（电力电子与电力传动专业论文）基于光纤bragg光栅的光学电流互感器的研究.pdf

东北电力大学硕卜学位论文 a b s t r a c t t h ec u r r e n tt r a n s d u c e ri st h ei m p o r t a n td e v i c ef o rp o w e rm e t e r i n ga n dr e l a y i n g i t sp r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t yi sc l o s e l yr e l a t e dt ot h es a f e t ya n de c o n o m yo fo p e r a t i o n i n e l e c t r i cp o w e rs y s t e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e ri n d u s t r y , c o n v e n t i o n a l c u r r e n tt r a n s d u c e rc a n tm e e td e m a n d s w h i l eo p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r m e r ( o c t ) h a s p o t e n t i a la p p l i c a t i o n c o s tb e c a u s eo fi t s u n i q u ea d v a n t a g e s ，a n dw i l lb eu s e dt o r e p l a c ec o n v e n t i o n a lc u r r e n tt r a n s d u c e r si nt h ef u t u r e f i r s t l y , i nt h i sp a p e r , t h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o n , d e s i g nt e c h n i q u e sa n d e x i s t i n gp r o b l e m s mt h ef i e l do fo c t 删r e v i e w e da n da n a l y z e dt h r o u g he x t e n s i v e r e a d i n go f t h es c i e n t i f i cp a p e r sa n dr e p o r t s a f t e rc a r e f u l l y s t u d y i n gt h ep r i n c i p l eo f f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) i l s o ra n dm a g n e t o s t r i e t i o ne f f e c t ，t h em o d e l so fs t r a i n v i a b i l i t y a n d t e m p e r a t u r e $ e l l s o ra l e e s t a b l i s h e d r e s p e c t i v e l y b a s e d o nf b g s i l s c 印曲i l 崎t os t r a i na n dt h em a g n e t o s t r i c t i o ne f f e c to fg i a n tm a g n e t o s t r i e t i v e m a t e r i a l s ( g m m ) ，t h i sp a p e rp r o p o s e san e wo c td e s i g nm e t h o d s e c o n d l y , t h en o n l i n e a r i t yc h a r a c t e ro fg m m i si n h i b i t e de f f e c t i v e l yb yu s i n g o p t i m a ld e s i g no f t h e s e n s o rh e a ds t r u c t u r ea n da d d i n gp m p e rb i a sm a g n e t i cf i e l da n d p r e - s t r e s s i n gf o r c e ，a n dt h em a g n e t i ch y s t e r e s i s o fm a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a li s r e d u c e da sw e l l ，t h e r e f o r e ，t h el i n e a rt u n