一种基于J-A模型的GMM-FBG交流电流传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于J‑A模型的GMM‑FBG交流电流传感器，涉及电流检测技术领域。本发明专利技术中校准方法包含步骤如下：建立GMM‑FBG电流传感器的驱动模型；对只适用于静态的经典J‑A磁滞模型进行改进，考虑“钉扎效应”和涡流损耗及额外损耗分别建立GMM准静态和GMM动态磁化模型；对GMM‑FBG电流传感器的J‑A磁滞模型运用遗传算法优化BP神经网络进行参数辨识；进行GMM‑FBG电流传感实验，将识别出的最优参数组合代入模型。选用J‑A模型对GMM‑FBG的磁滞非线性进行研究，本发明专利技术扩大了模型的应用范围；运用BP神经网络结合遗传算法对模型进行参数辨识，通过遗传算法得到更好的网络初始权值和阈值，使模型参数的辨识的更加准确。

A GMM-FBG AC Current Sensor Based on J-A Model

【技术实现步骤摘要】
一种基于J-A模型的GMM-FBG交流电流传感器
本专利技术涉及电流检测
，尤其涉及一种基于J-A模型的GMM-FBG交流电流传感器。
技术介绍
大容量、高电压、跨区域、大电网是我国电网技术发展的方向，面对现如今经济发展、电力建设、环境恶化相互之间的矛盾，智能电网成为未来电网建设的目标，而基于信息标准化、集成化技术的数字化电网体系则是建设智能电网的基础。电流测量是电力系统安全、经济、稳定运行的一项关键技术，传统的以电磁式电流互感器为基础的电流测量技术已经很难满足第三代电网发展的要求，电网迫切寻求一种新型的互感器来满足未来发展的需要。光学电流互感器具有结构简单、抗电磁干扰、耐腐蚀、安全系数高等优点，非常适合应用于具有强电磁场、环境因素不确定特点的电力系统中。超磁致伸缩材料(GiantMagnetostrictiveMaterial，GMM)具有抗压能力和频响速度快、承载能力大、能量转换效率高、磁致伸缩系数高、机电耦合系数大、无疲劳以及能量密度高等优点，已在各种换能和驱动领域被广泛使用并得到进一步发展。而且，现有技术中有结合光纤布拉格光栅(FiberBraggGrating，FBG)和超磁致伸缩材料各自的优势和特点，将GMM和FBG组合作为传感单元进行电流测量的先例。虽然超磁致伸缩材料优点突出，但其也存在不足之处：其一，当高频交变磁场通过超磁致伸缩材料时，在其内部将产生涡流损耗，造成GMM温度升高，降低其能量转换效率；其二，超磁致伸缩材料作为一种铁磁性材料，本身固有的磁滞非线性会对电流传感器的输出特性造成影响；上述两种影响将导致GMM-FBG交流电流传感器在测量过程中，测量值与实际值有所偏差。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术目的在于提供一种基于J-A模型的GMM-FBG交流电流传感器，旨在通过对J-A模型进行改进，弥补涡流损耗以及磁滞现象对GMM-FBG交流电流传感器的影响。