[發(fā)明專利]一種基于J-A模型的GMM-FBG交流電流傳感器

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910051972.6
• 申請(qǐng)日: 2019-01-21
• 公開（公告）號(hào): CN109753752A
• 公開（公告）日: 2019-05-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 滕峰成;王珊珊;張昊陽;程安迪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 燕山大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50;G01R19/00;G01R35/00
• 代理公司: 北京挺立專利事務(wù)所(普通合伙) 11265
• 代理人: 劉陽

1.一種基于J-A模型的GMM-FBG交流電流傳感器，將光纖光柵和超磁致伸縮材料固性連接，置于被檢測交流電流產(chǎn)生的磁場中；使超磁致伸縮材料應(yīng)變量傳遞到光纖光柵上，引起光纖光柵中心波長的漂移，其特征在于，其校準(zhǔn)方法為：

步驟1，GMM-FBG交流電流傳感器驅(qū)動(dòng)模型

基于超磁致伸縮材料的應(yīng)變量與磁場強(qiáng)度的線性相關(guān)，對(duì)超磁致伸縮材料施加一個(gè)偏置磁場；確定超磁致伸縮材料軸向中心磁場的磁場強(qiáng)度，與被檢測交流電流的關(guān)系；考慮磁場有漏磁現(xiàn)象以及超磁致伸縮材料的磁滯效應(yīng)，確定磁場強(qiáng)度與磁化強(qiáng)度的關(guān)系：確定超磁致伸縮材料應(yīng)變量與磁場強(qiáng)度的關(guān)系；基于光纖光柵應(yīng)變量與中心波長漂移的關(guān)系，以及超磁致伸縮材料非線性壓磁本構(gòu)關(guān)系，確定光纖光柵波長漂移量與被檢測交流電流的關(guān)系；

步驟2、基于經(jīng)典J-A模型的改進(jìn)修正磁場強(qiáng)度與磁化強(qiáng)度的關(guān)系，建立磁化模型；

基于經(jīng)典J-A模型確定超磁致伸縮材料外加磁場和超磁致伸縮材料磁化強(qiáng)度之間的關(guān)系；基于超磁致伸縮材料的磁機(jī)耦合特性，對(duì)步驟(1)中磁場強(qiáng)度與磁化強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行修正，建立GMM準(zhǔn)靜態(tài)磁化模型；基于激磁線圈交變磁場下的渦流效應(yīng)和額外損耗，利用總的磁化能量為磁彈性能和能量損耗之和，對(duì)步驟(1)中磁場強(qiáng)度與磁化強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行修正，建立GMM動(dòng)態(tài)磁化模型；

步驟3、轉(zhuǎn)化模型的求解以及GMM-FBG交流電流傳感器的校準(zhǔn)

利用遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)識(shí)別算法對(duì)轉(zhuǎn)化模型中的參數(shù)進(jìn)行識(shí)別求解，然后將轉(zhuǎn)化模型置于GMM-FBG交流電流傳感器驅(qū)動(dòng)模型，完成GMM-FBG交流電流傳感器的校準(zhǔn)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于J-A模型的GMM-FBG交流電流傳感器，其特征在于，所述步驟1中GMM-FBG交流電流傳感器驅(qū)動(dòng)模型為：

(1)輸入電流與磁場強(qiáng)度的關(guān)系：

將超磁致伸縮材料置于激磁線圈中，為了使超磁致伸縮材料工作在超磁致伸縮材料的應(yīng)變量與磁場強(qiáng)度的線性相關(guān)區(qū)，應(yīng)當(dāng)給磁致伸縮材料施加一個(gè)偏置磁場H_b，假設(shè)激磁線圈為理想長直螺線管，當(dāng)向激磁線圈通入交變電流時(shí)，超磁致伸縮材料軸向中心磁場的磁場強(qiáng)度可表示為：

H＝NIsin(2πft+φ)+H_b (1)

式中，N為單位長度匝數(shù)；I為輸入電流幅值；f為驅(qū)動(dòng)頻率；

(2)超磁致伸縮材料應(yīng)變量與磁場強(qiáng)度的關(guān)系：

由于激磁線圈有漏磁現(xiàn)象以及超磁致伸縮材料的磁滯效應(yīng)，將磁場強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為磁化強(qiáng)度：

式中，μ₀為真空磁導(dǎo)率；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；

磁致伸縮材料處于磁場中發(fā)生的相應(yīng)的應(yīng)變量ε的表達(dá)式為：

式中，ΔL為GMM棒的伸長量；L為棒的長度；σ為預(yù)應(yīng)力；

(3)光纖光柵應(yīng)變量與中心波長漂移的關(guān)系；

由光纖光柵的傳感特性理論可知，光柵的波長漂移為：

Δλ_B＝(1-P_e)λ_Bε (4)

式中，P_e為有效光彈系數(shù)；

公式(3)顯示超磁致伸縮材料的應(yīng)變量與磁化強(qiáng)度和預(yù)應(yīng)力相關(guān)，在激磁頻率比較低，磁場強(qiáng)度沒有達(dá)到飽和的情況下，應(yīng)變量的表達(dá)式可以表示成：

ε＝σ/E^H+qH (5)

式中，E^H為固定的磁場強(qiáng)度下的樣式模量；σ為GMM材料承受的預(yù)應(yīng)力；q為壓磁系數(shù)；

將式(5)代入式(4)中，基于GMM非線性壓磁本構(gòu)關(guān)系，得到：

將式(1)代入式(6)中，得到波長漂移量與電流的關(guān)系：

Δλ_B＝(1-P_e)(σ/E^H+q(NIsin(2πft+φ)+H_b))λ_B (7)。