦合比CR为1： 1： 1）连接的M-Z干涉仪三部分组成。根据光纤M-Z干涉仪的光纤光栅波长解调系统工作原理，首先应当对生、刈值的进行标定，具体过程是通过切换光开关1的位置，使光源输出的光信号经光开关1、可调谐F-P腔与光开关2以及2x2耦合器0C的其中一个输入端口，作为光纤M-Z干涉仪的输入信号，根据系统采样结果求出/、凡、的值，并将该组数据作为后续测量的实际计算值。在具体测量过程中，切换

13、光开关1的位置，使宽带光源输出信号经光开关3dB耦合器进入基于Terfenol-D层状粘结复合材料、FBG以及M-Z干涉仪的交流电流传感单元，当电流信号作用于电流传感器时，超磁致伸缩材料的应变会随交流电流信号的变化而变化，粘贴于超磁致伸缩材料之上的光纤光栅的反射谱中心波长会反应该变化，光纤光栅反射的光信号（携带有电流传感信号）经3dB耦合器与光开关2进入光纤M-Z干涉仪波长解调系统，M-Z干涉仪的输出经PD检测、处理并显示即可再现被测电流信号。3-2-3基于超磁致伸缩材料和光纤光栅的电流传感器计算结果与分析通过第二章与第三章的理论分析与实验研究可知超磁致仰缩材料的磁致伸缩与磁场之间为偶函数关系

14、,即材料的磁致伸缩随外加磁场的大小的变化而变化，与外加磁场的方向无关，而且预应力会导致超磁致伸缩材料的磁致伸缩与磁场关系曲线斜率变化，因此，将超磁致伸缩材料用于交流电流传感时应重点考虑偏置电流的选择与预应力对传感器的灵敏度及测量范围的影响。下面对不同偏置磁场、不同预应力下交流电流传感器的输出特性进行仿真分析，以指导该传感器在工程实际中应用。仿真分析中选择驱动线圈匝数N = 1000, Terfenol-D棒长/ = 50mm,其中与超磁致伸缩材料有关的参数选择与第二章相同。图3.5为预应力gOMPa、偏置电流依0A时，输入电流的幅值不同时，TERFENOL-D层状粘结复合材料和FBG交流电流传感器输入电流与输出信号之间关系。其中实线为输入电流，虚线为传感器输出信号。显然，偏置电流/o=OA时，不论输入电流为何值，输出信号与输入信号间有明显的倍频现象。当输入电流较小时，输出电流的幅值很小，且有明显畸变，随着输入电流的增加，输出信号的幅值能够跟随输入电流的变化，当输入电流幅值进一步增加时，输出信号的幅值明显小于输入信号幅值，即输出信号不能反映输入电流的变化，传感器不能实现有效测量。以上现象与超磁致伸缩材料特性有关。首先，超磁致伸缩材料磁致伸缩与磁场方向无关，因此偏置电流为零时，传