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：一种基于J-A模型的GMM-FBG交流电流传感器，将光纤光栅和超磁致伸缩材料固性连接，置于被检测交流电流产生的磁场中；使超磁致伸缩材料应变量传递到光纤光栅上，引起光纤光栅中心波长的漂移，其特征在于，其校准方法为：步骤1，GMM-FBG交流电流传感器驱动模型基于超磁致伸缩材料的应变量与磁场强度的线性相关，对超磁致伸缩材料施加一个偏置磁场；确定超磁致伸缩材料轴向中心磁场的磁场强度，与被检测交流电流的关系；考虑磁场有漏磁现象以及超磁致伸缩材料的磁滞效应，确定磁场强度与磁化强度的关系：确定超磁致伸缩材料应变量与磁场强度的关系；基于光纤光栅应变量与中心波长漂移的关系，以及超磁致伸缩材料非线性压磁本构关系，确定光纤光栅波长漂移量与被检测交流电流的关系；步骤2、基于经典J-A模型的改进修正磁场强度与磁化强度的关系，建立磁化模型；基于经典J-A模型确定超磁致伸缩材料外加磁场和超磁致伸缩材料磁化强度之间的关系；基于超磁致伸缩材料的磁机耦合特性，对步骤(1)中磁场强度与磁化强度的关系进行修正，建立GMM准静态磁化模型；基于激磁线圈交变磁场下的涡流效应和额外损耗，利用总的磁化能量为磁弹性能和能量损耗之和，对步骤(1)中磁场强度与磁化强度的关系进行修正，建立GMM动态磁化模型。步骤3、转化模型的求解以及GMM-FBG交流电流传感器的校准利用遗传算法优化BP神经网络参数识别算法对转化模型中的参数进行识别求解，然后将转化模型置于GMM-FBG交流电流传感器驱动模型，完成GMM-FBG交流电流传感器的校准。进一步的技术方案在于，所述步骤1中GMM-FBG交流电流传感器驱动模型为：(1)输入电流与磁场强度的关系：将超磁致伸缩材料置于激磁线圈中，为了使超磁致伸缩材料工作在超磁致伸缩材料的应变量与磁场强度的线性相关区，应当给磁致伸缩材料施加一个偏置磁场Hb，假设激磁线圈为理想长直螺线管，当向激磁线圈通入交变电流时，超磁致伸缩材料轴向中心磁场的磁场强度可表示为：H＝NIsin(2πft+φ)+Hb(1)式中，N为单位长度匝数；I为输入电流幅值；f为驱动频率；(2)超磁致伸缩材料应变量与磁场强度的关系：由于激磁线圈有漏磁现象以及超磁致伸缩材料的磁滞效应，将磁场强度转化为磁化强度：式中，μ0为真空磁导率；B为磁感应强度；磁致伸缩材料处于磁场中发生的相应的应变量ε的表达式为：式中，ΔL为GMM棒的伸长量；L为棒的长度；σ为预应力；(3)光纤光栅应变量与中心波长漂移的关系；由光纤光栅的传感特性理论可知，光栅的波长漂移为：ΔλB＝(1-Pe)λBε(4)式中，Pe为有效光弹系数；公式(3)显示超磁致伸缩材料的应变量与磁化强度和预应力相关，在激磁频率比较低，磁场强度没有达到饱和的情况下，应变量的表达式可以表示成：ε＝σ/EH+qH(5)式中，EH为固定的磁场强度下的样式模量；σ为GMM材料承受的预应力；q为压磁系数；将式(5)代入式(4)中，基于GMM非线性压磁本构关系，得到：将式(1)代入式(6)中，得到波长漂移量与电流的关系：ΔλB＝(1-Pe)(σ/EH+q(NIsin(2πft+φ)+Hb))λB(7)进一步的技术方案在于，所述步骤2的磁化模型建立步骤为：(1)经典J-A模型；利用J-A铁磁磁化理论模型确定磁性材料所受的有效外加磁场He；He＝H+αM(8)依据Boltzman原理，确定完全可逆的无磁滞磁化强度Man，该部分磁化强度主要是由磁畴转产产生的；确定不可逆磁化强度Mirr，该部分磁化强度主要是由畴壁位移产生的；确定由畴壁弯曲产生的可逆磁化强度Mrev；Mrev＝c(Man-Mirr)(11)总磁化强度M为Mirr和Mrev之和。