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.doc

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川燕 山 大 学2013 年 6 月 45 / 55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：电力系统与其自动化 学生 ：川学 号：2 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2学生川专 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；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。光纤传感器与其应用技术。大学，20083、勇.光纤传感原理与应用技术。清华大学，2007周 次第14 周第58周第912周第1316周第1718周应完成的容查阅收集相关资料，对研究容进行初步学习提出设计原理与设计方案系统的设计与仿真完成论文初稿与修改撰写论文，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 日摘要在电力系统中电流的检测具有重要的作用，其检测精度以与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、与交叉敏感特性，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，设计了驱动线圈以与偏置线圈的线径、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AbstractThe current measurement is quite important in the power industry, its'precision and reliability related the safety and economy of operation in electric power system closely.With the development of power, conventional current transducer can't meet requirements. Now the optical current transformer(OCT) have potential application cost because of it'sunique 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 grating目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 国外研究现状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41附录42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、动态围小、频带窄以与有油易燃易爆等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在必行，目前研究重点是利用光学传感技术来检测电流，即用光电子学的方法和光纤传感技术来发展所谓的光学电流互感器( optical current transformer，简称OCT )。光学电流互感器是将被测电流转换为光信号进行传输来实现电流互感。目前在电力系统的发电、输电、变电等领域，尤其是对高压系统的测量和监控方面，光学电流互感器具有明显的优越性，是传统电磁式电流互感器的理想替代产品2。光学电流互感器克服了传统电磁式电流互感器的很多缺点，具有如下几个方面的优点：绝缘性能好，成本低。在OCT中，用来做传感元件的光学材料、传输信号的光纤都是良好的绝缘材料，结构简单，降低了成本；不含铁心，不会产生磁饱和与铁磁共振，因而系统运行稳定性好，适用于大电流的故障诊断；可靠性强，无二次开路产生高压的危险以与避免了因充油引发的易燃易爆等危险；测量频带宽。OCT的测量频带围完全由信号处理部分的电子线路所决定；抗电磁干扰性能好；重量轻，体积小，节约占地面积，安装方便;能够适应电力系统数字化、智能化、网络化的需求。所以目前光学式电流互感器在电力系统中，有着广泛的发展前途和应用前景。 