i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nf b gw a v e l e n g t h s h i f t sa n dt h eg m ma x i a ls t r a i nv a r i a b l ec a l lb ea c h i e v e d t h et e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e db yu s i n gt h es e r i e sc h a r a c t e r i s t i co ff b g t os o l v e s h i f tp r o b l e mi n d u c e db yt e m p e r a t u r ew h i l et h ef b gi sm o d u l a t e db yg m m ，w h i c h m a k e st h er e p e a t a b l em e t e r i n go f c u r r e n tp o s s i b l e i nt h i sp a p e r , t h eo c tb a s e do nf b ga n dg m mi sr e s e a r c h e ds i g n i f i c a n t l ya n d f i m d a m e n t a l l y , a n da n e wr e s e a r c ha p p r o a c hf o ro c ti se s t a b l i s h e d k e yw o r d s ：o p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r m e r ；f i b e rb r a g gg r a t i n g ：g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v e m a t e r i a l s ；t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n 1 i 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书： 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报： 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 一 ，l 论文作者签名：i 蟊包缝 日期：盥 年三一月三生日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名：蓝趁盔 导师签名：蔓选 日期：1 2 年l 月2 l 日 日期：上年上月生日 日期： 翌z 年王_ 月二= _ 一日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景和意义 电流互感器( c u r r e n tt r a n s f o r m e r ，c t ) 是电力系统最普遍、最基本的高 压设备之一。它的职能就是对电力系统中最基本的物理量之一电流的测量。因 而它的可靠性、测量准确度与电力系统的安全可靠和经济运行密切相关。随着 科学技术的发展，大容量发电机组的投入和输电电压等级的提高成为现代电力 系统发展的必然趋势，这就要求c t 的绝缘等级越来越高、动态范围越来越大。 而常规的电磁式c t 受自身原理的局限，主要存在两方面难以克服的缺陷“2 1 ：一 是绝缘问题。随着电压等级的提高，电磁式c t 绝缘越来越困难，费用昂贵；二 是铁芯磁饱和问题。传输容量的增加，分裂导线的使用，导致线路故障时短路 电流加大，非周期的直流分量衰减更慢，更容易引起电流互感器的暂态饱和。 此外，电磁式c t 还存在着充油易爆炸、二次负荷不能开路、易受电磁干扰、体 积大、过于笨重的缺陷。针对这些问题，人们作了多方面的努力，其中最有竞 争力和应用前景的当属充分发挥光学传感技术的优势，以实现对电流的检测和 有效保护整个系统的光学电流互感器( o p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r m e r ，o c t ) ， 这也是世界各国积极开发这一技术的动力。 随着光纤通讯技术的飞速发展，光纤传感技术迅速拓展至各个领域“。光纤 传感器已用于测量温度、压力、流量、位移、弯曲、速度、电压、电流等诸多 物理量。由于光纤具有耐高压、防爆、抗电磁干扰等优点，因而将其应用于电 力系统高压大电流的测量，形成所谓光学电流互感器。 与传统电磁式c t 相比，( 1 e t 具有如下优点“”： 1 优良的绝缘性能，造价低。在o c t 中，信息是由绝缘材料的玻璃光纤传 输的，结构简单，降低了成本。 2 不含铁心，消除了磁饱和、铁磁谐振，因而系统运行稳定性好，可靠性 高。 3 抗电磁干扰性能好，二次侧无开路高压危险。由于o c t 的高低压之间只 存在光纤，且用光传输被测信号，因此，二次侧无高压危险，同时无电磁干扰。 东北电力大学硕十学位论文 4 暂态响应范围大，测量精度高。