本文是一篇电力论文，电力系统是由发电厂、送变电线路、供配电所和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各用户。（以上内容来自百度百科）今天为大家推荐一篇电力论文，供大家参考。
第 1 章 绪 论
1.1 课题研究背景与意义
面对近年来电力网高电压、大电流和智能化的发展趋势，电力线路健康监测的实时监测和测量精度和又有了新的挑战[1,2]。许多电力杆塔又修建于比较恶劣的环境之中，如山中或者海上，这使得当输电系统系统发生故障后不易发现故障点，造成国民经济的损失。所以对架空线路的健康实时监测尤为重要，近年来，一种通过测量输电线路周围磁场的变化来进行健康监测的传感器得到快速发展[3]。但是早期的磁场传感器由于存在一些原理和设计上的缺陷已经不能满足智能电网的监测要求，因此开发一种高精度、高效率的磁场传感器已成为当代智能电网的迫切要求。电磁式传感器测量技术在电力网中的应用较为成熟与常见，但是因为其易收到电磁干扰，体积笨重，测量精度低，存在爆炸的风险等原因，导致其不能适应电力网快速发展的步伐。而基于法拉第磁光效应的光学磁场磁场传感器具有测量精度高，体积小，抗电磁干扰能力强等优点[4]，近年来得到发展较快，但是，这种传感器也具有一定的局限性，如探头的结构复杂、不易安装、受外部环境影响较大等，使该种传感器不允许长时间可靠的运行。基于霍尔效应原理的磁场传感器虽然在精度高、宽带宽、线性度好等方面有很大优势[5-7]，然而也收到互换性差、结果易受温度影响等劣势的影响，仅能应用于某些特殊工况。光纤传感器具有耐腐蚀、结构简单、抗电磁干扰能力强、无源器件等优点。随着光纤传感技术在工程应用中的普及，人们对基于光纤传感的磁场传感器的发展与研究做出了不懈的努力，随着智能电网和全球能源互联网的发展，光纤光栅(FBG)传感器已逐渐成为电力网健康监测的主力军之一[8]。超磁致伸缩材料（GMM）具有抗压能力和频响速度快、承载能力大、能量转换效率高、磁致伸缩系数高、机电耦合系数大、无疲劳以及能量密度高等优点，已在各种换能和驱动领域被广泛使用并得到进一步发展[9]。结合 FBG 线性响应好、动态范围宽、机械强度高、不受电磁干扰和 GMM 能量转换效率高、机电耦合系数大、可控性好、频率特性好等优点，本文将在 GMM-FBG 传感器现有研究成果的基础上进行设计与研究，希望可以促进光学传感技术的应用与工业化。此外，本课题设计的基于 GMM-FBG 的三维磁场传感器较之前所设计的一维GMM-FBG 传感器具有更高的测量精度、不受探头放置角度的影响等优点，更能适应复杂多变的磁场环境，具有一定的工程实用价值。
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1.2 国内外发展与研究现状
1.2.1 光纤光栅传感器的研究现状
光纤光栅的物质基础是光纤。自 1966 年高锟博士(K.C.Kao)提出光纤长距离传输信号的可行性，而后 1970 年美国 Corning Incorporated公司成功拉制出低损耗光纤至今，针对光纤的研究从未停止。光栅亦称衍射光栅，它是利用光电衍射作用实现色散等分光效果的无源光学元件，常见的光栅多为在平面玻璃或金属片上刻制的大量平行等间距条纹结构[10,11]。近年来，由于光纤光栅特有的优良性质，使其在工程应用领域发挥了独特而十分重要的作用。光纤光栅的研究和应用是光纤技术发展最活跃的分支之一，其出现极大地改变了人们对光纤无源器件设计方法的认识，其取得的突出成就解决了许多光纤通信和光纤传感领域中的实际问题。由于光纤光栅具有动态范围大、频率响应范围宽、体积小、绝缘性好且与光纤天然匹配等诸多优点。因此，其一出现就受到极大关注，并迅速在各个工程的测量传感领域占据了一席之位，成为光纤传感器件家族中的新贵，并推动着光纤器件技术的快速发展[12]。光纤光栅自问世以来，已广泛应用于光纤传感领域，如建筑结构、航天航空、强场探测、健康测评等。FBG 传感器具有电绝缘、抗腐蚀、高灵敏度、质轻柔韧、低成本及与普通光纤兼容等优点[13-16]，因此愈来愈收到关注。