光学电流互感器的现实意义体现于三个方面：一、光学电流互感器的研究作为现代科学技术发展进步的技术基础之一，起着先导性的作用；二、光学电流互感器的运用保证了现代电力行业的高效安全生产，在更大的程度上提升了人民的生活质量；三、光学电流互感器属于高新技术产业，具有高增长、高回报的特点。所以，研究开发新型光学电流互感器对促进我国的国民经济的发展具有十分重要的地位。1.2 国外研究现状 光学电流互感器主要研究方案有两种：基于法拉第磁光效应的电磁式电流互感器，基于磁致伸缩效应的光学电流互感器。 基于法拉第磁光效应的电磁式电流互感器包括全光纤电流互感器以与块状玻璃光学电流互感器两种。其中全光纤电流互感器具有光路简洁，制作方便，可靠性好的优点，不过外界环境温度、入射偏振面以与光纤本身双折射等因素能较大的影响输出的灵敏度。从1973年来自英国的科学家A. J. Rogers提出全光纤电流的设想以来，许多研究人员在研究全光纤型电流互感器上投入了大量时间和精力，但是到目前为止，其受到温度因素以与现行双折射的问题依然并未有效解决，从而也限制了其发展3。采用具有较高菲尔德常数的一整块光学玻璃作为核心传感元件的块状玻璃光学互感器，其受到线性双折射的影响较小并且选择材料的围很广泛，但是其块状玻璃有着易碎，成本高昂等缺陷。其中B.C.B.Chu等人联合设计的块状玻璃光学电流互感器在1 A3 kA的测试围，获得的分辨率为20mA/Hz，并可在频率1 Hz1OkHz围能够得到平坦的频率响应7。到目前为止块状玻璃光学电流互感器是实际经验最为丰富，挂网运行最多，并且稳定性最好的一种光学电流互感器。 基于磁致伸缩效应的光学互感器进行了近二十年的研究工作。最初的磁致伸缩材料是由镍合金等材料构成，这种材料伸缩系数小，精度比较低，从而约束了它的发展。80年代时美国阿姆斯实验室研制成功了新型的超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Materials，GMM)并且率先实现商品化。起初在1989年时是由美国前沿技术公司开始成产销售，随后瑞典、口本、俄罗斯、英国等国家也相继研发出类似产品。我国对GMM开始的研究时间比较晚，但是发展速度很快，到目前为止科技大学、稀土研究所、有色金属研究总院以与天星稀土材料等单位都从事着GMM的研发，成效很好，GMM的一些主要性能指标基本上达到了国际同类产品的水平。将GMM用在电流互感器通常是采用在GMM圆柱体周围绕上光纤、光纤粘贴在GMM材料上或是将GMM金属膜镀在光纤表面等方法。美国的D.C.Larson,N.NaderRezvani和捷克的M. Sedla将GMM周围缠绕上光纤利用M-Z干涉仪完成了电流测量实验，取得了实验阶段性的成果。通过紫外光对光纤进行照射，使得光纤芯折射率发生变化而形成芯体布喇格光栅的光纤布喇格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)传感技术，对于满足布喇格条件的入射光中90%以上的窄带光谱能够实现反射，反射谱的中心波长只是由FBG的周期以与有效折射率所决定4。而FBG的周期和折射率只受物理量应变和温度的影响，对其他物理量不敏感。所以发生应变或是温度变化会使FB G的中心波长发生偏移，通过解调仪或是其他检测手段测出波长的偏移量就能得出应变或是温度的变化情况。自从FB G被应用以来，将FBG与GMM结合起来作为电流互感器成为国外学者研究的主要方向。国很多大学如南开大学、理工大学、燕山大学等对GMM-FB G相继展开了研究实验，也都取得不错的结果，不过更多的是把如何消除实验影响因素方面作为研究重点。GMM-FBG作为电流互感器，温度是唯一影响因素，对于如何消除温度影响，国外学者都提出很多方案：D.Reilly提出的基于GMM-FB G的电流传感系统能同时完成电流和温度的测量，通过温度变化能引起FBG的波长偏移原理从电流的信号中读取出温度的变化 10。综上所述，至今为止对GMM-FBG电流传感系统的研究仍然仅限于处在螺线管产生的磁场条件下，而难以应用到实际的电路测量。工频交流的测量研究上应用GMM-FBG传感系统仅仅开始于2004年，而且绝大多数焦点在于如何减小温度影响方面。1.3 光纤光栅传感应用概况80年代后期产生的光纤布喇格光栅，自从问世以来，其传感技术就成为光纤传感技术中最具活力的一种技术 5。在建筑、石化、核工业等行业中得到了深入研究和广泛应用，虽然在电力工业中的应用研究起步较晚，正处于研究的初始阶段，但其良好的绝缘性能、抗电磁干扰特性与体积小等长处，使其成为处于强电磁场中电气设备在线检测的最佳选择，在电力系统中有着更为广阔的应用前景。1.民用工程结构中应用 光纤光栅传感器应用最活跃的领域是民用工程中的结构监测。