基于光纤光栅的电流传感器研究

发布时间：2017-05-31 18:10

  本文关键词：基于光纤光栅的电流传感器研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：电流是电气领域进行监测和设备保护的关键参数,精确测量电流参量能确保电力设备运行的安全。脉冲强电流是造成电力系统损坏的重要因素,对电流值的实时监控也是维护电力电网系统稳定运行的关键环节。在电气领域实际应用中,有关电流传感器的研究一直占据着至关重要的地位。光学电流互感器是研究的热点和方向,目前存在的光纤光栅电流传感器在实际应用中都有各自的优势和不足。许多研究人员已经对应用叠堆压电陶瓷作为传感材料的方案进行研究,虽然达到了良好的精度,但是存在换能效率不高和低磁场测量时线性度较差等问题。对叠堆压电陶瓷和超磁致伸缩材料进行对比发现,超磁致伸缩材料的诸多性能具有更明显的优势。综上所述,应用超磁致伸缩材料的电流传感器是未来研究的趋势。本文给出了基于超磁致伸缩材料的光纤光栅电流传感器的设计方案,将工频大电流通过Rogowski线圈得到采样电流,采样电流通过驱动线圈能够产生一定强度的磁场,超磁致伸缩材料在磁场力作用下形变带动粘贴的光纤Bragg光栅伸缩,通过测量其中心波长变化量来测量电流值。首先根据输出电压的要求设计了Rogowski线圈的结构参数。利用ANSYS有限元分析软件确定了驱动线圈的直径,仿真得产生磁场强度在超磁致伸缩材料产生应变的线性区域。设计了以TMS320F2812为核心的DSP控制系统,利用芯片内置的A/D转换模块作为系统的信号采集器,研究了提高采样精度的校正算法。其次,进行了系统的软件设计,实现了高速的电压信号采集、LED显示和串口通讯功能。最后进行整个系统的搭建,在A/D采集实验中,通过上位机观察信号显示的波形,测量误差小于0.5%。输入0-100A的电流,对光纤Bragg光栅中心波长值进行测量,初步验证了系统的可行性。
【关键词】：电流传感器 光纤光栅 超磁致伸缩材料 Rogowski线圈 ANSYS有限元分析
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN253;TP212
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究发展状况11-12
• 1.2.1 国外研究现状11-12
• 1.2.2 国内研究现状12
• 1.3 光纤光栅电流传感器的分类12-14
• 1.3.1 磁致伸缩材料类光纤光栅电流传感器12-13
• 1.3.2 电流热效应类光纤光栅电流传感器13
• 1.3.3 安培定律类光纤光栅电流传感器13-14
• 1.3.4 压电陶瓷类光纤光栅电流传感器14
• 1.4 本课题的主要研究内容14-16
• 1.5 本章小结16-17
• 第2章 光纤光栅及超磁致伸缩材料传感原理17-25
• 2.1 光纤光栅的传感原理17-21
• 2.1.1 光纤光栅基本机理17-18
• 2.1.2 光纤光栅的基本光学特性18-19
• 2.1.3 光纤光栅的传感特性19-21
• 2.2 超磁致伸缩材料的传感原理21-24
• 2.2.1 超磁致伸缩材料特性21-22
• 2.2.2 预应力和温度对超磁致伸缩材料的影响22
• 2.2.3 超磁致伸缩材料的非线性传感模型22-23
• 2.2.4 超磁致伸缩材料的磁滞非线性23-24
• 2.3 本章小结24-25
• 第3章 高压端电流传感结构优化设计25-40
• 3.1 光纤光栅电流传感器系统方案25-26
• 3.2 系统方案的结构和理论分析26-28
• 3.3 Rogowski线圈的设计和性能研究28-33
• 3.3.1 Rogowski线圈的测量原理28-30
• 3.3.2 外积分型Rogowski线圈频率特性分析30
• 3.3.3 自积分型Rogowski线圈频率特性分析30-31
• 3.3.4 Rogowski线圈结构设计31-33
• 3.4 驱动线圈的结构优化33-39
• 3.4.1 有限元分析软件分析的一般步骤33-34
• 3.4.2 超磁致伸缩材料的有限元分析过程34-36
• 3.4.3 驱动线圈结构的优化设计36-39
• 3.5 本章小结39-40
• 第4章 低压端信号处理硬件电路设计40-49
• 4.1 DSP芯片的选型与简介40
• 4.2 基于DSP的数据采集模块设计40-43
• 4.3 DSP电源电路设计43-45
• 4.4 显示电路和通信接口电路设计45-48
• 4.5 本章小结48-49
• 第5章 系统的软件设计49-54
• 5.1 DSP数据采集软件编程49-51
• 5.2 DSP数据采集校正算法51-53
• 5.3 SCI发送和接收程序53
• 5.4 本章小结53-54
• 第6章 整机实验54-59
• 6.1 校正后的数据采集实验54-55
• 6.2 电流传感器的组装和测试55-58
• 6.4 本章小结58-59
• 第7章 结论59-60
• 参考文献60-64
• 在学研究成果64-65
• 致谢65

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