[發明專利]一種用光纖布拉格光柵測定磁場特性的裝置與方法

有效

• 申請號: 202110618093.4
• 申請日: 2021-06-03
• 公開（公告）號: CN113281685B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 陳衛東;王傳杰;張鵬;張桂林;張明立
• 申請（專利權）人: 宏安集團有限公司;哈爾濱工業大學（威海）
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 威海恒譽潤達專利代理事務所(普通合伙) 37260
• 代理人: 曾基

1.一種用光纖布拉格光柵測定磁場特性的裝置，其設有磁體(2)，兩個所述磁體(2)之間設有裝有磁流變液(3)的密閉容器(4)，所述磁流變液(3)內插入FBG傳感器(5)，在光纖(8)上刻有光柵形成所述FBG傳感器(5)，其特征在于，其設有一對線性位移平臺(1)，兩個所述線性位移平臺(1)相對間隔設置，每個所述線性位移平臺(1)上各安裝有一個所述磁體(2)，兩個所述磁體(2)的磁極相反，且正對設置；所述磁流變液(3)內還插入霍爾探頭(6)，所述FBG傳感器(5)與光學詢問器(7)通過光纖(8)連接，所述霍爾探頭(6)與特斯拉計(9)電連接；兩個所述磁體(2)相對于所述密閉容器(4)呈對稱間隔設置；

所述密閉容器(4)為中空兩端封閉的柱狀結構；沿所述密閉容器(4)的中心軸線上安裝設有所述FBG傳感器(5)；在所述密閉容器(4)內，所述FBG傳感器(5)緊挨著所述霍爾探頭(6)，且二者并行設置；所述FBG傳感器(5)設有多個，多個所述FBG傳感器(5)間隔設置，形成FBG陣列；

所述密閉容器(4)設有柱狀管(10)、第一封閉體(11)、第二封閉體(12)，所述第一封閉體(11)、所述第二封閉體(12)分別連接在所述柱狀管(10)的左右兩側，所述第一封閉體(11)、所述第二封閉體(12)、所述柱狀管(10)形成密閉空腔，所述密閉空腔內填充所述磁流變液(3)，在所述第一封閉體(11)位于所述密閉空腔內的一側開設有安裝盲孔(13)；所述光纖(8)的其中一端穿入所述第二封閉體(12)，經過所述密閉空腔，進入安裝盲孔(13)內；在所述安裝盲孔(13)內，所述光纖(8)的端部安裝有反射鏡(14)，且所述反射鏡(14)與所述安裝盲孔(13)的底部間隔設置有用于所述光纖(8)伸長或縮短的緩沖空間(15)；在所述密閉空腔內，所述光纖(8)與所述柱狀管(10)的中軸線重合，所述霍爾探頭(6)緊挨著所述光纖(8)，且與所述光纖(8)并行設置。

2.根據權利要求1所述的一種用光纖布拉格光柵測定磁場特性的裝置，其特征在于，所述密閉容器(4)還設有第一法蘭(16)、第二法蘭(17)，所述柱狀管(10)的左側通過所述第一法蘭(16)與所述第一封閉體(11)相連接，所述柱狀管(10)的右側通過所述第二法蘭(17)與所述第二封閉體(12)相連接。

3.根據權利要求2所述的一種用光纖布拉格光柵測定磁場特性的裝置，其特征在于，所述第一封閉體(11)開設有環形安裝槽(18)，所述柱狀管(10)的左側適配插入所述環形安裝槽(18)內。

4.根據權利要求1所述的一種用光纖布拉格光柵測定磁場特性的裝置，其特征在于，所述FBG傳感器(5)的波長范圍為1535nm～1551nm；所述FBG傳感器(5)的數量為2～10個，相鄰兩個所述FBG傳感器(5)之間距離為2～10mm。

5.根據權利要求1所述的一種用光纖布拉格光柵測定磁場特性的裝置，其特征在于，所述磁流變液(3)是一種微尺寸可磁化顆粒與絕緣載體流體混合的懸浮液，所述可磁化顆粒為直徑為0.1～1μm的Fe₃O₄羰基鐵粉，所述絕緣載體流體為礦物基或硅樹脂基，其中所述可磁化顆粒的重量百分比為70～90％。

6.根據權利要求1所述的一種用光纖布拉格光柵測定磁場特性的裝置，其特征在于，所述磁體(2)為釹磁鐵。

7.一種用光纖布拉格光柵測定磁場特性的方法，其特征在于，使用權利要求1-6任一項所述的一種用光纖布拉格光柵測定磁場特性的裝置，其方法包括：

(1)分別向相反方向同時以相同的速度移動兩個所述磁體(2)，在移動過程中，兩個所述磁體(2)相對于所述密閉容器(4)始終保持對稱間隔設置，以改變所述密閉容器(4)所在位置的磁場強度，磁場在0到100mT范圍內增加，通過所述特斯拉計(9)測得磁場強度數值，通過所述光學詢問器(7)測得波長偏移最大FBG來確定磁場的位置；

(2)分別向相同方向同時以相同的速度移動兩個所述磁體(2)，在移動過程中，兩個所述磁體(2)相對于所述密閉容器(4)始終保持對稱間隔設置，以改變所述密閉容器(4)所在位置的磁場強度，相對所述磁體(2)的起始位置位移分別為5mm、15mm、25mm、35mm、45mm、55mm、65mm、75mm、85mm和95mm進行測試：通過所述特斯拉計(9)測得磁場強度數值，通過所述光學詢問器(7)測的波長偏移最大FBG來確定磁場的位置；

(3)通過利用kNN算法將步驟(1)和步驟(2)中在算法訓練階段定義的每個磁場定位的歐幾里德距離與在每次測量時獲得的數據進行比較，提供磁體(2)定位點的離散分類，并對接收到的數據和訓練類之間執行組合；利用kNN獲得被測磁場位置，再利用距離被測磁場位置最近的FBG的磁場特征方程確定磁場強度；

所述磁場的增加和MR流體的應力τy呈-0.5次方關系為式中，μ₀M_s為飽和磁化強度，H₀為磁場強度，為顆粒懸浮濃度；

所述FBG波長變化與軸向應變和溫度敏感之間滿足關系式為Δλ_B＝[(1-P_e)ε+(α+ξ)ΔT]λ_B，式中，λ_B是布拉格波長，ΔT是溫度變化，α是光纖(8)的線性熱膨脹系數，ξ是熱光系數，P_e是光彈性常數，ε是FBG上的軸向應變。