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稀土超磁致伸缩电流互感器的研究

作　者: 张红菊
导　师: 姚胜利
学　校: 中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）
专　业: 光学
关键词: 稀土磁致伸缩材料光纤头自聚焦透镜光电转换器微位移传感器
分类号: TM452
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

稀土超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material简写为GMM)是继稀土永磁,稀土发光和稀土高温超导材料之后的又一种重要的新型功能材料。在一定的磁场作用下,该材料与传统的镍基或铁基磁致伸缩材料相比会产生大得多的长度或体积变化,磁致伸缩系数高达2500ppm以上。本文提出了一种设计电流互感器的新思路,即将GMM材料应用到电流互感器中。设计的基本思想是:磁致伸缩材料GMM在外磁场的作用下发生长度伸长或缩短时,从光纤传感探头(单模光纤头+自聚焦透镜)出射的光在经GMM棒的一端反射后再次进入传感探头时光强将被调制,从而出射光的功率将发生变化。出射光经光电转换及其相关处理后以电压的形式输出,从出射电压即可推算得到外电流的大小,以实现对外电流的实时监控。文中设计了两种电流互感器整体方案,分别为光电式和全光式;设计了两种方案中有关激励磁场、偏置磁场及其相关参数;并对传感部分、光电转换部分做出了相应的设计分析;最后给出了两种系统工作时的输入输出特性曲线,得出全光式磁致伸缩电流互感器在大电流传感中具有一定的实用性的结论。文中所用到的光纤传感探头及光电转换部分结合同样可以实现微位移的传感测试,是一种对微位移测试的新方法,测试精度为微米级,具有精度高,可靠性好的特点。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章引言  8-18
  1.1 稀土超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material)的发展  8-9
  1.2 超磁致伸缩材料的特性表征  9-10
  1.3 磁致伸缩效应  10-12
    1.3.1 磁致伸缩材料物理效应  11
    1.3.2 磁致伸缩现象产生机理  11-12
  1.4 稀土超磁致伸缩材料的优点  12-14
  1.5 超磁致伸缩材料的应用  14
  1.6 国内外发展现状  14-15
  1.7 本论文研究内容  15-16
  参考文献  16-18
第二章磁致伸缩材料的基本特性及磁致伸缩系数的测量  18-28
  2.1 基本特性  18-24
    2.1.1 磁致伸缩特性  18
    2.1.2 机磁耦合特性  18-20
    2.1.3 动态特性  20-22
    2.1.4 其它特性  22-24
      2.1.4.1 压应力特性  22
      2.1.4.2 温度特性  22-23
      2.1.4.3 △E效应  23-24
  2.2 稀土超磁致伸缩的数学描述  24-26
    2.2.1 磁致伸缩的来源  24-26
      2.2.1.1 自旋一轨道耦合效应  24-25
      2.2.1.2 交叉积分效应  25
      2.2.1.3 场致形变效应  25-26
      2.2.1.4 形状效应  26
  2.3 本章小结  26-27
  参考文献  27-28
第三章稀土超磁致伸缩光纤电流互感器的设计  28-59
  3.1 光电式电流互感器的设计  30-35
    3.1.1 电磁结构分析与设计  30-32
      3.1.1.2 磁场分析  31-32
    3.1.2 载流线圈设计的基本思想  32
    3.1.3 励磁线圈与偏置线圈的设计  32-34
    3.1.4 隔热层的设计  34
    3.1.5 预应力的设计  34-35
  3.2 全光纤式电流互感器的设计  35-40
    3.2.1 磁场的分析  35-37
    3.2.2 偏置磁场分析  37-40
      3.2.2.1 偏置磁场设计  37-39
      3.2.2.2 其它设计  39-40
  3.3 高反射膜的设计  40
  3.4 磁致伸缩材料的选择  40-44
    3.4.1 材料规格的选择  43-44
  3.5 传感探头的设计  44-51
    3.5.1 传感探头所用元件的选择  44-48
    3.5.2 传感探头的设计方案  48
    3.5.3 传感头方案具体实现与选择  48-51
      3.5.3.1 方案一  48-49
      3.5.3.2 方案二  49
      3.5.3.3 方案三  49
      3.5.3.4 方案四  49-50
      3.5.3.5 方案五  50-51
      3.5.3.6 传感头方案的选择  51
  3.6 光电探测  51-53
    3.6.1 光电探测部分设计思想  51
    3.6.2 光电探测部分结构  51-52
    3.6.3 光电探测部分所用元件介绍  52-53
      3.6.3.1 探测器的选择  52
      3.6.3.2 前置放大器的选择  52
      3.6.3.3 低通滤波器的选择  52-53
      3.6.3.4 除法器的选择  53
  3.7 电流互感器整体结构  53-54
  3.8 实验结果及分析  54-57
  3.9 位移传感器  57
  3.10 本章小结  57-58
  参考文献  58-59
第四章稀土超磁致伸缩材料的应用  59-66
  4.1 超磁致伸缩材料在磁(电)—声换能器中的应用  59-60
  4.2 超磁致伸缩材料在磁(电)—机械制动器中的应用  60
  4.3 超磁致伸缩材料在传感器中的应用  60-61
  4.4 电-机换能器  61
  4.5 传感器和电子器件  61-62
  4.6 稀土超磁致伸缩材料在低压电器中的应用  62
  4.7 稀土超磁致伸缩材料在军事及海洋开发的利用  62-63
  4.8 稀土超磁致伸缩材料在高温条件下的应用  63-64
  4.9 稀土超磁致伸缩材料的应用研究进展  64-65
  参考文献  65-66
第五章结论  66-69
  5.1 结论  66-67
  5.2 主要工作  67
  5.3 稀土超磁致伸缩式电流互感器的应用展望  67
  5.4 未来工作的几点设想  67-69
发表文章目录  69-70
致谢  70

稀土超磁致伸缩电流互感器的研究

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