因 FBG 谐振波长对应变(或应力)和温度变化很敏感，故在温度和应变(或应力)及关联量的测量中应用较广。光纤光栅单参数传感器。这种传感器利用 FBG 的单一力学(应变或应力)或热学(温度)特性，将该特性与待测参量建立传感关系，通过实验验证并修正其量化关系式，进而实现某一单参数 FBG 传感器的设计和研制。单参数传感测量的参量有温度、应力(应变)、位移、扭转(扭矩、扭应力)、电流、磁场等。光纤光栅多参数传感器。这种传感器以双参数传感为主，也有三参数传感的报道，但因其解雇复杂，技术和工艺难度较大，目前大多数处于实验室研究水平。双参数传感测量的参量有温度-应变、温度-应力、温度-位移、温度-扭矩、温度-折射率、应力-位移、扭角-扭矩、二维应力、二维位移、二维曲率等。三参数传感测量的参量有应变-位移-频率、温度-应变-折射率、温度-电场-磁场、温度-二维应力、温度-二维位移、三维应力(位移或曲率)等。
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第2章 GMM-FBG传感模型的建立及基于非线性遗传算法的优化
GMM-FBG 磁场传感器综合了 FBG 线性响应好、动态范围宽、机械强度高、不受电磁干扰和 GMM 能量转换效率高、机电耦合系数大、可控性好、频率特性好等特点，已成为电力工业电流和磁场检测的优先选择。本章主要通过分析 FBG 和GMM的传感特性，搭建 GMM-FBG 的传感模型。并针对 GMM-FBG 传感器的磁滞非线性问题，对标准的 Preisach 模型进行改进，得到了一种改进的 Preisach 磁滞模型。运用非线性遗传算法对改进的 Preisach 磁滞数学模型进行参数辨识。
2.1 GMM-FBG 的传感特性研究
光纤光栅(FBG)的物质基础是光纤。FBG 的写入技术的理论基础是光纤的光敏效应(当外界入社光子和信心内锗离子相互作用因其折射率的永久性变化)[37,38]。光纤Bragg 光栅在光纤系统中的作用类似于一块镜片，当将一束宽带光通入一段光纤中时，满足光纤光栅耦合条件的光谱将被反射，不满足的透过 FBG 继续向前传输。FBG的传感原理如图 2-1 所示。由光纤 Bragg 条件方程可知：对于一段固定的光纤光栅，当 FBG 发生应变时会导致 FBG 的周期 的伸长或缩短，由于符合 FBG 布拉格条件的光波会反射回来，不符合布拉格条件的波会透射过去，因此可以根据 FBG 的反射波的中心波长的变化量检测 FBG 的应变量。
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2.2 GMM-FBG 磁场传感器模型的建立
本章主要分析了 FBG 和 GMM 的传感特性，研究了 FBG 和 GMM 的传感模型和 GMM 的磁滞模型，将光纤光栅和 GMM 进行组合分析，建立了三维磁场GMM-FBG 的传感模型。针对 GMM-FBG 磁场传感器的磁滞非线性问题，对经典的Preisach 模型进行改进，得到了一种含新的权重函数的 Preisach 磁滞模型。并采用非线性遗传算法对改进的 Preisach 磁滞模型进行了参数辨识，使模型的预测性能得到优化。
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第 3 章 三维磁场 GMM-FBG 传感器的设计与有限元分析........23
3.1 三维磁场 GMM-FBG 传感器的结构设计............ 23
3.1.1 三维磁场 GMM-FBG 传感器传感探头的结构设计 ........... 23
3.1.2 三维磁场 GMM-FBG 传感器的单轴传感器结构设计 ....... 24
3.1.3 三维磁场 GMM-FBG 传感器的驱动磁场设计 ........ 27
3.2 基于有限元的 GMM-FBG 传感模型的应力场分析 ....... 29
3.2.1 GMM-FBG 有限元分析模型的建立 .... 29
3.2.2 基于有限元的应力场分析 ........ 32
3.3 本章小结 .......... 42
第 4 章 三维磁场 GMM-FBG 传感器的仿真及实验分析............43
