一种用光纤布拉格光栅测定磁场特性的装置与方法

技术领域

本发明涉及FBG传感器领域，尤其涉及一种用光纤布拉格光栅测定磁场特性的装置与方法。

背景技术

光纤传感器因其紧凑性、磁场抗扰度、无源操作、安全性和多路复用等优点在工业、结构健康监测、生物医学和生物化学应用领域具有广泛应用。在生物医学、航空制造、空间和地球物理研究，甚至是受控核聚变反应堆等传感应用领域，磁场检测是一个关键内容。市场上用于监测该参数的传感器易受到电磁干扰，而光纤传感技术由于其优于传统传感器的特性而成为一种选择。

磁流体是一种新型的功能材料，它是一种通常由磁性纳米颗粒(即Fe

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术的不足，提供一种用光纤布拉格光栅测定磁场特性的装置与方法，满足生物医学、航空制造、空间、地球物理以及受控核聚变反应堆等领域对磁场强度和位置分布同时测量的要求。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用光纤布拉格光栅测定磁场特性的装置，其设有一对线性位移平台，两个线性位移平台相对间隔设置，每个线性位移平台上各安装有一个磁体，两个磁体的磁极相反，且正对设置；两个磁体之间设有装有磁流变液的密闭容器，磁流变液内分别插入FBG传感器和霍尔探头，FBG传感器与光学询问器通过光纤连接，霍尔探头与特斯拉计电连接；两个磁体相对于密闭容器呈对称间隔设置。

优选的，密闭容器为中空两端封闭的柱状结构；沿密闭容器的中心轴线上安装设有FBG传感器；在密闭容器内，FBG传感器紧挨着霍尔探头，且二者并行设置。

优选的，密闭容器设有柱状管、第一封闭体、第二封闭体，第一封闭体、第二封闭体分别连接在柱状管的左右两侧，第一封闭体、第二封闭体、柱状管形成密闭空腔，密闭空腔内填充磁流变液，在第一封闭体位于密闭空腔内的一侧开设有安装盲孔；光纤的其中一端穿入第二封闭体，经过密闭空腔，进入安装盲孔内；在安装盲孔内，光纤的端部安装有反射镜，且反射镜与安装盲孔的底部间隔设置有用于光纤伸长或缩短的缓冲空间；在密闭空腔内，光纤与柱状管的中轴线重合，光纤上刻有光栅形成FBG传感器，霍尔探头紧挨着光纤，且与光纤并行设置。

优选的，密闭容器还设有第一法兰、第二法兰，柱状管的左侧通过第一法兰与第一封闭体相连接，柱状管的右侧通过第二法兰与第二封闭体相连接。

优选的，第一封闭体开设有环形安装槽，柱状管的左侧适配插入环形安装槽内。

优选的，在密闭空腔内，FBG传感器设有多个，多个FBG传感器间隔设置，形成FBG阵列。

优选的，FBG传感器的波长范围为1535nm～1551nm；FBG传感器的数量为2～10个，相邻两个FBG传感器之间距离为2～10mm。

优选的，磁流变液是一种微尺寸可磁化颗粒与绝缘载体流体混合的悬浮液，可磁化颗粒为直径为0.1～1μm的Fe

优选的，磁体为钕磁铁。

一种用FBG测定磁场特性的方法，使用上述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磁体，在移动过程中，两个磁体相对于密闭容器始终保持对称间隔设置，以改变密闭容器所在位置的磁场强度，磁场在0到100mT范围内增加，通过特斯拉计测得磁场强度数值，通过光学询问器测得波长偏移最大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磁体，在移动过程中，两个磁体相对于密闭容器始终保持对称间隔设置，以改变密闭容器所在位置的磁场强度，相对磁体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：通过特斯拉计测得磁场强度数值，通过光学询问器测的波长偏移最大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；

磁场的增加和MR流体的应力τy呈-0.5次方关系为

FBG波长变化与轴向应变和温度敏感之间满足关系式为Δλ

本发明的有益效果：

(1)本发明将光纤布拉格传感器与磁流变液体相结合同时作为磁场强度和位置分布的检测装置与方法，解决了磁场强度和位置同时测量问题。

(2)本发明利用kNN算法对样本数据进行比较分类，提供磁铁定位点的离散分类，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，通过kNN算法可以系统进行磁场强度和位置，尤其是磁场方向变化。

(3)本发明通过机器学习和k近邻的磁场位置分类算法相结合以及通过设置多组FGB，提高了检测分辨率和精度，最佳情况下的算法精度为100％，最坏情况下的精度为90％，而磁场强度估计的相对误差小于4％。

(4)本发明的传感器可测量高达1T的磁场，同时本发明方法可应用检测到毫米级分辨率和高达1MT强度的磁场位置。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的立体图的结构示意图；