M＝Mirr+Mrev(12)式中，Ms为饱和磁化强度；a为无磁滞磁化强度形状系数；α为磁畴相互作用系数；k为不可逆磁滞损耗系数；c为可逆系数；通过联立(8)～(12)，J-A模型的主方程可以写为：(2)GMM准静态磁化模型；根据Jiles-Atherton铁磁理论，铁磁材料的磁化过程可分为两部分，一部分为由“钉扎效应”引起的不可逆磁化强度；还有一部分为达到钉扎点之前的磁畴弯曲所引起的可逆磁化强度。根据能量守恒定律，可以得到如下微分方程：式中，Man为无磁滞磁化强度；Heff为有效磁场强度。有效磁场Heff是由驱动磁场H和αM以及Hδ三部分组成。其中，αM为磁畴之间相互耦合的平均磁场强度，Hδ为与材料有关的磁化强度。考虑材料的磁机耦合特性，所以此处可以将有效磁场Heff修正为：上式中，α为平均磁场参数，σ为预应力，μ0为真空磁导率，λs为饱和磁致伸缩。根据上节中J-A模型的式(12)，可以得到如下的微分方程：将式(11)带入式(16)，化简可得：当时，J-A模型会产生负的磁化系数，为了防止无意义的现象产生，在此引入参数：则总的磁化微分方程可变为：(3)GMM动态磁化模型；建立能适用于中高频动态磁化条件的磁滞模型，必须考虑交变磁场下的涡流效应和额外损耗。根据麦克斯韦方程，可知：式中，ρ是电阻率；d是分层厚度或直径；B是磁感应强度；β是几何形状因子，对于圆柱体，β＝16；S是材料横截面积；G是无量纲常量，G＝0.1356；H0表示由于畴壁运动引起的内部势能波动的参数，等效为磁场。材料在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于J‑A模型的GMM‑FBG交流电流传感器，将光纤光栅和超磁致伸缩材料固性连接，置于被检测交流电流产生的磁场中；使超磁致伸缩材料应变量传递到光纤光栅上，引起光纤光栅中心波长的漂移，其特征在于，其校准方法为：步骤1，GMM‑FBG交流电流传感器驱动模型基于超磁致伸缩材料的应变量与磁场强度的线性相关，对超磁致伸缩材料施加一个偏置磁场；确定超磁致伸缩材料轴向中心磁场的磁场强度，与被检测交流电流的关系；考虑磁场有漏磁现象以及超磁致伸缩材料的磁滞效应，确定磁场强度与磁化强度的关系：确定超磁致伸缩材料应变量与磁场强度的关系；基于光纤光栅应变量与中心波长漂移的关系，以及超磁致伸缩材料非线性压磁本构关系，确定光纤光栅波长漂移量与被检测交流电流的关系；步骤2、基于经典J‑A模型的改进修正磁场强度与磁化强度的关系，建立磁化模型；基于经典J‑A模型确定超磁致伸缩材料外加磁场和超磁致伸缩材料磁化强度之间的关系；基于超磁致伸缩材料的磁机耦合特性，对步骤(1)中磁场强度与磁化强度的关系进行修正，建立GMM准静态磁化模型；基于激磁线圈交变磁场下的涡流效应和额外损耗，利用总的磁化能量为磁弹性能和能量损耗之和，对步骤(1)中磁场强度与磁化强度的关系进行修正，建立GMM动态磁化模型；步骤3、转化模型的求解以及GMM‑FBG交流电流传感器的校准利用遗传算法优化BP神经网络参数识别算法对转化模型中的参数进行识别求解，然后将转化模型置于GMM‑FBG交流电流传感器驱动模型，完成GMM‑FBG交流电流传感器的校准。...