在桥梁、大坝、隧道、高层建筑和运动场馆的维护上基础结构的状态、力学参数的测量是至关重要的，通过测量建筑物的分布应变，可以预测局部荷载的状态。有一座跨度72米的预应力混凝土桥耸立在德国德累斯顿附近高速公路上，德累斯顿大学的Meissner等人将光纤布喇格光栅埋进桥的混凝土棱柱中，进而测量荷载下的基本线性响应，并用常规的应变测量仪器作了相应的对比试验，充分证实了光纤光栅传感器的现实可行性 6。2.石油化学工业中的应用 石化工业是当今世界上经济的主体行业，但是带有易燃易爆的危险，用于诸如油气罐、油气井、油气管等地方的测量存在不安全的因素需要运用电学传感器。光纤光栅传感器因为自身的优势安全性非常适合应用在石油化工领域里”。3.核工业中的应用 作为新兴能源行业的的核工业，最大的缺陷就是高辐射，核泄漏对人类是一个很大的威胁，贝尔格利核电站泄漏的巨大影响至今还没有完全消除，因此对于核电站的安全检测与其重要。核废料的管理措施也变得更加重要，需要有特定的监测网络来监视核废料站的具体状况，对监视网络长期稳定的高要求也是前所未有的。与此同时，由于核装置逐渐老化，需要更多的维护、修理、保养，乃至最终必须被拆除，而所有这些都在设计时没有预见，因此需要更多更好的传感器以便遥控设备，进而处理不确定情况。日本核能研究院1999年4月2000年3月的年度报告中提到，通过辐射环境测试能确保光纤光栅用于核电厂设备和管道方面的传感，并可在几乎整个反应堆寿命期间忍耐着核辐射。目前，光纤光栅传感器已用于核电厂的混凝土变形测量等诸多实际情况中。4.航空航天业中的应用 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。5.医学中的应用 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。6.电力工业中的应用 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与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。2003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，与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。1.4 课题研究的主要容 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KOHill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与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。2.1 光纤光栅特性介绍2.1.1 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2-1 光纤光栅的基本原理图如图2-1所示，光纤光栅作用实质上是在纤芯形成一个窄带的(透射或反射)滤波器和反射镜，光源产生的光为，能够透射出光纤的光为，其余照射光纤后由于与光栅中心波长一样的光会被反射回来，这部分光被称为。2.1.2 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Bragg波长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2-2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90°，则有以下公式： （2-1）该公式也可写作： （2-2）式中 栅格周期。常被称作纤芯有效折射率，显然<<，所以式2-1与式2-2可被写作：（2-3）图2-2 光纤光栅分析图（2）反射谱带宽反射光的波长为，显然它具有一定的带宽，公式如下：（2-4） 式中 L光栅长度（mm）。（3）峰值反射率 最大的峰值反射率由下面公式求出： （2-5）2.1.3 光纤光栅的传感原理 非常广泛用于压力、应变、温度与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2-3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2-3 光纤光栅传感原理图2.1.4 光纤光栅传感模型的建立 由公式可知，光纤光栅周期和纤芯折射率的改变决定了光纤光栅的中心波长的变化，相应的变化量和致使符合Bragg波长条件的反射波长发生变化 8。