基于自由能模型的GMM-FBG交流电流传感器制造技术

本发明专利技术涉及光学电流传感器领域，具体涉及基于自由能模型的GMM‑FBG交流电流传感器。校准方法包含步骤如下，1，设计GMM‑FBG交流电流传感器驱动模型；2，确定输入电流与磁场强度的关系；3，GMM材料发生伸缩应变，确定超磁致伸缩材料应变量与磁场强度的关系；步骤4，GMM发生磁滞损耗，设计动态Smith自由能模型，确定GMM材料中磁场强度与磁感应强度的关系，对其建模补偿；步骤5，粘合在GMM表面的FBG的中心波长发生偏移，确定磁感应强度与波长漂移量之间的关系；步骤6，确定传感模型FBG中心波长偏移量与被测电流的关系，辨识模型参数，优化模型。本发明专利技术可用于动态电流测量，传感器应用范围广。

Gmm-fbg AC current sensor based on free energy model

【技术实现步骤摘要】
基于自由能模型的GMM-FBG交流电流传感器
本专利技术涉及光学电流传感器领域，具体涉及基于自由能模型的GMM-FBG交流电流传感器。
技术介绍
当今时代电力网络迅猛发展，电流传感器对实现电流的准确计量和监测发挥着愈来愈重要的作用。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当下大电流、高电压和强功率电力系统的计量和监测需要，光学电流互感器以其绝缘性能好、体积小、无源器件的优点成为电流测量技术的研究热点。到目前为止对光学电流互感器研究主要分为三种：一种是源于法拉第原理的电流互感器、一种是源于磁流体原理的电流互感器，还有一种是源于超磁致伸缩材料(GMM)与光纤光栅(FBG)相结合的电流互感器。全光纤电流互感器实验操作方便，抗噪声性能优良，但是它光纤固有的双折射、受环境温度影响等缺陷，对测量的灵敏度和精度带来了很大的干扰。GMM与FBG相结合的电流互感器，利用超磁滞伸缩材料优良的磁滞伸缩特性，将光纤光栅黏附于超磁致伸缩材料表面，对受激励磁场作用的FBG中心波长的变化进行测量，根据FBG的传感特性从而测出电流。作为传感核心元件GMM在超出一定的磁场范围时容易发生磁饱和现象，太高的信号频率会对超磁致伸缩材料的磁弹性动态效应、涡流效应和磁滞效应造成较大的影响，这就给需要对外界磁场的变化做出快速反应的传感器系统增加了复杂性和较高的测量误差，需要对其进行建模分析，预测补偿。现在运用分析GMM磁滞现象的模型主要有：Preisach磁滞模型、Jiles-Atherton磁滞模型、自由能磁滞模型。自由能磁滞模型具有模型简单、涉及参数少和考虑外界影响(如涡流、温度等)易修正等优点，是GMM-FBG电流传感器研究的关键技术环节。
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自由能模型的GMM-FBG交流电流传感器，旨在通过对Smith自由能模型进行改进，考虑涡流损失的影响，设计动态Smith自由能模型，使得此模型不仅适用于低频情况、还能够使GMM-FBG交流电流传感器在高频状态下精确测量。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：基于自由能模型的GMM-FBG交流电流传感器，利用超磁滞伸缩材料在磁场的作用下产生轴向伸缩效应，引起与之相连的光纤布拉格光栅中心波长发生漂移，通过检测波长的偏移量，获得被测电流量；传感方法如下：步骤1、设计GMM-FBG交流电流传感器驱动模型，传感部分由激磁线圈、超磁致伸缩棒、光纤光栅三部分组成，确定I-H的模型、H-M的Smith自由能模型、M-λ的模型；步骤2、激磁线圈输入被测电流，步骤1中的传感器开始工作，确定传感器中输入电流与磁场强度的关系；步骤3、由步骤2中产生的磁场强度引起GMM材料发生伸缩应变，确定超磁致伸缩材料应变量与磁场强度的关系；步骤4、步骤3中超磁滞伸缩棒在交变磁场中会产生磁滞损耗，需进行建模补偿，设计动态Smith自由能模型，确定GMM材料中磁场强度与磁感应强度的关系；步骤5、步骤4中的GMM材料导致FBG材料的中心波长发生偏移，根据光纤布拉格光栅的传感原理，得出磁感应强度与波长漂移量之间的关系；步骤6、确定光纤光栅波长漂移量与被检测交流电流之间的关系，运用非线性遗传算法，辨识模型参数，优化GMM-FBG交流电流传感器模型。