[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

说明书

本发明公开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，属于面向结构健康监测的光纤传感领域。包括以下步骤：步骤一：三维磁场感知机构设计；步骤二：传感器布局；步骤三：应力函数与形变响应函数推导；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；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；本发明所述磁感应强度与电流双参数光纤监测方法的推演模型采用解析方式直接表征，被测参量与光纤传感器响应特性的关系明确，能够辨识磁场方向，具有结构简单、响应快速、工程实用性强等特点。

技术领域

本发明涉及的是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，属于面向结构健康监测的光纤传感领域。

背景技术

磁场传感技术是当前国际研究与应用的一个热点方向，近几十年取得了非常迅速的发展。应用广泛的霍尔器件虽然使用方便，价格便宜，但精度仍显不够,且温度稳定性不好。目前,已报道了很多光纤磁场传感器的研究，但大多基于干涉仪，由于受光纤本身长期性能稳定可靠性及外界干扰等因素的制约比较严重，使得研究应用难以深入。

另外还有很多关于利用磁致伸缩效应的光纤磁场传感器的报道，其主要问题在于磁致伸缩材料本身对被测磁场也有一定的影响，而且在实用中受温度影响较大，效果并不理想。

应用铁磁流体材料制作的光纤磁场传感器，由于这种传感器需要在传感光纤周围包裹液体，所以对传感器封装条件要求较高，且磁流体折射率最大值的限制，导致测量磁场范围受到约束，而且磁流体在使用过程中在温度变化时，折射率也会随温度而改变，进而导致测量精度受到影响。

本发明提出基于弯曲形态辨识的磁感应强度与电流双参数光纤监测方法，借助洛伦兹力原理，利用光纤传感器抗电磁干扰、灵敏度高、动态范围宽、结构紧凑和高可靠性以及低成本等特点，采用三维简支梁作为磁场所致形变与光纤光栅中心波长偏移量的感知介质，从而避开了磁致伸缩材料对磁场的影响，具有较为广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供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方法。

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由三根简支梁、每根简支梁外的绝缘外壳构成，简支梁为导电金属；每根简支梁上的绝缘外壳为长方体结构，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)绞支，三根简支梁在远离O点处分别与三个绝缘外壳)固支；从O点处引出三根导线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)连接到三维磁场简支封装模型外；

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