[发明专利]一种用光纤布拉格光栅测定磁场特性的装置与方法

权利要求书

1.一种用光纤布拉格光栅测定磁场特性的装置，其设有磁体(2)，两个所述磁体(2)之间设有装有磁流变液(3)的密闭容器(4)，所述磁流变液(3)内插入FBG传感器(5)，在光纤(8)上刻有光栅形成所述FBG传感器(5)，其特征在于，其设有一对线性位移平台(1)，两个所述线性位移平台(1)相对间隔设置，每个所述线性位移平台(1)上各安装有一个所述磁体(2)，两个所述磁体(2)的磁极相反，且正对设置；所述磁流变液(3)内还插入霍尔探头(6)，所述FBG传感器(5)与光学询问器(7)通过光纤(8)连接，所述霍尔探头(6)与特斯拉计(9)电连接；两个所述磁体(2)相对于所述密闭容器(4)呈对称间隔设置；

所述密闭容器(4)为中空两端封闭的柱状结构；沿所述密闭容器(4)的中心轴线上安装设有所述FBG传感器(5)；在所述密闭容器(4)内，所述FBG传感器(5)紧挨着所述霍尔探头(6)，且二者并行设置；所述FBG传感器(5)设有多个，多个所述FBG传感器(5)间隔设置，形成FBG阵列；

所述密闭容器(4)设有柱状管(10)、第一封闭体(11)、第二封闭体(12)，所述第一封闭体(11)、所述第二封闭体(12)分别连接在所述柱状管(10)的左右两侧，所述第一封闭体(11)、所述第二封闭体(12)、所述柱状管(10)形成密闭空腔，所述密闭空腔内填充所述磁流变液(3)，在所述第一封闭体(11)位于所述密闭空腔内的一侧开设有安装盲孔(13)；所述光纤(8)的其中一端穿入所述第二封闭体(12)，经过所述密闭空腔，进入安装盲孔(13)内；在所述安装盲孔(13)内，所述光纤(8)的端部安装有反射镜(14)，且所述反射镜(14)与所述安装盲孔(13)的底部间隔设置有用于所述光纤(8)伸长或缩短的缓冲空间(15)；在所述密闭空腔内，所述光纤(8)与所述柱状管(10)的中轴线重合，所述霍尔探头(6)紧挨着所述光纤(8)，且与所述光纤(8)并行设置。

2.根据权利要求1所述的一种用光纤布拉格光栅测定磁场特性的装置，其特征在于，所述密闭容器(4)还设有第一法兰(16)、第二法兰(17)，所述柱状管(10)的左侧通过所述第一法兰(16)与所述第一封闭体(11)相连接，所述柱状管(10)的右侧通过所述第二法兰(17)与所述第二封闭体(12)相连接。

3.根据权利要求2所述的一种用光纤布拉格光栅测定磁场特性的装置，其特征在于，所述第一封闭体(11)开设有环形安装槽(18)，所述柱状管(10)的左侧适配插入所述环形安装槽(18)内。

4.根据权利要求1所述的一种用光纤布拉格光栅测定磁场特性的装置，其特征在于，所述FBG传感器(5)的波长范围为1535nm～1551nm；所述FBG传感器(5)的数量为2～10个，相邻两个所述FBG传感器(5)之间距离为2～10mm。

5.根据权利要求1所述的一种用光纤布拉格光栅测定磁场特性的装置，其特征在于，所述磁流变液(3)是一种微尺寸可磁化颗粒与绝缘载体流体混合的悬浮液，所述可磁化颗粒为直径为0.1～1μm的Fe₃O₄羰基铁粉，所述绝缘载体流体为矿物基或硅树脂基，其中所述可磁化颗粒的重量百分比为70～90％。

6.根据权利要求1所述的一种用光纤布拉格光栅测定磁场特性的装置，其特征在于，所述磁体(2)为钕磁铁。

7.一种用光纤布拉格光栅测定磁场特性的方法，其特征在于，使用权利要求1-6任一项所述的一种用光纤布拉格光栅测定磁场特性的装置，其方法包括：

(1)分别向相反方向同时以相同的速度移动两个所述磁体(2)，在移动过程中，两个所述磁体(2)相对于所述密闭容器(4)始终保持对称间隔设置，以改变所述密闭容器(4)所在位置的磁场强度，磁场在0到100mT范围内增加，通过所述特斯拉计(9)测得磁场强度数值，通过所述光学询问器(7)测得波长偏移最大FBG来确定磁场的位置；

(2)分别向相同方向同时以相同的速度移动两个所述磁体(2)，在移动过程中，两个所述磁体(2)相对于所述密闭容器(4)始终保持对称间隔设置，以改变所述密闭容器(4)所在位置的磁场强度，相对所述磁体(2)的起始位置位移分别为5mm、15mm、25mm、35mm、45mm、55mm、65mm、75mm、85mm和95mm进行测试：通过所述特斯拉计(9)测得磁场强度数值，通过所述光学询问器(7)测的波长偏移最大FBG来确定磁场的位置；

(3)通过利用kNN算法将步骤(1)和步骤(2)中在算法训练阶段定义的每个磁场定位的欧几里德距离与在每次测量时获得的数据进行比较，提供磁体(2)定位点的离散分类，并对接收到的数据和训练类之间执行组合；利用kNN获得被测磁场位置，再利用距离被测磁场位置最近的FBG的磁场特征方程确定磁场强度；

所述磁场的增加和MR流体的应力τy呈-0.5次方关系为式中，μ₀M_s为饱和磁化强度，H₀为磁场强度，为颗粒悬浮浓度；

所述FBG波长变化与轴向应变和温度敏感之间满足关系式为Δλ_B＝[(1-P_e)ε+(α+ξ)ΔT]λ_B，式中，λ_B是布拉格波长，ΔT是温度变化，α是光纤(8)的线性热膨胀系数，ξ是热光系数，P_e是光弹性常数，ε是FBG上的轴向应变。