本科毕业设计（论文）基于磁致伸缩效应的光纤光栅电流检测技术研究张川燕 山 大 学2013 年 6 月 本科毕业设计（论文）基于磁致伸缩效应的光纤光栅电流检测技术研究学院（系）： 电气工程学院 专 业：电力系统及其自动化 学生 姓名： 张 川 学 号： 090103030032 指导 教师： 滕 峰 成 答辩 日期： 2013年6月23日 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院： 电气工程学院 系级教学单位：电力工程系 学号090103030032学生姓名张川专 业班 级09电力1班题目题目名称基于磁致伸缩效应的光纤光栅电流检测技术研究题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容1. 超磁致伸缩材料在电流检测方面的理论研究2. 光纤光栅电流检测的基本原理3. 基于超磁致伸缩材料交流电流传感器的理论分析4. 基于超磁致伸缩材料交流电流传感器的仿真基本要求1遵守毕业设计期间的纪律，按时参加答疑；2独立完成设计任务，培养基本的科研能力；3设计说明书一份（不少于2万字），A1图纸一张；英文资料翻译不少于3千字；说明书要求条理清晰、文笔通顺，符合毕业设计撰写规范的要求；论文、图纸中的文字符号符合国家现行标准；4完成相关仿真实验，并反映在论文中，以附件的形式给出编写的程序清单。参考资料1、王博文.超磁致伸缩材料设备与器件设计2、黎敏，廖延彪。光纤传感器及其应用技术。武汉大学出版社，20083、赵勇.光纤传感原理与应用技术。清华大学出版社，2007周 次第14 周第58周第912周第1316周第1718周应完成的内容查阅收集相关资料，对研究内容进行初步学习提出设计原理及设计方案系统的设计与仿真完成论文初稿及修改撰写论文，准备答辩指导教师：滕峰成职称：副教授 年 月 日系级教学单位审批： 年 月 日摘要摘要在电力系统中电流的检测具有重要的作用，其检测精度以及可靠性与电力系统的安全运行密切相关。传统的电磁式电流互感器随着电力行业的发展己经难以满足需求。目前光学电流互感器因其明显的优越性为电流检测提供了很大的应用价值，是将来电力系统在电流检测方向发展的趋势之一。本文在借鉴现有光学电流互感器的基础上，提出了基于超磁致伸缩材料的光纤光栅电流测试技术，主要工作包括：对光纤光栅的传感原理进行深入分析，根据光纤光栅的应变特性、温度特性、及交叉敏感特性，推证了相应的传感模型；分析了超磁致伸缩材料的传感特性在此基础上对超磁致伸缩材料的光纤光栅电流传感器进行了设计，并完成了传感器对高压母线上电流进行检测的理论计算。分析对比了现阶段常用的几种不同的光栅波长解调方法并设计了适合本方案的解调系统：可调谐F-P滤波解调系统，并对解调系统中的核心元件进行了选型。在理论设计的基础上构建了相应的实验系统。具体分析了预应力、温度、偏置磁场等因素对实验的作用效果，设计了驱动线圈以及偏置线圈的线径、尺寸。完成了直、交流电流的测试实验，并对实验结果进行了进一步的分析、处理。关键词 电力系统；光学电流互感器；超磁致伸缩材料；光纤光栅I 燕山大学本科生毕业设计（论文）AbstractThe current measurement is quite important in the power industry, itsprecision and reliability related the safety and economy of operation in electric power system closely.With the development of power, conventional current transducer cant meet requirements. Now the optical current transformer(OCT) have potential application cost because of its unique advantages will be used to replace conventional current transducers in the future.In this paper, on the present situations in the field of OCT, a novel electrical current sensing configuration is constructed based on fiber bragg grating and giant magnetostrictive material. The content of this research includes:In the depth analysis of fiber grating sensing principle,the corresponding mathematical model are 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 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.With the advantages and disadvantages of various demodulation methods are analyzed, and the appropriate demodulation is designed: tunable F-P filter demodulation system.On this foundation of theoretical design, the experiment 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. Completion of the DC and AC testing experiments, and the experiment result are analyzed.Keywords Power system; Optical current transformer; Giant magnetostrictive materials;Fiber bragg gratingIII 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 国内外研究现状21.3 光纤光栅传感应用概况3第2章 光纤光栅电流传感器的设计72.1 光纤光栅特性介绍72.1.1 光纤光栅的基本原理72.1.2 光纤光栅的特征参量82.1.3 光纤光栅的传感原理92.1.4 光纤光栅传感模型的建立92.2 磁超致伸缩材料的基本特性122.2.1 超磁致伸缩材料特性研究122.2.2 超磁致伸缩材料的基本原理142.2.3 超磁致伸缩材料传感模型的建立152.2.4 超磁致伸缩材料的应用特性162.3 电流传感器的设计182.4 本章小结20第3章 光纤光栅电流检测系统设计213.1 光纤光栅传感信号解调方法213.1.1 光谱仪213.1.2 边缘滤波法223.1.3 匹配光栅法233.1.4 非平衡M-Z干涉解调法233.2 实验所用传感信号解调方法一可调谐F-P滤波法233.3电流检测系统整体设计263.4 本章小结30第4章 电流传感器的仿真314.1 传感器电流检测实验仿真314.2 不加偏置电流情况下交流电流检测实验324.3 施加偏置电流情况下交流电流检测实验344.4 实验结果分析354.5 本章小结35结论37参考文献39致谢41附录42III第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题背景长期以来，在电力系统运行中，一直是由传统的电流互感器来完成高压电网的电流测量工作。由于对电流检测系统和继电保护系统智能化、自动化等要求的不断提升，使电流互感器的研究发展十分迅速。然而随着社会对电力需求量和输电距离的增大，发电行业和高压工程行业越来越注重采用大幅度的提高电压等级的方式来提升输电效率，目前我国电网的最高电压等级已达500kV。随着电压等级的提高，传统的电磁式电流互感器暴露出一系列严重的缺点：磁饱和、铁磁谐振、绝缘难度大、动态范围小、频带窄以及有油易燃易爆等1。因此对于电力系统的发展需要，传统的电流互感器已经难以满足其要求。在这种背景下，寻求更理想的新型电流互感器已势