[发明专利]基于弯曲形态辨识的磁感应强度与电流双参数光纤监测法

权利要求书

1.一种基于弯曲形态辨识的磁感应强度与电流双参数光纤监测法,包括以下步骤：

步骤一：基于简支梁模型与洛伦兹力激励的三维磁场感知机构设计

根据右手定则，定义三维磁场坐标系XYZ；三维磁场简支封装模型(6)由三根简支梁(2)、每根简支梁外的绝缘外壳(1)构成，简支梁为导电金属材料；每根简支梁上的绝缘外壳(1)为长方体结构，三根简支梁两两互相垂直并且分别与XYZ坐标系下X轴、Y轴和Z轴重合，三根简支梁中心线的延长线相交于O点，三根简支梁在靠近O点处分别与三个绝缘外壳(1)绞支，三根简支梁在远离O点处分别与三个绝缘外壳(1)固支；从O点处引出三根导线(5)分别与三根简支梁近O点处连接，三根简支梁在远离O点一端分别通过另外三根导线(5)连接到三维磁场简支封装模型(6)外；

步骤二：分布式光纤布拉格光栅形态传感器布局

2-1建立三个简支梁的xoy坐标系

位于XYZ坐标系的X轴上的简支梁，用于感知Z方向磁场，该简支梁有效长感知长度段的中点作为xoy坐标系原点o，X轴正方向为xoy坐标系x轴正方向，Y轴正方向为xoy坐标系y轴正方向；

位于XYZ坐标系的Y轴上的简支梁，用于感知X方向磁场，该简支梁有效长感知长度段的中点作为xoy坐标系原点o，Y轴正方向为xoy坐标系x轴正方向，Z轴正方向为xoy坐标系y轴正方向；

位于XYZ坐标系的Z轴上的简支梁，用于感知Y方向磁场，该简支梁有效长感知长度段的中点作为xoy坐标系原点o，Z轴负方向为xoy坐标系x轴正方向，X轴正方向为xoy坐标系y轴正方向；

2-2光纤光栅布置

上述简支梁的两端通过绝缘外壳(1)固定，其中一端为绞支，一端为固支；简支梁在绝缘外壳内的有效感知长度为l；在以简支梁中点为原点o，根据右手定则在上述xoy坐标系下，在简支梁的x＝-l/2、-l/4、l/4、l/2四处位置两侧对称粘贴光纤光栅(3)，同一位置处的光纤光栅选取中心波长一致，不同位置处的光纤光栅选取中心波长均不一致；

步骤三：用于磁场感应的简支梁模型应力函数与形变响应函数推导

当具有一定大小、方向的电流通过位于绝缘外壳(1)内部且固定于绝缘外壳(1)两端的简支梁时，在外界存在磁场的情况下，根据洛伦兹力产生原理及安培力原理，固定于绝缘外壳(1)两端的简支梁将会产生与外界磁场大小、方向相关的形变；

设大小为I的电流流过简支梁，外界磁场B作用于简支梁，则简支梁产生的应力函数和形变函数为：

式中，σ_x、σ_y分别为x、y方向的正应力，τ_xy表示梁的xy平面的切应变，q为简支梁所受均布载荷、E为简支梁的弹性模量、J为简支梁的惯性矩、l为简支梁长度、h为简支梁的横截面高度、μ为简支梁材料的泊松比；

步骤四：光纤布拉格光栅传感器中心波长偏移量与基于磁感应简支梁形变函数二阶导数所得曲率之间关系模型的构建

位于任一简支梁两端的光纤光栅产生的形变与该简支梁相同，由于

式中，P_e表示弹光系数，λ_B表示光纤光栅的初始波长，α表示光纤的热膨胀系数，ζ为光纤热光系数，ΔT为温度变化量，Δλ_d、ε_d为黏贴于简支梁下表面光纤光栅波长偏移量、应变，Δλ_u、ε_u为黏贴于简支梁上表面光纤光栅波长偏移量、应变，则中性层光纤光栅中心波长偏移量与简支梁所受应变关系为：