【技术特征摘要】
1.一种基于J-A模型的GMM-FBG交流电流传感器，将光纤光栅和超磁致伸缩材料固性连接，置于被检测交流电流产生的磁场中；使超磁致伸缩材料应变量传递到光纤光栅上，引起光纤光栅中心波长的漂移，其特征在于，其校准方法为：步骤1，GMM-FBG交流电流传感器驱动模型基于超磁致伸缩材料的应变量与磁场强度的线性相关，对超磁致伸缩材料施加一个偏置磁场；确定超磁致伸缩材料轴向中心磁场的磁场强度，与被检测交流电流的关系；考虑磁场有漏磁现象以及超磁致伸缩材料的磁滞效应，确定磁场强度与磁化强度的关系：确定超磁致伸缩材料应变量与磁场强度的关系；基于光纤光栅应变量与中心波长漂移的关系，以及超磁致伸缩材料非线性压磁本构关系，确定光纤光栅波长漂移量与被检测交流电流的关系；步骤2、基于经典J-A模型的改进修正磁场强度与磁化强度的关系，建立磁化模型；基于经典J-A模型确定超磁致伸缩材料外加磁场和超磁致伸缩材料磁化强度之间的关系；基于超磁致伸缩材料的磁机耦合特性，对步骤(1)中磁场强度与磁化强度的关系进行修正，建立GMM准静态磁化模型；基于激磁线圈交变磁场下的涡流效应和额外损耗，利用总的磁化能量为磁弹性能和能量损耗之和，对步骤(1)中磁场强度与磁化强度的关系进行修正，建立GMM动态磁化模型；步骤3、转化模型的求解以及GMM-FBG交流电流传感器的校准利用遗传算法优化BP神经网络参数识别算法对转化模型中的参数进行识别求解，然后将转化模型置于GMM-FBG交流电流传感器驱动模型，完成GMM-FBG交流电流传感器的校准。2.根据权利要求1所述一种基于J-A模型的GMM-FBG交流电流传感器，其特征在于，所述步骤1中GMM-FBG交流电流传感器驱动模型为：(1)输入电流与磁场强度的关系：将超磁致伸缩材料置于激磁线圈中，为了使超磁致伸缩材料工作在超磁致伸缩材料的应变量与磁场强度的线性相关区，应当给磁致伸缩材料施加一个偏置磁场Hb，假设激磁线圈为理想长直螺线管，当向激磁线圈通入交变电流时，超磁致伸缩材料轴向中心磁场的磁场强度可表示为：H＝NIsin(2πft+φ)+Hb(1)式中，N为单位长度匝数；I为输入电流幅值；f为驱动频率；(2)超磁致伸缩材料应变量与磁场强度的关系：由于激磁线圈有漏磁现象以及超磁致伸缩材料的磁滞效应，将磁场强度转化为磁化强度：式中，μ0为真空磁导率；B为磁感应强度；磁致伸缩材料处于磁场中发生的相应的应变量ε的表达式为：式中，ΔL为GMM棒的伸长量；L为棒的长度；σ为预应力；(3)光纤光栅应变量与中心波长漂移的关系；由光纤光栅的传感特性理论可知，光栅的波长漂移为：ΔλB＝(1-Pe)λBε(4)式中，Pe为有效光弹系数；公式(3)显示超磁致伸缩材料的应变量与磁化强度和预应力相关，在激磁频率比较低，磁场强度没有达到饱和的情况下，应变量的表达式可以表示成：ε＝σ/EH+qH(5)式中，EH为固定的磁场强度下的样式模量；σ为GMM材料承受的预应力；q为压磁系数；将式(5)代入式(4)中，基于GMM非线性压磁本构关系，得到：将式(1)代入式(6)中，得到波长漂移量与电流的关系：ΔλB＝(1-Pe)(σ/EH+q(NIsin(2πft+φ)+Hb))λB(7)。3.根据权利要求1所述的一种基于J-A模型的GMM-FBG交流电流传感器，其特征在于，所述步骤2的磁化模型建立步骤为：(1)经典J-A模型；利用J-A铁磁磁化理论模型确定磁性材料所受的有效外加磁场He；He＝H+αM(8)依据Boltzman原理，确定完全可逆的无磁滞磁化强度Man，该部分磁化强度主要是由磁畴转产产生的；确定不可逆磁化强度Mirr，该部分磁化强度主要是由畴壁位移产生的；确定由畴壁弯曲产生的可逆磁化强度Mrev；Mrev＝c(Man-Mirr)(11)总磁化强度M为Mirr和Mrev之和；M＝Mirr+Mrev(12)式中，Ms为饱和磁化强度；a为无磁滞磁化强度形状系数；α为...

【专利技术属性】
技术研发人员：滕峰成，王珊珊，张昊阳，程安迪，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13