o c t 的测量通道额定电流可从几十安培至 几千安培变化，因此有很宽的动态响应范围。 5 频率响应范围宽。o c t 的测量频率范围主要决定于电子线路部分。 6 无易燃、易爆的危险。o c t 一般采用阻燃光纤，光信号功率很小，不会引 起燃烧与爆炸。 7 体积小、重量轻。 8 实现了数字化、微机化和自动化。 综上所述，开展o c t 研究的现实意义主要体现在以下三个方面：首先从科 学层面来讲，开展o c t 的研究是现代科学技术进步的技术基础之一，起着先导 作用；其次从技术层面来讲，开展o c t 的研究是现代电力工业安全高效生产， 人民生活质量提高的重要手段；再次从产业层面来讲，o c t 属于高新技术产业， 具有高增长，高收益的特点。由此可见，研制开发新型的o c t 对促进我国国民 经济的发展具有十分重要的意义。 1 2 国内外研究现状 在世界范围内对o c t 的应用研究，从6 0 年代兴起，7 0 年代形成高潮，但当 时仍处于精度低、温度影响没有较好解决的阶段。进入8 0 年代以来，光电子技 术、p c 微机、单片机及数字处理器技术的兴起与成熟，为研制出高性能的o c t 奠定了基础。到2 0 0 0 年为止，a b b 公司已经研制出可用于6 9k v 到7 6 5k v 电压 等级的o c t ，测量电流范围为5a 2l 【a ，准确度达到- + 0 2 。同时，他们研制 了用于g i s 中的复合电子式电压、电流互感器，电流测量范围为5a 2k a 。电 压测量范围为6 9 5 0 0k v ，准确度都达到0 2 ，电压测量是直接使用电容环 测量，不用分压器旧。 美国的五大电力公司各自在1 9 8 2 年左右成立了o c t 专题研究小组，且研制 成功了1 6 1k v 独立式o c t ( 1 9 8 6 1 9 8 8 ) ，1 6 1w 组合式o c t y e 学电压互感器 和1 6 1k v 的继电保护式o c t ( 1 9 7 8 ) 。 法国的a l s t h o m 公司利用f a r a d a y 效应研制了一套o c t ，在一3 0 5 0 的范 围内准确度达到o 2 。2 0 0 0 年，他们研制的3 6 2k vo c t 已经开始向l c r a 和 c i n e r g y 等美国公司供货。 第1 章绪论 日本的东电、东芝、佳支等公司除研究5 0 0k v 、1 0 0 0k v 高压电网计量用 的o c t 外，还进行5 0 0k v 以下的直到6 6k v 电压等级的零序电流、电压互感 器适用的光学c t p t 的研究。三菱公司制造的6 6k v 、6 0 0 a 的组合式光学零序 电流电压互感器，经过长期运行试验，满足j e c l 2 0 1 - 1 9 8 5 标准，已在1 9 8 9 年 末通过实验鉴定。 目前国内外许多科研机构和大专院校的研究人员正致力于o c t 等新型互感 器的研究。我国的清华大学、华中科技大学、上海科技大学、西安交通大学、 燕山大学、大连理工大学、沈阳沈变互感器制造有限公司和上海m w b 互感器制 造有限公司等都在o c t 的研究中投入了很多人力和物力，也取得了一定的成果。 其中，清华大学和中国电力科学研究院利用国家自然科学基金共同研制1 1 0k v o c t ，它们于1 9 9 1 年通过国家鉴定并挂网试运行。华中理工大学与广东新会供 电局于1 9 9 3 年1 2 月在广东新会供电局大泽变电站进行正式挂网运行，于1 9 9 4 年通过原电力部鉴定，对外公布技术指标为1 1 0k v ，1 0 0 3 0 0 a ，精度为0 3 级。 其中，r o g o w s k i 空心线圈结合现代集成电子技术作为电力电流互感器，以其突 出优点，得到了广大研究人员的青睐。 燕山大学光电子技术研究所在河北省科委的高新技术专项基金资助下，已 经研制成功了额定电压1 1 0k v ，额定电流lk a ，精度为0 2 级的混合式o c t 样 机，并取得了良好的实验结果，将很快进行挂网试运行。 每年我国生产的互感器的数量是十分巨大的。例如在1 9 9 9 年，据对全国3 3 个重点互感器企业统计，生产互感器7 6 04 7 4 台，实现工业总产值达1 4 9 0 亿 元。其中1 1 0k v 及以上电压等级的互感器约1 78 0 0 台。据分析，在电压等级 达到1 1 0k v 及以上时，使用光电式互感器，就有经济价值。当o c t 的技术日臻 成熟并得到使用部门的逐渐认可后，部分地替代高电压电磁式互感器时，它的 市场潜力将是十分巨大的”1 。 1 3 光学电流互感器分类及原理 根据传感原理的不同，光学电流互感器主要有以下几种类型： 1 基于法拉第磁光效应的磁光式电流互感器( m a g n e t o o p t i c a lc u r r e n t t r a n s f o r m e r ，g o c t ) ： 2 基于电磁感应的混合式光电电流互感器( h y b r i d - o p t i c a lc u r r e n t t r a n s f o r m e r ，h o u r ) ； 3 基于磁致伸缩效应的光学电流互感器。 