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应变和温度的改变能够使光纤布拉格光栅(FBG)反射波的中心波长产生漂移, FBG与超磁致伸缩材料的结合可以用于测量电流, 但是温度和应变的交叉敏感严重影响测量电流的精度。神经网络具有强大的非线性映射能力, 能够自适应地发现传感器的内部规律, 从而对温度进行有效补偿。针对神经网络容易陷入局部极小值的问题, 采用遗传算法优化神经网络的权值和阈值, 以在全局范围内更快速、准确地找到权值和阈值的最优解。针对样本较少的问题, 采取K折交叉验证的方法提高网络预测的可靠性。经实验验证, 优化的神经网络对电流预测的均方误差为0.0038, 提高了FBG电流传感器的测量精度。
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第
卷
第
期
光
学
学
报
年
月
ACTAOPTICASINICA
October
基于优化神经网络算法的光纤布拉格光栅
电流传感器的温度补偿
孙 诗 晴
,
初 凤 红
上海电力学院电子与信息工程学院
上海
摘要
应变和温度的改变能够使光纤布拉格光栅
反射波的中心波长产生漂移
与超 磁致 伸缩材 料的 结
合可以用于测量电流
但是温度和应变的交叉敏感严重影响测量电流的精度
神经 网络 具有强 大的 非线性 映射 能
力
能够自适应地发现传感器的内部规律
从而对温度进行有效补偿
针对神经网 络容 易陷入 局部 极小值 的问 题
采用遗传算法优化神经网络的权值和阈值
以在全 局范 围内 更 快速
准 确地 找到 权 值和 阈值 的 最优 解
针 对样 本
较少的问题
采取
K
折交叉验证的方法提高网络预测的可靠性
经实 验验 证
优化 的神 经网络 对电 流预测 的均 方
误差为
提高了
电流传感器的测量精度
关键词
光纤光学
电流传感器
温度补偿
神经网络
遗传算法
K
折交叉验证
中图分类号
文献标识码
doi
:
.
/
AOS.
收稿日期
GG
收到修改稿日期
GG
基金项目
国家自然科学基金理论物理专项
上海市科委地方院校能力建设项目
作者简介
孙诗晴
女
硕士研究生
主要从事光纤电流传感器方面的研究
EGmail
shi
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in
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y
y
ahoo.com
导师简介
初凤红
女
博士
教授
硕士生导师
主要从事光纤传感技术和光纤通信技术方面的研究
EGmail
chufen
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hon
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siom.ac.cn
Tem
p
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CurrentSensor
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ElectronicsandIn
f
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g
Shan
g
haiUniversit
y
o
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ElectricPower
Shan
g
hai
China
Abstract
K
Ke
y
words
K
OCIScodes
引
言
应变
温度等外界因素的改变会使光纤布拉格光栅
反射 波的中心波 长发生漂移
超磁致伸缩 材
料
在磁场中被磁化时
其磁化状态 的改变使材 料长度线性 伸 长或缩短
基于
的这种磁 致 伸
缩特性可实现电流量到应变量的转变
将
粘贴在
上
当电流大小发生变化时
磁场强弱相 应改
光
学
学
报
变
感受到磁场的变化后
会引起
的伸长或收缩
使
反射波的中心波长发生漂移
因此根据
波长的漂移量可测量得到电流大小
电流传感器 相比于传统 的电磁式电 流互感器
具有绝缘性 能 好
灵敏度高
耐腐蚀
重量轻
体积小以及适于在高温
强电磁环境中使用等优点
更能满足如今电网大电流
大容量
数字化的发展需求
但是
由于
对应变和温度交叉敏感
温度会对电 流的测量结 果产生影响
导致测量结果不准确
所以解决
电流传感器的温度交叉敏感问题是目前的研究热点
近年来
国内
外研究学者提出了多种解决方案
如双波长矩阵运算法
双参 量矩阵运算 法
用不同热膨 胀系数材料 设
计特殊结构
以及用负膨胀系数材料
和参考光栅
进行温度补偿等方法
以上方法需要设计特殊结构或
者增加
的数量
对工艺要求较高
且装置易产生蠕变
本文将神经网 络特有的非 线性信息处 理能力应
用于
电流传感器
分离温度对
波长的影响
提高了
电流传感器的测量精度
温度补偿基本原理
21FBG
传感原理
宽带光源发出的光从
入射
在
中传输的符合布拉格条件的光被反射
不符合布拉格条件的光
将继续传输
当应变和温度等外界环境因素发生变化时
会使反射光谱的中心波长发生漂移
因此根据中心
波长漂移量的大小可测得应变和温度
反射光谱的中心波长
λ
满足
λ
=
n
Λ
式中
n
为纤芯的有效折射率
Λ
为光栅周期
应变和温度对
中心波长产生交叉影响
应变产生的弹光
效应和温度产生的热光效应使纤芯的有效折射率产生
n
的变化量
应变产生的形变和温度产生的热膨胀
效应使光栅周期产生
Λ
的变化量
则
最终产生的中心波长变化量为
λ
=
Λ
n
+
n
Λ
( )
由于温度和应变对
中心波 长 产生交叉 影 响
将
用于测量 应 变时
需要剔除 温 度对波长 的 影
响
并对温度进行补偿
22
电流传感系统结构图
整个
电 流 传 感 系 统 由 光 源
耦 合 器
传 感 头
电 源 系 统
光 谱 仪 和 计 算 机
组 成
如 图
所示
图
电流传感系统结构示意图
插图
为光源入射光谱
插图
为
反射光谱
插图
为
传输光谱
电流传感器的工作原理为
从宽带光源发出的光经耦合器进入传感头
传感头中的
粘贴在
棒上
将
棒套入螺线管中
螺线管与电源系统相连
给螺线管通 电以产生稳 定的磁场
棒感受
到磁场变化后
产生相应的伸缩
带动粘贴在
棒上的
产生相应的 伸缩
从而使得
的反射光
谱中心波长产生偏移
反射光经耦合器进入光谱仪
由光谱仪解调出中心波长并将其传入
中
再将解调出
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