图2是本发明的俯视图的结构示意图；

图3是本发明的密闭容器的结构示意图；

图4是图3所示的局部剖视图的结构示意图；

图5是图3中的安装有反射镜的FBG阵列的结构示意图；

图6是图3中的第一封闭体的结构示意图；

图7是本发明的原理的结构示意图。

图中标记：1.线性位移平台，2.磁体，3.磁流变液，4.密闭容器，5.FBG传感器，6.霍尔探头，7.光学询问器，8.光纤，9.特斯拉计，10.柱状管，11.第一封闭体，12.第二封闭体，13.安装盲孔，14.反射镜，15.缓冲空间，16.第一法兰，17.第二法兰，18.环形安装槽，19.导轨。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

由图1、图2所示，本发明提供一种用光纤布拉格光栅测定磁场特性的装置，其设有一对线性位移平台1，两个线性位移平台1相对间隔设置，每个线性位移平台1上各安装有一个磁体2，两个磁体2的磁极相反，且正对设置，二者产生互相吸引的磁力；两个磁体2之间设有装有磁流变液3(也可简称为MR流体)的密闭容器4，磁流变液3内分别插入FBG传感器5和霍尔探头6，FBG传感器5与光学询问器7通过光纤8连接，两个磁体2相对于密闭容器4呈对称间隔设置。通过光学询问器7测的波长偏移最大FBG来确定磁场的位置，霍尔探头6与特斯拉计9电连接，通过特斯拉计9测得磁场强度数值。

当MR流体受到外部磁场作用时，MR流体内的可磁化颗粒开始形成与磁感线的方向平行的柱状结构，改变了MR流体的粘度、应力等流变特性，从而产生朝向密闭容器4中心的应力，在低于磁流变液3饱和点的磁场下，磁场的增加和MR流体的应力呈-0.5次方关系，应力引起FBG区域的轴向应变，通过光学询问器7获得导致其Bragg波长偏移，通过公式计算获得被测磁场强度，利用FBG阵列，通过对每个FBG波长变化以及最邻近磁场的FBG的波长偏移计算即可获得磁场的强度及其分布。

在本实施例中，由图3-图6所示，密闭容器4可以为现有装置，也可以为如下结构，密闭容器4为中空两端封闭的柱状结构；沿密闭容器4的中心轴线上安装设有FBG传感器5；在密闭容器4内，FBG传感器5紧挨着霍尔探头6，且二者并行设置。当MR流体受到外部磁场作用时，MR流体可磁化颗粒开始形成与磁感线的方向平行的柱状结构，改变了MR流体的粘度、应力等流变特性，从而产生朝向容器中心的应力并分别作用在FBG传感器5和霍尔探头6上。

在本实施例中，密闭容器4可以设有柱状管10、第一封闭体11、第二封闭体12，第一封闭体11、第二封闭体12分别连接在柱状管10的左右两侧，第一封闭体11、第二封闭体12、柱状管10形成密闭空腔，密闭空腔内填充磁流变液3，在第一封闭体11位于密闭空腔内的一侧开设有安装盲孔13；光纤8的其中一端穿入第二封闭体12，经过密闭空腔，进入安装盲孔13内；在安装盲孔13内，光纤8的端部安装有用于反射光线的反射镜14，且反射镜14与安装盲孔13的底部间隔设置有用于光纤8伸长或缩短的缓冲空间15，在密闭空腔内，光纤8与柱状管10的中轴线重合，光纤8上刻有光栅形成FBG传感器5，霍尔探头6紧挨着光纤8，且与光纤8并行设置。当外部磁场发生变化时，MR流体的粘度、应力等流变特性发生变化，导致作用在FBG传感器5的应力也发生变化，使FBG传感器5在径向方向上发生变形；当应力变大时，FBG传感器5变细变长，导致在密闭容器4内的光纤8伸长，使反射镜14与安装盲孔13的底部的缓冲空间15变小；当应力变小时，FBG传感器5变粗变短，导致在密闭容器4内的光纤8缩短，使反射镜14与安装盲孔13的底部的缓冲空间15扩大。

在本实施例中，密闭容器4还设有第一法兰16、第二法兰17，柱状管10的左侧通过第一法兰16与第一封闭体11相连接，柱状管10的右侧通过第二法兰17与第二封闭体12相连接。第一封闭体11和第二封闭体12最好为法兰盖式结构，使连接更加方便快捷且稳定。

在本实施例中，第一封闭体11最好开设有具有定位作用的环形安装槽18，在安装时将柱状管10的左侧适配插入环形安装槽18内，更加方便快捷，在拆卸时，将柱状管10的左侧从环形安装槽18内拔出，保护柱状管10内的光纤8，防止其断裂，尤其在安装盲孔13内的光纤8。

在本实施例中，在密闭空腔内，光纤8上的FBG传感器5可以设有多个，多个FBG传感器5间隔设置，形成FBG阵列，提高整体敏感性。多个FBG传感器5间距分布，也可以非等间距分布。

在本实施例中，FBG传感器5的波长范围为1535nm～1551nm；FBG传感器5的数量为2～10个，优选为6个；相邻两个FBG传感器5之间距离为2～10mm，优选为3mm。最好要求FBG传感器5的反射率为90％以上。