1 3 1 基于法拉第效应的磁光式电流互感器 采用f a r a d a y 效应测量电流是研究最早、投入力度最大的一种方法。 f a r a d a y 效应是指当一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时，线偏振光的 偏振面会线性地随平行于光线方向的磁场大小旋转。通过测量通流导采用体周 围线偏振光偏振面的变化，就可间接测量出导体中的电流值”1 。 基于法拉第效应的o c t 有两种实现方式：一种是利用石英玻璃块传感。一 种是利用光纤传感”，分别被称为块状晶体式磁光电流互感器( b u l ko p t i c a l c u r r e n tt r a n s f o r m e r ，b o c t ) 和全光纤电流互感器( a l l - - f i b e ro p t i c a lc u r r e n t t r a n s f o r m e r ，a f o c t ) 。 由于目前尚无准确测量偏振面旋转的检测器，通常将偏振面角度的变化转 换为光强变化，然后通过光电管将光信号转换成电信号，并进行放大，以正确 反映最初的电流信息。一般采用检偏器将角度变化转换成光强变化“”。 b o c t 结构简单，如图1 1 ，环境因素的影响阻碍了它的实用化进程。环境 温度的变化会影响磁光玻璃的y e r d e t 常数、起偏器和检偏器的相对位置、l e d 的输出光强以及电子线路的稳定性等。因此，温度对这种o c t 的影响是一个复 杂的、综合的过程。热应力、晶体加工带来的内部应力以及晶体安装应力等都 会导致双折射，影响测量结果。 自2 0 世纪7 0 年代开始，各国学者不断提出多种办法减弱温度和应力的影 响，以提高o c t 的测量准确度。瑞典的a a j a e c k l i n 和m l i e t z 、日本的 h k a t s u k a w a 和h i s h i k a w a 、英国的a c r u d e n 和z j r i c h a r d s o n 等人提 出，利用不同材料或者不同双折射主轴的磁光玻璃组合成的传感头，并根据不 同的测量值进行温度补偿“1 ；美国s q u a r e 公司的a u e d w a r d 通过测定检偏器 相对于磁光玻璃特征方向的最佳夹角来降低温度变化导致的双折射；瑞典的g f r o s i o 和r d a n d i i k e r 、英国的b y i 和a c r u d e n 、中国香港理工大学的李 第1 章绪论 俸感头 葫zl 碾焦：手f f 高压区 控 图1 1b o c t 系统示意图 光检测 电路 t ，光源 尔宁和华中理工大学的刘延冰等，利用互易的反射干涉来抑制线性双折射对全 光纤电流互感器的影响“；德国的p m e n k e 和t b o s s e l m a n n 、华中理工大学 的易本顺和刘延冰等，在信号处理模块中将两路输出信号分别做交直流分离后 和差相除，并旋转检偏器，以获荦导最小的湿度漂移“”；英国的g r j o n e s 和 g l i 、德国西门予公司的m w i l l s c h 和s m o h r 等，利用双波长或多波长光 源进行检测，以抑制温度和振动的影响“”；英国的b y i 和a c r u d e n 、日本的 t y o s h i n o 和y c h n o 等，利用增加光路长度的办法提高测量灵敏度“；日本 k h l d e n o b u 、清华大学的罗承沐和马仙云等，采取柔性固定措施减弱温度和应 力对磁光玻璃的作用。各种方法均在实验室条件下取得了一定的成果，但都不 同程度地存在着通用性差、装置复杂、受现场工况影响较大等缺点。 a f o c t 结构简单，安装方便。但它的测量准确度同样受双折射和温度的影响。 为了减弱双折射的影响，可以采用超低双折射光纤、高双折射光纤或圆双折射 光纤。旋轴光纤是超低双折射光纤中的一种，它是在光纤拉制过程中将普通光 纤的预制棒绕轴旋转而成。这种光纤的固有双折射几乎为零，但弯曲、压力等 因素仍然会导致双折射。澳大利亚的i g c l a r k e 利用旋轴光纤研制的s a g n a c 干涉式光电互感器大大减小了系统对温度的敏感程度，他所研制的装置对温度 东北电力大学硕士学位论文 的灵敏度仅为0 0 2 。高双折射光纤是在光纤中人为地引入极强的线性双折 射，光纤中两个正交模态的传输相位常数相差非常大，大大减小了由弯曲、微 弯、绞缠、扭曲所引起的模式耦合，光纤中偏振光的偏振态将保持稳定。圆双 折射光纤是由普通光纤绕轴线扭转而成，它的偏振态稳定，利用相反方向的扭 转可抑制温度变化对测量结果的影响，但它绕制光线圈的直径有一定限制。 与b o c t 类似，a f o e t 也可利用互易的反射干涉、合适的检偏器特征方向、 光纤的双包层设计以及双光路信号处理方式等来减小光纤的双折射。 无论是b o c t 还是a f o e t ，其传感头的测量准确度受运行环境影响较大，有 待于进一步深入研究。 1 3 2 基于电磁感应的混合式光电电流互感器 基于电磁感应的o c t 又称为混合型o c t ，如图1 2 ，主要是采用传统的电 流互感器或空心互感器( r o g o w s k i 线圈) 取样传输线电流，利用有源器件调制 取样信号，以光纤作为信号传输媒质，把高压侧变换的光信号传输到接收侧进 行信号处理，从而得到被测电流信息。 