进一步的技术方案在于，所述步骤2中GMM-FBG交流电流传感器的激磁线圈部分，输入电流与磁场强度的关系：超磁致伸缩材料在被测电流产生的正弦交变磁场的作用下，在正负两个方向都会产生磁滞伸缩，因此输出信号的频率是输入信号频率的两倍，即倍频现象，为消除这种现象，给超磁滞伸缩棒施加一个偏置磁场Hb。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为线圈匝数；I为输入电流幅值；f为驱动频率。进一步的技术方案在于，所述步骤3中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。进一步的技术方案在于，所述步骤4中关于超磁滞伸缩材料中磁场强度与磁感应强度关系的动态Smith自由能磁滞模型：(1)经典Smith自由能模型：考虑材料的非均匀性，计及由于磁畴间耦合引起的平均场效应，有着变化有效场的非均匀多晶超磁致伸缩材料的磁化强度模型为：为平均磁场强度；H为输入磁场强度；Hc为临界磁场强度；为平均临界磁场强度。其中，当地磁化强度为：磁距的初始取向值为：其中，或当地磁化强度发生转捩的时间集合τ(t)表示为：τ(t)＝{t∈(0,Tf]|H(t)＝-Hc或H(t)＝Hc}(7)(2)动态Smith自由能模型：经典自由能磁滞模型没有考虑涡流损失效应，仍旧限制于低频驱动范围；根据涡流损失能量原理，提出了动态的自由能磁滞模型。可采用平行于磁滞感应器放置一电阻Reddy方法来等效涡流损失，这种等效方法只是现象学方法，不涉及涡流损失动态性的过程原理。与自由能磁滞模型耦合得动态Smith自由能模型为：其中，N为线圈匝数；Am为横截面积；c0为线圈因子；μ0＝4π×10-7H/m为磁导率。进一步的技术方案在于，所述步骤5中关于与超磁滞伸缩材料粘合的光纤布拉格光栅发生伸缩应变后时，磁感应强度与波长漂移量之间的关系为：由光纤布拉格光栅的传感特性原理可知，光栅的中心波长漂移量可表示为：其中，Pe为有效光弹系数。超磁致伸缩材料在外加应力与磁场作用下发生磁致伸缩，不考虑磁滞的情况下，超磁滞伸缩材料的应变量表达式可表示为：ε＝σ/EH+qH(10)B＝qσ+μH(11)其中，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；μ为恒定应力下的磁导率；B为磁感应强度；H为外加磁场强度。考虑超磁滞伸缩材料的磁滞非线性时，磁致伸缩与磁化强度之间的关系为：其中，λ为具有磁滞的伸缩应变量；λs为饱和磁致伸缩系数；Ms为饱和磁化强度；则磁感应强度与波长漂移量之间的关系为：进一步的技术方案在于，所述步骤6中非线性遗传算法的应用，对模型进行参数识别，优化传感器模型：非线性遗传算法是在遗传算法的基础上，运用非线性算法将遗传算法中的进化过程中的种群进行优化，更加快速的准确的得到最优种群值。GA算法是通过二进制编码映射制造出初始种群，种群中按照自然法则，通过代码的交叉和变异产生出新的一代编码，对这些种群的优劣程度进行评价，评价的标准就是适应度值的大小。选出优秀的个体重新进行交叉和变异的步骤，每次产生出新本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于自由能模型的GMM-FBG交流电流传感器，利用超磁滞伸缩材料在磁场的作用下产生轴向伸缩效应，引起与之相连的光纤布拉格光栅中心波长发生漂移，通过检测波长的偏移量，获得被测电流量；其特征在于：传感方法如下：/n步骤1、设计GMM-FBG交流电流传感器驱动模型，传感部分由激磁线圈、超磁致伸缩棒、光纤光栅三部分组成，确定I-H的模型、H-M的Smith自由能模型、M-λ的模型；/n步骤2、激磁线圈输入被测电流，步骤1中的传感器开始工作，确定传感器中输入电流与磁场强度的关系；/n步骤3、由步骤2中产生的磁场强度引起GMM材料发生伸缩应变，确定超磁致伸缩材料应变量与磁场强度的关系；/n步骤4、步骤3中超磁滞伸缩棒在交变磁场中会产生磁滞损耗，需进行建模补偿，设计动态Smith自由能模型，确定GMM材料中磁场强度与磁感应强度的关系；/n步骤5、步骤4中的GMM材料导致FBG材料的中心波长发生偏移，根据光纤布拉格光栅的传感原理，得出磁感应强度与波长漂移量之间的关系；/n步骤6、确定光纤光栅波长漂移量与被检测交流电流之间的关系，运用非线性遗传算法，辨识模型参数，优化GMM-FBG交流电流传感器模型。/n...