4.1 三维磁场 GMM-FBG 传感系统平台的搭建........ 43
4.1.1 实验平台的整体设计 ..... 43
4.1.2 实验传感平台的搭建 ..... 44
4.2 实验内容与结果分析 ............ 46
4.3 三维磁场 GMM-FBG 传感器误差分析与校正.... 50
4.4 本章小结 .......... 58
第 4 章 三维磁场 GMM-FBG 传感器的仿真及实验分析
本章将在以上分析研究的基础上进行三维 GMM-FBG 传感器实验平台的设计与搭建，对改进的 Preisach 模型进行实验验证，并对三维 GMM-FBG 传感探头的中心波长进行标定，最后对三维磁场 GMM-FBG 传感器进行误差分析与校正。
4.1 三维磁场 GMM-FBG 传感系统平台的搭建
螺线线圈中通入电流以便产生磁场，把三维传感探头放在驱动线圈内，传感探头中的 GMM 棒在磁场下产生轴向的磁致伸缩应变量，并通过环氧树脂胶粘剂传递给 FBG 上，通过影响光栅周期和折射率，使 FBG 中心波长产生漂移。宽带光通过光纤传输到传感探头的 FBG 中，符合 Bragg 反射条件的反射波会经耦合器、光电转换装置后传输到波长解调部分，最后将解调结果传送到计算机中；计算机通过三维磁场 GMM-FBG 传感器的传感模型得出磁场的测量量。三维磁场 GMM-FBG 传感器实验原理图如图 4-1 所示。三维磁场 GMM-FBG 传感器实验平台由传感测量部分与波长解调部分。(1) 传感测量部分：由三维 GMM-FBG 传感探头、直流驱动源、交流驱动源、线圈、温度补偿装置等组成。(2) 波长解调部分：由光纤光栅解调仪、耦合器、宽带电源、光电转换单元和计算机组成。#p#分页标题#e#
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结 论
GMM-FBG 传感器在电力系统健康检测中的作用越来越举足轻重。本文在以往研究的基础上，进行了三维磁场 GMM-FBG传感器的设计与有限元分析，所做的主要研究工作包括：
(1) 分析了 FBG 和 GMM 的传感特性和传感原理，同时研究了光纤光栅应变传感模型和 GMM 的传感模型，并建立了三维磁场 GMM-FBG 的传感模型。针对三维磁场 GMM-FBG 磁场传感器的磁滞非线性问题，提出了一种改进的 Preisach 磁滞模型。并采用非线性遗传算法对磁滞模型进行了参数辨识，并对传感系统进行了磁滞补偿，相应的仿真和实验结果表明：改进后模型的预测误差小于 3.0%。
(2) 对三维磁场 GMM-FBG 传感器进行了结构设计，并对传感探头的结构、单轴传感器和传感器驱动磁场的参数进行设计与计算。针对三维 GMM-FBG 传感器的电磁特性和应力传递特性比较复杂的特性，建立了一种 GMM-FBG 有限元分析模型，并采用 COMSOL Multiphysics 软件进行有限元分析，对胶粘剂参数、封装形式、不同磁场对所建 GMM-FBG 有限元分析模型的传感特性的影响进行了应力场分析。结果表明：胶粘剂采用环氧树脂，封装形式采用全包裹封装，匀强磁场的情况下，GMM-FBG 的应变传递效率较高。所设计的 GMM-FBG 磁场传感器的测量灵敏度可达到 7.31pm/（A/m），提高了 GMM-FBG传感器的测量精度。对传感模型的应力场分析为设计高精度 GMM-FBG传感器提供了相应的理论及技术支持。
(3) 设计与搭建了三维磁场 GMM-FBG 传感器实验平台，运用改进 Preisach 模型对传感器的磁滞特性进行仿真并对仿真结果进行了实验验证，实验及仿真结果表明该模型具有较好的预测性。对三维磁场 GMM-FBG 传感器探头的中心波长进行了标定，最后对三维磁场 GMM-FBG 传感器进行了误差分析与校正，校正后测量极差减少为 28.9μT。所设计的三维磁场 GMM-FBG 传感系统的灵敏度为 0.002nm/Gs 最小可测磁场为 47.8μT。
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参考文献（略）