图l 一2 肿c t 系统示意图 7 混合型o c t 的主要问题是传感头部分涉及到有源电路，其电功率提供相当 第l 市绪论 困难，目前采取的方法主要有以下三种： 1 母线供电利用另一个电磁式互感器，直接从母线上得到电功率，稳压 后供给电子电路。稳压电源应保证在母线电流很小时能提供足够的功率，在系 统出现短路且母线电流很大时能够吸收多余的能量，给电子线路提供一个稳定 的电源，因此其技术相当复杂。 2 光供电在系统中增加一根传能光纤，将光功率从控制室传送到传感头 后经光电变换获得电源。这种方式能够提供的功率非常小，对电子线路的设计 带来了困难。 3 电池供电利用可充电电池提供电功率，电池由太阳能板充电。这种方 式受制于天气条件，太阳能扳长期工作的效率也难以保证。 传统电磁式电流互感器经过多年发展，在测试精度及可靠性等方面已非常 成熬，其主要缺点是高压隔离问题造成的系统复杂和高造价。利用电磁式互感 器作为传感头，将其信号通过光纤传输到控制室。它既可以解决高压隔离问题， 又使系统简单紧凑。对光信号的调制可以采用频率调制、波长调制及强度调制 等多种方法。混合型o c t 的传感头侧都要有偏置电源，供给电子或光电元件， 而光纤的作用与普通光通信系统相同，因而技术比较成熟。图l 一2 是采用光强 调制的一种方案“”，电信号通过a d 转换量化成数字信号，经过编码后对光源 进行强度调制，再通过光纤实现信号传输。 光纤作为信号传输媒质，不用作传感元件，从而避免了光学传感头存在的 温度和振动问题“”。虽然，目前光电式电流互感器在其传感头制作及高压侧电 源上都有所突破，但是，电流较小时，r o g o w s k i 线圈电流互感器的取样灵敏度 相对较小，输出的电压信号变得很弱。小电流时的微弱信号处理也是r o g o w s k i 线圈电流互感器面临的难点问题。另外f a r a d a y 电磁感应原理是r o g o w s k i 线圈 电流互感器的传感基础。这就决定了r o g o w s k i 线圈电流互感器不能测量稳恒直 流，对于变化比较缓慢的分量，比如非周期分量，也不能保证测量精度。很显 然，r o g o w s k i 线圈电流互感器是存在测量频带问题的电流互感器，这是该原理 的光学电流互感器的缺陷所在。 东北电力大学硕十学位论文 1 3 3 基于磁致伸缩效应的光学电流互感器 磁致伸缩效应光学电流互感器主要分为两类： 第一类，将磁致伸缩材料粘贴或镀在单模光纤上，磁致伸缩材料在磁场作 用下其轴向尺寸发生变化，使光纤长度产生相应的变化，从而光纤中的光程发 生变化，引起光相位的变化，利用干涉法检测相位变化即可测量被测磁场，进 而计算出电流“”。 l 解调部分 ： 图1 3 磁致伸缩效应o c t 示意图 第二类，将光纤b r a g g 光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) 与磁致伸缩材 料( g i a n t f a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l ，g m m ) 结合起来的光纤b r a g g 光栅电 流互感器“”，如图1 - 3 ，f b g 是单模光纤纤芯的折射率沿轴向变化的一种光学 元件，它主要用于通信和传感领域中，当它用于传感领域时，用f b 6 作为敏感 元件的传感器，除了一般光纤传感器的所有优点外，它的突出特点是被测信号 是波长编码的，对于光强的波动及光的偏振态的变化不敏感“”。 这种o c t 是对电流进行波长编码，故不存在其他全光式电流互感器所存在 的线性双折射的问题，但存在输出响应非线性及材料磁滞特性影响调制特性等 问题。陈冠三等人对此进行了改进，分别报告了一种利用磁致伸缩材料棒与光 第1 章绪论 纤光栅及利用磁致伸缩材料管与光纤光栅构成的电流传感器嘲，并取得了良好 的实验结果。m o r a 等报告了一种利用双磁致伸缩材料棒与双光纤光栅同时测量 稳恒磁场与温度的传感器o “。该传感器可用于带有温度补偿的直流电流传感器。 余有龙等针对磁致伸缩材料的磁滞效应，提出了一种新的光纤光栅电流传感器 的设计方案。这种方案基于悬臂梁，通过被测电流产生磁场对固定与自由端 一定长度的通电导线的作用，使梁产生轴向应变，影响光纤光栅的反射谱，从 而对电流迸行传感探测。采用等腰三角形悬臂梁可确保光栅在传感过程中不出 现啁啾现象，从而减小读数误差。实验测得的灵敏度与预期值基本一致。 1 4 课题的提出 f b g 是近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一它是利用光纤材料的光敏 性在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤光 器或反射镜。利用光纤光栅可制成用于应力，应变，温度等诸多变量检测的光 纤传感器和各种简单和复杂的光纤传感网络。 基于光纤b r a g g 光栅的光纤传感器，其传感过程是通过外界参量对b r a g g 光栅中心波长的调制来实现的，属于波长调制型光纤传感器。