【技术特征摘要】
1.基于自由能模型的GMM-FBG交流电流传感器，利用超磁滞伸缩材料在磁场的作用下产生轴向伸缩效应，引起与之相连的光纤布拉格光栅中心波长发生漂移，通过检测波长的偏移量，获得被测电流量；其特征在于：传感方法如下：
步骤1、设计GMM-FBG交流电流传感器驱动模型，传感部分由激磁线圈、超磁致伸缩棒、光纤光栅三部分组成，确定I-H的模型、H-M的Smith自由能模型、M-λ的模型；
步骤2、激磁线圈输入被测电流，步骤1中的传感器开始工作，确定传感器中输入电流与磁场强度的关系；
步骤3、由步骤2中产生的磁场强度引起GMM材料发生伸缩应变，确定超磁致伸缩材料应变量与磁场强度的关系；
步骤4、步骤3中超磁滞伸缩棒在交变磁场中会产生磁滞损耗，需进行建模补偿，设计动态Smith自由能模型，确定GMM材料中磁场强度与磁感应强度的关系；
步骤5、步骤4中的GMM材料导致FBG材料的中心波长发生偏移，根据光纤布拉格光栅的传感原理，得出磁感应强度与波长漂移量之间的关系；
步骤6、确定光纤光栅波长漂移量与被检测交流电流之间的关系，运用非线性遗传算法，辨识模型参数，优化GMM-FBG交流电流传感器模型。


2.根据权利要求1所述基于自由能模型的GMM-FBG交流电流传感器，其特征在于：步骤2中GMM-FBG交流电流传感器的激磁线圈部分，输入电流与磁场强度的关系如下，
超磁滞伸缩材料在被测电流产生的正弦交变磁场的作用下，在正负两个方向都会产生磁滞伸缩，输出信号的频率是输入信号频率的两倍，产生倍频现象；为消除倍频现象，给超磁滞伸缩棒施加一个偏置磁场Hb；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表示为：
H＝NIsin(2πft+φ)+Hb(1)
式中，N为线圈匝数；I为输入电流幅值；f为驱动频率。


3.根据权利要求1所述基于自由能模型的GMM-FBG交流电流传感器，其特征在于，步骤3中超磁致伸缩材料应变量与磁场强度的关系如下，
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。


4.根据权利要求1所述基于自由能模型的GMM-FBG交流电流传感器，其特征在于：步骤4中关于超磁滞伸缩材料中磁场强度与磁感应强度关系的动态Smith自由能磁滞模型如下，
(1)经典Smith自由能模型：
考虑材料的非均匀性，计及由于磁畴间耦合引起的平均场效应，有着变化有效场的非均匀多晶超磁致伸缩材料的磁化强度模型为：




为平均磁场强度；H为输入磁场强度；Hc为临界磁场强度；为平均临界磁场强度；其中，当地磁化强度为：



磁距的初始取向值为：



其中，或
当地磁化强度发生转捩的时间集合τ(t)表示为：
τ(t)＝{t∈(0,Tf]|H(t)＝-Hc或H(t)＝Hc}(7)
(2)动态Smith自由能模型：
根据涡流损失能量原理，提出动态的自由能磁滞模型；采用平行于磁滞感应器放置一电阻Reddy方法来等效涡流损失；与自由能磁滞模型耦合得动态Smith自由能模型为：



其中，N为线圈匝数；Am为横截面积；c0为线圈因子；μ0＝4π×10-7H/m为磁导率。


5.根据权利要求1所述基于自由能模型的GMM-FBG交流电流传感器，其特征在于：步骤5中关于与超磁滞伸缩材料粘合的光纤布拉格光栅发生伸缩应变后时，磁感应强度与波长漂移量之间的关系为，
由光纤...

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