磁流体光学电流传感的理论与实验研究

来源 :华北电力大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:chinaiddm599
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磁流体具有固体材料的磁性和液体材料的流动性,科研人员将磁流体的磁敏感特性与光学特性相结合在光器件、光传感等领域开展了广泛的研究。磁流体光学电流传感器具有绝缘性能好、电气隔离、体积小和重量轻等优点,成为了电流传感技术的一个发展方向,具有重要的研究价值和广阔的应用前景。本文对磁流体物理特性及影响因素、磁流体光学电流传感器、基于磁流体的光电缆电流传感技术、光电缆电流传感器的温度特性等关键问题进行了深入的理论与实验研究,旨在为磁流体光学电流传感技术的应用提供理论和技术支撑。本文主要工作如下:(1)研究了入射光功率对磁流体光透射特性的影响机理,以及磁流体的折射率可调特性及传感理论。分析了磁流体的光透射特性及影响因素,对比研究了未施加磁场和施加磁场情况下磁流体的透射光功率与入射光功率之间分别呈线性和非线性关系;理论和实验研究了不同入射光功率时透射光功率随磁场强度的变化情况,研究了入射光功率对磁流体光透射特性的影响机理,结果表明当入射光功率较大时,透射光功率在弱磁场区间大幅度地减小,但在强磁场区间趋于饱和,当入射光功率较小时,透射光功率变化幅度较小,但在较大的磁场范围内呈近似线性增大;分析和总结了光透射特性随入射光功率及磁场强度的变化规律,在弱磁场传感时,适当增大入射光功率有利于提高薄膜的传感性能和磁场测量范围,在强磁场传感时,适当减小入射光功率则透射光功率对大范围的磁场呈近似线性响应,为磁流体光学电流传感器、传感系统的设计、参数选择和优化、应用研究提供了重要的理论支撑;理论研究了磁流体的折射率可调特性,分析了基于磁流体折射率可调特性传感器的干涉原理和倏势场能量理论。(2)提出了利用入射光功率提高基于光透射特性的磁流体电流传感器性能的方法,以及利用单模光纤S形和错位结构提高基于折射率可调特性的磁流体电流传感器性能的方法。理论研究了磁流体的磁性纳米颗粒聚集理论和米氏散射理论,分析了施加磁场时磁性纳米颗粒的排列规律;设计、制作了基于光透射特性的磁流体电流传感器并搭建了实验系统,研究了利用双光路法消除光源功率波动的方法,测量了双光路透射光功率比值随磁场强度的变化情况;提出了通过最佳化入射光功率提高基于光透射特性的磁流体电流传感器灵敏度的方法,测量了不同入射光功率时磁流体光学电流传感器的灵敏度随磁场强度的变化情况,结果表明在弱磁场传感时,适当增大入射光功率可提高传感器的灵敏度;在强磁场范围内,适当减小入射光功率可提高传感器的灵敏度及增大磁场测量范围;理论研究了S形和错位结构的传感原理,提出了基于折射率可调特性的单模光纤S形和错位结构的磁流体电流传感器,制作了传感器并搭建了实验系统,测量了传感器特性随磁场强度的变化情况,结果表明传感器的干涉谷波长随磁场强度的增大而线性地向长波长方向移动,传感器的灵敏度为33.14pm/Oe。(3)提出了基于磁流体光学电流传感器的光电缆电流传感方法。分析了光电缆及其传感技术,研究了基于磁流体的光电缆电流传感结构,对光电缆的磁场分布特性及传感器位置的选择进行了理论计算及实验研究;提出了基于磁流体的光电缆电流传感方法,搭建了由光信号和电流发生模块、传感模块、光信号和电流接收模块三部分组成的光电缆电流传感实验系统;测量了基于磁流体光透射特性的光电缆电流传感器特性随光电缆电流的变化情况,结果表明传感器的透射率随光电缆的电流增大而单调减小,且具有较好的线性度,当光电缆电流为0~500 A时,200μm和400μm光电缆电流传感器的灵敏度分别为-0.001004/A和-0.001499/A,测量误差分别为±1.0%和±2.0%;测量了基于磁流体折射率可调特性的单模光纤S形和错位结构光电缆电流传感器的特性随光电缆电流的变化情况,结果表明传感器的干涉谷波长随光电缆电流的增大而向长波长方向移动,且具有较好的线性度,当光电缆电流为0~500 A时,传感器的灵敏度为2.772 pm/A、测量误差为±0.03%。(4)开展了温度对磁流体光学电流传感器影响的研究。理论分析了布朗运动和磁流体的热透镜效应对磁流体光学电流传感器的影响机理;研究了基于光透射特性的磁流体电流传感器的温度特性,测量了传感器的光透射特性随温度的变化情况,设计并搭建了测量光电缆电流传感器温度影响的实验系统,测量了基于磁流体光透射特性的光电缆电流传感器特性随光电缆温度的变化情况;研究了利用双光路方法消除光源功率波动对基于光透射特性的光电缆电流传感器影响的方法,设计并构建了双光路实验系统,测量了双光路透射光功率比值随光电缆电流的变化情况;研究了基于折射率可调特性的单模光纤S形和错位结构的磁流体电流传感器的温度特性,测量了传感器特性随温度的变化情况,传感器的灵敏度为14.3pm/℃;研究了利用基于折射率可调特性的S形和错位结构的光电缆电流传感器实现电流、温度同时测量的方法,实现了对电流和温度的双参量测量以及温度影响的消除。
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