它具有以下明显 的优点：( 1 ) 波长编码，因而不受光源功率波动和系统损耗的影响，抗干扰能 力强。( 2 ) 易于将多个光纤光栅串联在一根光纤上构成光纤光栅阵列，实现分 布式测量，这是其他原理o c t 所不及的。( 3 ) 传感探头结构简单，尺寸小，适 用于各种应用场合。( 4 ) 测量结果有良好的重复性。( 5 ) 可用于对外界参量 的绝对测量。( 6 ) 光纤光栅的写入工艺己较成熟，便于形成规模生产。 这些独特的优点，使光纤光栅传感技术已在桥梁、医学、石油化工、航空 航天、核工业等很多领域都得到了实用化应用嘲1 。 光纤光栅传感器在这些领域的成功应用，给了本文将光纤光栅用于测量电 流的研究和应用很大的启示和信心。因此，在本文中也尝试用光纤光栅，将其 与超磁致伸缩材料结合起来测量电流，为光纤电流互感器的研究提出一种新的 研究方法，为避免其他光学电流互感器存在的问题而开辟的一条新的道路。希 望本文的探索尝试能给光学电流互感器的实用化带来一点新的启示。 东北电力大学硕十学位论文 1 5 本文主要工作 本文在对光纤布拉格电流互感器的研究概况以及光纤光栅传感技术进行了 广泛深入分析的基础上，提出了一种以超磁致伸缩材料调谐光纤b r a g g 光栅的 电流互感器，并进行了系统研究。所做的工作主要有以下几个方面： 1 了解当前国内外光学电流互感器的研究现状并对其优缺点进行了系统的 归纳。针对目前光纤电流传感器的缺点提出了将磁致伸缩材料与光纤光栅结合 起来测量电流的方法； 2 分析光纤光栅传感特性与磁致伸缩效应产生机理，并建立相应的数学模 型； 3 传感器探头的结构设计及优化：选择核心材料；确定f b g 与g 倒棒的粘 结方式；设计感应线圈，固定机构：针对磁致伸缩材料的磁滞非线性问题，设 计偏置机构、预压机构； 4 设计温度补偿系统，解决传感器探头的温度漂移问题； 5 搭建传感系统( 样机) ，并进行的样机实验。 第2 章光纤b r a g g 光栅的摹本原理 第2 章光纤b r a g g 光栅的基本原理 2 1引言 光纤b r a g g 光栅( f b g ) 是利用掺杂光纤光致折射率变化特性，用特殊工艺 使得光纤纤芯的折射率发生永久性周期变化而形成的，能对波长满足b r a g g 反 射条件的入射光产生反射。1 9 7 8 年，加拿大的k 0 h i l l 等人首先在掺锗光纤 中采用驻波写入法制成第一只光纤光栅；1 9 8 9 年m e l t z 等人，又实现了用两束 2 4 4 r u n 相干紫外光进行全息曝光，光纤侧面写入光敏f b g 的技术，其制作技术发 展迅速，所制得的f b 6 器件的性能有了很大改善。 f b 6 的应用前景随着它的制作水平的逐步提高，其应用研究也得以迅速开展。 由于f b 6 直接制作在光纤纤芯上，体积小、牢固耐用、具有确定的中心波长、 选频特性好、反射率可变、发生谱宽调谐范围大、光能传输的附加损耗小、b r a g g 反射波长可受温度、应变等物理量调制的一系列特性，因而可广泛地用于光纤 技术领域。 在光纤通讯领域，f b g 的出现及发展将带来光通讯领域的重大技术革新，用 其增强密集波分复用系统通信的功能是很有前景的措施。在光纤通讯的波分复 用系统中，用光纤激光器、波分复用器和平坦增益的光纤放大器将不同波长的 光信号复合、放大并由同一光缆发送，在接受端由波长解复器分离，经色散补 偿器后由信号接受器接受。其中许多部件可由f b g 构成，将该系统直接做入光 纤芯区，可极大地增加网络传输容量并实现光纤通讯系统集成化。其他具体应 用如下： 1 光纤激光器利用f b g 的波长选择性可用作光纤激光器的腔镜，实现规模 式选择和窄带反馈的单频激光器。与半导体激光器相比，该类激光器具有波长 连续可调、调谐范围大、线宽窄、输出功率高和相对强度噪声低等优点，适应 密集波分复用系统使用工作波长可固定和调谐的低噪声激光器阵列的要求。目 前己有f b g 外腔半导体激光器、掺铒光纤激光器、光纤喇曼激光器和分布反馈 东北电力大学硕十学位论文 光纤激光器等的研究出现。 2 光纤滤波器和波分复用器f b g 本身是一波长选择滤波器，将其写入耦合 器或光纤熔结分接头等可构成各种带通、带阻滤波器和波分复用器。 3 光纤放大器f b g 可用于修平掺铒光纤放大器的增益谱。用窄带f b g 代替 激光器中的宽带反射镜，可迫使激光器在增益谱带的边缘波长上振荡，有效地 抑制了仅在中部波长上的振荡，从而便多路不同波长的光脉冲信号无串音地同 时放大，使经光纤激光器后的增益谱达到平坦化。 4 色散补偿器目前己铺设的光纤通讯系统工作波长大部分在1 3 0 0 n m 处， 随着掺铒光纤放大器的出现及通信容量的急剧增加，必须开发利用1 5 5 0 n m 窗口。 而现有光纤干线在该窗口的色散引起的失真问题选用啁啾f b g 进行补偿具有很 好的效果。 在光纤传感方面，由于f b g 的b r a g g 反射波长厶受温度和应力的影响会发 生位移，基于这两种效应，f b g 可作为敏感元件用于光纤传感测量。f b g 光纤传 感器具有其它类型光纤传感器所不具备的优点：( 1 ) 波长绝对编码，不必象强 度调制型光纤传感器那样，必须采取措施以补偿光源输出功率、光纤连接和耦 合器的损耗等变化对测量结果的影响。