在本实施例中，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，可磁化颗粒为直径为0.1～1μm的Fe

在本实施例中，磁体2可以为钕磁铁，磁场强度为100mT。特斯拉计9的分辨率为0.01mT，光学询问器7的分辨率为1pm。

由图2所示，本发明提供一种用光纤布拉格光栅测定磁场特性的方法，其包括：

(1)分别向相反方向同时以相同的速度移动两个磁体2，在移动过程中，两个磁体2相对于密闭容器4始终保持对称间隔设置，以改变密闭容器4所在位置的磁场强度，磁场在0到100mT范围内增加，通过特斯拉计9测得磁场强度数值，通过光学询问器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磁体2，在移动过程中，两个磁体2相对于密闭容器4始终保持对称间隔设置，以改变密闭容器4所在位置的磁场强度，相对磁体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：通过特斯拉计9测得磁场强度数值，通过光学询问器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；

磁场的增加和MR流体的应力τy呈-0.5次方关系为

FBG波长变化与轴向应变和温度敏感之间满足关系式为Δλ

为了便于分别向相反方向同时以相同的速度移动两个磁体2，本发明在每个线性位移平台1分部设置有导轨19和与导轨适配滑动连接的通道，分别向相反的方向同时移动线性位移平台1，达到向相反方向同时以相同的速度移动两个磁体2的技术效果。

由图7所示，本发明的原理为：首先，根据每个FBG特性参数变化可以获得磁场强度。其次，在不同的位置施加不同的磁场，结合FBG特性参数变化创建负荷训练数据集，不低于1000个样本，其中60％用于训练，45％用于测试。再次，定义只有奇数被用作k值，以获得精度最高的k值测试样本。如磁场位置定位分类完成，则获得磁场位置，即结束。如磁场位置定位分类未完成，则执行算法的主循环直至获得k值。

当MR流体受到外部磁场作用时，MR流体颗粒开始形成与磁通线平行的柱状结构，改变了MR流体的粘度、应力等流变特性，从而产生朝向容器中心的应力并作用在FBG传感器上，在低于磁流变液饱和点的磁场下，磁场的增加和MR流体的应力呈-0.5次方关系，应力导致FBG区域的轴向应变，导致可通过光学询问器7获得Bragg波长上的波长偏移，同时考虑温度变化引起的FBG轴向应变的影响，通过对FBG波长变化以及最邻近磁场的FBG的波长偏移计算即可获得磁场的强度及其分布。即磁场强度的测量是将磁场作用下磁场引起的FBG轴向应变与磁场引起的Bragg波长偏移之间建立关系Δλ

计算过程如下：

(1)通过最邻近磁场FBG的波长偏移，结合公式

Δλ

(2)利用光纤材料弹性应力应变关系τy＝Pe*ε，可获得FBG轴向应力τy；

(3)再利用公式

本发明磁场位置测试是利用kNN算法对线磁场位置进行分类，所提出的算法通过将先前在算法的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，来提供磁铁定位点的离散分类。首先，每个FBG都是磁场强度的函数。然后，在不同的位置施加不同的磁场，以便为算法创建培训类。应用kNN算法，在确定磁场位置后，通过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。

本发明使用均匀的FBG阵列，而不需要在MR流体中进行任何结构修改，其中FBG可以通过流体在磁场作用下传递的应力产生的波长偏移来估计每个点的磁场。利用该技术开发的磁场传感器不仅能测量磁场强度，还可以测量其位置分布，在生物医学、航空制造、空间、地球物理以及受控核聚变反应堆等传感应用领域中的磁场检测具有广泛的应用前景。

本发明利用MR流体受到外部磁场作用时应力与磁场呈-0.5次方关系以及每一个FBG分布与磁场强度之间关系的特性，解决环境对磁场强度和位置分布同时测量的问题，通过机器学习和k近邻的磁场位置分类算法相结合，解决磁场强度和位置高精度测量难题。本发明提供了一种用光纤布拉格光栅测定磁场特性的装置与方法，其原理简单，结构紧凑，操作方便，无源运行，能够实现生物医学、航空制造、空间、地球物理以及受控核聚变反应堆等领域对磁场强度和位置分布同时测量的要求。

本发明涉及一种用光纤布拉格光栅测定磁场特性的装置与方法，具体地说，就是涉及一种利用FBG传感器5和磁流变液3，该传感器系统由一个FBG阵列组成，该阵列位于一个装有磁流变(MR)流体的密闭容器4中，利用磁流变液3在磁场作用引起的应力导致FBG轴向应变可测定被测磁场的强度，利用阵列FBG中位置不同的每一个FBG都可测定被测磁场强度性质，再通过机器学习算法和自动k-最近邻(kNN)分类器检测技术，该系统能够同时检测出磁场的位置。因此，利用该装置和方法能够同时测定被测磁场的强度和位置，对生物医学、航空制造、空间、地球物理以及受控核聚变反应堆等领域对磁场强度和位置分布同时测定具有重要指导意义。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。