将(3)与(4)相减，即可实现温度补偿；

光纤布拉格光栅传感器中心波长偏移量与基于磁感应简支梁形变函数二阶导数所得曲率之间关系模型为：

式中，Δλ_m、ε_m和ρ_m为简支梁中性层光纤光栅波长的偏移量、应变和曲率，D为光纤直径；

步骤五：基于光纤光栅中心波长偏移量的三维简支梁磁感应强度与电流双参量推演模型构建

(1)磁场大小辨识

当x＝-l/2时，根据(6)式，解得：

当x＝-l/4时，根据(6)式，解得：

由对称性可得x＝l/4、x＝l/2时的等式分别转化为：

式中，q为简支梁所受均布载荷、E为简支梁的弹性模量、J为简支梁的惯性矩、l为简支梁长度、h为简支梁的横截面高度、μ为简支梁材料的泊松比，λ_B表示光纤光栅的初始波长，P_e为弹光系数；

当电流大小I为定值时，即I₁＝I₂＝I₃＝I₄，x＝-l/2、-l/4、l/4、l/2时，光纤光栅中心波长偏移量分别为Δλ_-l/2、Δλ_-l/4、Δλ_l/4、Δλ_l/2，由(7)-(10)式求得磁感应强度分别为B₁、B₂、B₃、B₄，则外界被测磁感应强度大小为：

(2)磁场方向辨识

X轴上的简支梁用于感知Z方向磁场，Y轴上的简支梁用于感知X方向磁场，Z轴上的简支梁用于感知Y方向磁场，三根简支梁辨识磁场方向的方法相同；

任一简支梁在对应的二维xoy坐标系下，设简支梁正反面对称位置两个光纤光栅的中心波长偏移量分别为Δλ_u和Δλ_d；若Δλ_u为负值，Δλ_d为正值，则简支梁向负y轴弯曲；当电流沿x轴正方向通过简支梁时，则磁场方向在对应的二维坐标系下为垂直纸面向外，当电流沿x轴负方向通过简支梁时，则磁场方向在对应的二维坐标系下为垂直纸面向里；

若Δλ_u为正值，Δλ_d为负值，则简支梁向正y轴弯曲；当电流沿x轴正方向通过简支梁时，则磁场方向在对应的二维坐标系下为垂直纸面向里，当电流沿x轴负方向通过简支梁时，则磁场方向在对应的二维坐标系下为垂直纸面向外；

(3)电流强度监测

当磁感应强度B为定值时，即B₁＝B₂＝B₃＝B₄，x＝-l/2、-l/4、l/4、l/2时，光纤光栅中心波长偏移量分别为Δλ_-l/2、Δλ_-l/4、Δλ_l/4、Δλ_l/2，由(7)～(10)式求得电流大小分别为I₁、I₂、I₃、I₄，则电流大小为：

(4)电流方向辨识

X轴上的简支梁，用于感知Z方向磁场、Y轴上的简支梁，用于感知X方向磁场和Z轴上的简支梁，用于感知Y方向磁场的三根简支梁辨识磁场方向的方法相同；

任一简支梁在对应的二维xoy坐标系下，设简支梁正反面对称位置两个光纤光栅的中心波长偏移量分别为Δλ_u和Δλ_d；若Δλ_u为负值，Δλ_d为正值，则简支梁向负y轴弯曲；当磁场方向在对应的二维坐标系下为垂直纸面向外，则电流沿x轴正方向通过简支梁；当磁场方向在对应的二维坐标系下为垂直纸面向里，则电流沿x轴负方向通过简支梁；

若Δλ_u为正值，Δλ_d为负值，则简支梁向负y轴弯曲；当磁场方向在对应的二维坐标系下为垂直纸面向外，则电流沿x轴负方向通过简支梁；当磁场方向在对应的二维坐标系下为垂直纸面向里，则电流沿x轴正方向通过简支梁。