( 2 ) 具有自参考性，可进行绝对测量而 不必象基于计数条纹变化量的干涉型光纤传感器那样要求初始参考。( 3 ) 在波 分和时分情况下，可串联多个f b g 来传感多个同种量或不同量，构成复用的分 布式光纤传感器阵列，能充分发挥光纤的宽带容量。( 4 ) f b g 直接写入光纤纤芯 内部，无需机械装配、研磨对准等调整即构成传感器，因此可将f b 6 阵列埋入 结构材料( 桥梁、大坝等) 内部或紧贴在材料表面( 火箭、导弹等) ，以监测其 局部或整体状态，构成智能灵巧结构。 因此，f b g 成为近年来发展最为迅速，应用最为广泛的光纤无源器件之一， 它在各个领域中的应用研究也成为世界各国光纤技术研究的热点和重点嘲。 2 2 光纤b r a g g 光栅的基本原理及特性 2 2 1 光纤写入b r a g g 光栅的原理 光纤b r a g g 光栅是利用光纤纤芯物质的光敏特性，用强度周期变化的紫外 光( 波长应在2 4 0 2 6 0 n m 之间选取) ，从光纤的侧面照射，那么与光强最强处 对应的芯层的截面的折射率将会发生永久的改变( 记作n ，以区别于芯层其他部 分的折射率n 。) ，光纤纤芯折射率发生周期性或非周期性变化而形成的光栅，其 原理图如图2 1 所示。光纤光栅的形成机制，目前还没有统一的结论，但一般 认为与纤芯中锗缺陷的漂白有关。 反妻t 先 包雇 强度作周期性分布的人射蜚外先 图2 1 光纤写入光栅原理图 折射率调制 反射谱 ( 。) 八八八八八 ( b ) ，、，、 ，、产 ( c ) ( d ) 向 图2 2 折射调制及对应的反射谱 根据纤芯折射率受调制的情况，可将光栅分为以下4 种，如图2 - 2 所示： 1 均匀光栅折射率受调制后为均匀的与余弦形式分布，如图2 - 2 ( a ) ； 东北电力大学硕上学位论文 2 渐变光栅在折射率调制的基础上，调制深度由中间到两边是渐变的。由 此能抑制反射谱的边带，如图2 2 ( b ) ； 3 线形啁啾光栅调制折射率变化的余弦函数的周期是渐变的，反射谱带宽 得到加宽，同时还可得到很大的速度色散，如图2 - - 2 ( c ) ： 4 m o i r 6 光栅两个渐变型光栅适当串联形成的光栅，可以在反射谱的中心产 生带宽很窄的凹陷，如图2 2 ( d ) 。 2 2 2 光纤b r a g g 光栅的主要特征参量 用耦合模理论对f b g 基本光学特性进行分析，f b g 的基本光学特性主要由以 下三个量来表征： 1 b r a g g 波长厶它是在光纤光栅中基模光能满足b r a g g 条件的波长。根 据光纤光学，即使是基模，与它相应的射线方向也和光纤的光轴有一很小的夹 角( 见图2 - 3 ) 。该射线对b r a g g 光栅的余角设为护，显然中十口= 9 0 。，满 足b r a g g 条件的波长矗。可以证明应满足 厶= 2 码s i n o ( 2 - - 1 ) 或 如= 2 人啊c o s # ( 2 2 ) 式中 伟c o s # 通常成为有效折射率，哳，它的大小介于啊，吩2 _ n ，即 m t 嘧 也，这样可写成 厶= 2 嵋( 2 - - 3 ) 式中a 为栅格周期。 基模的波矢量k 芯层。，醉- 包层( n 2 ) 。 、由 布拉格光棚 图2 3 光纤b r a g g 光栅分析图 第2 章光纤b r a g g 光栅的幕奉原理 2 峰值反射率r研究证明，最大的反射率r 可按下式求出 r = 上t a i l 西2( 2 4 ) 式中工为光栅长度。 3 反射光谱的带宽a 丑 如果反射光的波长是厶，那么它有一定的带宽，可 按下式计算： m = 名 石2 + l 2 v 2 2 n l ( 2 5 ) 至此，本文给出了光纤b r a g g 光栅的峰值反射率r ，b r a g g 波长砧和带宽旯 等几个重要参数，它们对光栅的应用均有重要的意义，应用时要综合考虑。 2 3 光纤光栅的制作 迄今为止，光纤光栅的写入技术主要有以下4 种，现将其简要介绍如下跚： 1 纵向驻波写入法纵向驻波写入法也称内干涉写入法。h i l l 等人将a r + 激光( 波长4 8 8 n m ) 耦合入掺锗单模光纤，其另一端是全反射镜，入射光与反射 光干涉形成驻波场。由于光纤的光致折变效应，在纤芯中形成与驻波场空间分 布相同的立体折射率光栅，这种光栅在入射场消失后永久存在。该方法只能制 作b r a g g 反射波长厶与写入波长相同的f b g ，得到的折射率调制度瓦较小，写 入效率很低，f b g 的特性不好，大大限制了f b g 的应用，因而f b g 在初期发展缓 慢，目前该方法己很少采用。 2 横向全息写入法1 9 8 9 年，美国u t r c 的m e l t z 等人首次用紫外光横向全 息技术制成f b g ，之后带来f b g 的一系列突破。如图2 4 所示，适当波长的两 束干涉光对光纤纤芯侧面曝光，使其折射率被调制产生变化，形成f b g 。紫外光 源为准分子泵浦燃料激光器倍频的2 4 4 n m 光，水银灯和单色仪用于监测f b g 的 透射光谱。 这种方法的最大优点在于突破驻波写入对于厶的限制。