从而可有： （2-6） 当光纤光栅受到温度变化和应力作用时，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变化时，Bragg波长偏移一方面是因为热光效应使其折射率发生了变化，即： （2-7）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： （2-8）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： （2-9）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： （2-10）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： （2-11）式中轴向的应变量。相对介电抗渗量与介电常数的关系为： （2-12）可有： （2-13）式中 某方向上的光纤折射率。由于此处是轴向力作用的方向，所以用替代，并由轴向应变公式，所以光纤光栅方程为：（2-14）材料的弹光性质为： （2-15）式中 材料的弹光系数。又由式（2-3）可有：（2-16）式中 ，光纤的泊松比，并有如下关系：（2-17）由此可得因应力作用而引起Bragg波长的变化为：（2-18） 式中 （2-19）在一般的石英光纤中，与材料有关的系数0.22，因此式（2-18）可化为： （2-20）（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，则在温度变化之光纤光栅的弹光系数和泊松比以常数对待，进而可得出应变温度的交叉灵敏度系数为： （2-21） 可以被整理为： （2-22） 而一般的光纤光栅，温度为0100和应变为01.0的测量围之时，经过测试，因为温度产生的误差为0.77，因为应变产生的误差极小，所以光纤光栅交叉灵敏度对实验结果的影响不大。忽略交叉灵敏度的影响后，Bragg波长偏移在应变和温度的共同影响下表示为： （2-23）由上式可知，在实际的测量中，应当考虑到去敏和增敏的问题，即降低增加被测量的灵敏度，降低非被测量的灵敏度。2.2 磁超致伸缩材料的基本特性2.2.1 超磁致伸缩材料特性研究自20世纪70年代以来迅速发展起来的本质为稀土一铁系金属间化合物的超磁致伸缩材料GMM是一种新型功能材料，这种材料的磁致伸缩系数比一般磁致伸缩材料高约102103倍，由此被称为超磁致伸缩材料并有优势：机械响应快、功率密度高。在所有商品材料中，稀土超磁致伸缩材料是在物理作用下应变值最高、能量最大的材料。70年代才发现的新型材料TerfenolD，由美国依阿华州阿姆斯实验室率先研制成功。其与纯镍和压电瓷（PZT）的性能如下表所示：表2-1 Terfenol-D与纯镍以与压电瓷(PZT)的性能比较参数Terfenol-DNiPZT饱和磁致伸缩应变1500200035-40100600能量转换效率(%)495692352响应时间<1抗拉强度(MPa)2876抗压强度(MPa)700承载能力(MPa)204通过上表的性能比较可以知道，与压电瓷以与一般磁致伸缩材料相比，TerfenolD有着以下优势：（1）磁致伸缩应大小纯Ni大50倍，比PZT材料大525倍，比纯Ni和Ni.Co合金高400800倍。 （2）其磁致伸缩性能不随时间发生改变，稳定性较好，可靠性较高，无疲劳，无过热失效问题。（3） 响应时间仅为百万分之一秒，适用于制造快速执行器件。（4） TerfenolD为基础制备的器件所需要的驱动电压较低，而其它材料制成的器件则需要达到几千伏。（5） 工作频带的围很广，有着很好的频率特性，可在低频下工作。（6） 能量转化率明显高于ni和压电瓷，具有不可替代的优势。 目前，国外科研工作者都非常重视超磁致伸缩功能材料与元件、应用器件研制开发的一体化。迄今为止，已经有1000多种GMM器件问世，应用面涉与电子、机械、航空航天、国防军工、农业、石油、纺织等领域，极促进了相关产业的技术进步。根据磁致伸缩材料特性，其主要的应用领域有：高能微型机械功率源；新型飞机和空间站振动主动控制；新型飞机自适应机翼；高精度快速微位移致动器；大功率低频声纳系统。此外，利用磁致伸缩材料的较大磁致伸缩性能，从而可以改变光导纤维的间距大小，达到改变波长的目的，同时在汽车行业中磁致伸缩材料作为一种非常灵巧的材料也显示出广阔的前景。2.2.2 超磁致伸缩材料的基本原理 外磁场中的铁磁体被磁化后，其体积和长度会发生相应的变化，这种现象被称之为磁致伸缩效应。1842年时焦耳首先发现这种现象，因此磁致伸缩效应也被称为焦耳效应。（1） 体磁致伸缩效应这指的是铁磁体在磁化过程中体积发生的收缩或者膨胀，用w表示磁致伸缩系数，则有。