通过改变入射光的 波长、两干涉光束的夹角或旋转光纤放置的位置均可以改变f b g 的光栅周期， 从而控制厶、暖和反射率见但该方法对光源的空间相干性和时间相干性要求 很高，对光路调整精度有严格的限制，在曝光时间内必须抑制各种环境因素对 光路的干扰。如利用高峰值功率的紫外脉冲激光器，能在几个脉冲下制成f b g ， 这对激光器和环境的要求大大降低，对制作大批量f b g 有重要意义。 显微物镜 图2 4f b g 横向全息写入法示意图 3 位相掩模复制法f b g 制作技术的一个重要进展是在1 9 9 3 年h i l l 等人利 用相位掩模照射方法代替全息曝光法对光纤进行直接刻制，如图2 5 所示。 紫外激光入射 i 一= = 撒光么衍乜糊 图2 5 位相掩模复制法示意图 该制作方法的关键部件相位掩模板是在计算机控制下精密刻蚀成的位相衍 射元件，正入射的紫外光经过掩模板衍射后零级受抑制( 3 ) ，1 级分别达最 大( 3 5 ) ，且相互作用的进场干涉条纹对紧贴其后的掺杂光纤纤芯进行曝光， 形成周期为位相模板周期的i 2 的f b g 。如将位相模板和光纤成一定角度放置， 可以制成不同周期和厶的f b g ，如啁啾光栅等。位相掩模技术具有稳定、灵活、 重复性好等特点，大大减少了制作f b g 时的复杂性和成本。如采用脉冲激光器 第2 章光纤b r a g g 光栅的摹本原理 更可大大缩短曝光时间，保证了光源的时间和空间相干性，可高效率的制得各 种要求的f b 6 。单脉冲位相掩模复制法是目前应用最多且最有发展潜力的一种制 作技术。 4 逐点写入法和在线写入法逐点写入法是一种利用聚焦于光纤纤芯的紫 外光束对沿轴向移动的光纤逐点曝光的f b g 非相干制作技术。通过控制移动光 纤的步进电机速度、曝光狭缝宽度和写入激光强度可制成周期、b r a g g 波长和反 射率不同的f b g 或同一光纤中的周期性和非周期性的f b g 阵列。该方法灵活方 便，但机械传动装置复杂，精度要求极高。在线写入法是基于采用脉冲激光的 横向全息法。在光纤拉制过程中和在未进行包层前在纤芯中写入f b g ，类似于逐 点写入法。在改变脉冲激光能量、干涉光束的交角和光纤拉制速度时可以快速 地制得参数和性能不同的f b 6 在同一光纤中的f b g 阵列。该方法对大批量生产 f 1 3 6 具有重要价值，对激光光束的模式和光纤拉丝塔的运行情况起着关键的作 用。另外采用锥形或弯曲的光纤纤芯或在纤轴上形成温度应变梯度制作变周期 的啁啾f b g 技术，制作变迹f b g 的双光束曝光技术等最近也有研究，它们是基 于上述全息干涉技术和位相掩模技术，通过变化光敏光纤的结构和状态来制作 f b g 的。 2 4 光纤光栅的传感原理 根据光纤耦合模理论，当宽带光在f b g 中传输时，产生模式耦合，满足b r a g 条件的光被反射 7 厶= 2 ( 2 - - 6 ) 式中 人为光栅周期；哆咿为有效折射率；a 和切都受外界环境影响，其变 化量a 和导致符合b r a g g 条件的反射波长发生位移砧。由b r a g g 条件可 得 厶= 2 劭人+ 2 从( 2 - - 7 ) 式( 2 7 ) 表明反射波长偏移与光纤芯的有效折射率和光栅常数的变化有关。 当光纤光栅受到应力作用或温度的变化影响时，只，和a 都会发生变化。为了研 究方便。先忽略温度和应力的交叉敏感，分别考察仅在单一的温度或应力作用 下的传感特性。 东北电力大学硕+ 学位论文 2 4 1 光纤b r a g g 光栅应变传感模型的建立 应力影响b r a g g 波长是由光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。为简化推导， 设光纤光栅仅受轴向应力作用，忽略温度及其他参量的影响。轴向应变，包括 拉伸和压缩，应变影响光栅周期是因为光纤光栅的周期伸缩，有 从= a ( 1 + f ) ( 2 8 ) 式中占为轴向应变量。 利用相对介电抗渗张量屈，与介电常数占的关系 p h = 、| s = 、| 碡( 2 - - 9 ) 可得 舭小时一嘲 ( 2 1 0 ) 式中 嘞为某一方向上光纤的折射率，此时是应力作用的方向，故可用切代 替，再利用轴向应变表达式乞= 址，三，则光栅方程变为 磊= 2 人 一享 专 + 2 n 谚乞瓦0 a c z 一t ， 再利用材料的光弹性质 蛾= 如x & ( m ，n - - 1 ，2 ，3 ) ( 2 - - 1 2 ) 式中a 为材料的弹光系数，再考虑到式( 2 - - 3 ) 可得 ( 1 略) = ( 只】一v 2 只2 - v 3 p ，3 ) 岛 ( 2 1 3 ) 式中 v 2 ，v 3 是光纤泊松比，且有 f i 1 巳- - l 一吃i 乞 ( 2 1 4 ) l 飞j 由此得到因外力轴向应力而引起的b r a g g 波长以的相对变化 ，- 警- - - ：一堑2 ( 1 弓) + 乞2 如 、 9 第2 章光纤b r a g g 光栅的基本原理 ；( 1 一p 。) ( 2 - - 1 5 ) 式中 儿。孚专。萼- ( p , , - v 2 只2 - v 3 p , s ，( 2 - - 1 6 ) 是光纤光栅的灵敏度，对于石英光纤，可取 丛：0 7 8 ( 2 1 7 ) 如 含有光栅的光纤允许施加张力的典型值为1 应变，也有施加到5