其中V表示铁磁体的原始体积大小，表示铁磁体磁化后体积的变化。（2）线磁致伸缩效应这是指铁磁体在磁化过程中发生线性的伸长或是收缩，如下所示。线磁致伸缩系数用表示，。其中为铁磁体的长度，表示铁磁体在方向上的伸长量。当>0时表示铁磁体沿磁场的方向伸长，垂直于磁场方向缩短，称为正线磁致伸缩；当<0表示铁磁体沿磁场的方向缩短，垂直于磁场方向伸长，称为负线磁致伸缩 9。图2-4 铁磁体线磁致伸缩效应示意图由于铁磁体的体磁致伸缩效应很小，所以目前对铁磁体的磁致伸缩效应的研究工作主要集中在线磁致伸缩效应方面，所以磁致伸缩效应通常指线磁致伸缩效应。磁致伸缩系数兄与温度和磁场相关。随着温度的变化，会发生变化，当温度达到居里温度时，磁致伸缩效应将会消失。在一定的温度下，随着磁场的增大而增加，当磁化强度达到饱和时，也会达到一个饱和值，这个值称为饱和磁致伸缩系数。这个数用表示，对于己知铁磁体是一个常数。是一个可正可负的系数，其正负是这样定义的:随磁场强度H的增加至饱和状态，铁磁体沿磁化方向发生伸长，则为正;随磁场强度H增加至饱和状态，铁磁体沿磁化方向发生缩短，为负。几种铁磁体磁致伸缩系数随磁场强度变化如下图所示。图2-5 几种铁磁体磁致伸缩系数随磁场变化示意图 除磁致伸缩效应以外，磁致伸缩材料还有以下几种效应 10(1) Villari效应。即磁致伸缩的逆效应，当磁致伸缩材料发生形变或是受到应力作用下会引起材料的磁化状态发生改变的现象。(2)效应。随着磁场的变化，磁致伸缩材料的氏模量也会发生变化的现象。(3) Viedemauu效应。在磁致伸缩材料上形成适当的磁路，磁路过电流时，发生扭曲变形的现象。(4) AutiViedemauu效应。磁致伸缩材料受到外力发生扭曲变形时，会在二次线圈中有电流产生的现象。(5) Jump效应。对磁致伸缩材料施加适当的预应力，在外磁场变化下，磁致伸缩效应会产生跃变式的增加，磁化率也会发生改变的现象。2.2.3 超磁致伸缩材料传感模型的建立超磁致伸缩材料在外加磁场的作用下产生磁致伸缩效应，其应变大小可表示为：（2-24）式中 超磁致伸缩材料的磁致应变量；施加预应力大小(Mpa) ； H外加磁场强度大小(kA/m) ；超磁致伸缩材料初始长度(m) ；伸长量 (m) 。 从式(2-24)可以看出，磁致应变量是受预应力与外加磁场强度大小的影响。当外加磁场强度大小不饱和、低频激励的情况下，的量值可有下面方程给出：（2-25）式中 给定磁场强度下超磁致伸缩材料的氏模量(N/)；材料在应变方向的预应力(Mpa) ；磁致伸缩系数或压磁系数。由式(2-25)可知:当氏模量和磁致伸缩系数q为已知时，磁致应变量与预应力和外加磁场强度H能够构成线性关系，即磁致应变量的大小取决于施加预应力的大小以与外加磁场强度的大小。当考虑到由磁场引起的磁滞效应时，式(2-25)则可表示为： （2-26） 可以看出在考虑到材料的磁滞效应时，超磁致伸缩材料的磁致应变量与磁场强度并不是完全的构成线性关系，在具体的实验中应根据具体的磁致伸缩材料的特性来建立传感模型。 超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应与温度有关，所以温度的变化对材料的影响也需要考虑，温度的变化对所产生的热形变的应变公式为： (2-27）式中 磁致伸缩材料的热膨胀常数。2.2.4 超磁致伸缩材料的应用特性 由磁致伸缩材料的结构与特性出发，在应用超磁致伸缩材料器件的设计时应综合考虑以下几个问题： （1）倍频和偏置磁场。由于超磁致伸缩材料在正反两个方向的磁场下发生的形变都是伸长的，所以产生应变的频率是驱动电流频率的两倍。如图2-6所示，材料的这种倍频现象可通过在棒上加一个恒定的偏置磁场来消除，并且施加偏置磁场后还能够减小磁致伸缩棒动态响应的不灵敏区域，使其应变的线性度更好并且能够得较大的动态磁致伸缩系数。偏置磁场的大小约为曲线线性部分一半处所对应的磁场。目前提供偏置磁场的手段主要有两种，一种是永磁体，一种是直流线圈 11。图2-6 倍频现象图 （2）驱动磁场。当磁致伸缩材料由交变磁场驱动时，交变磁场由驱动线圈产生。驱动磁场一般不超过超磁致伸缩材料的-H曲线的线性区，并根据材料特性曲线来设计驱动线圈的尺寸、线径和匝数等。（3） 驱动频率。磁致伸缩材料因为棒或薄片的涡流损耗导致了其高频限制。当线圈中的电流频率较高时，在超磁致伸缩棒中产生感应电流，涡流导致能量损失并且产生反向磁场，降低了有效磁导率与电感。图2-7显示出了超磁致伸缩棒的直径与涡流临界的频率之间关系曲线，可见随着超磁致伸缩棒直径的增大，则临界频率降低。要想提高工作频率，棒的直径需要相应地减小。对于在高频(如20kHz以上)状态下工作时，则必