CN107179431A - 基于双折射实时测量的光纤电流传感装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种基于双折射实时测量的光纤电流传感装置及其方法，包括：偏振分束模块、依次相连的保偏激光器、空间偏振控制模块、光纤模块、光耦合器、偏振分析模块和数据采集模块，其中：保偏激光器产生的连续线偏信号光经过空间偏振模块输入光纤模块，光纤模块输出的偏振态发生变化的信号光经过光耦合器分为两路光，一路进入偏振分析模块，另一路进入偏振分束模块，数据采集模块分别采集偏振分析模块的偏振态数据和偏振分束模块的光强数据，从而得到待测传感光纤的双折射大小和法拉第偏转角；本发明设计合理，实现了对法拉第偏转角的准确测量，对提高光纤电流传感器实际应用的可靠性和准确性有指导意义。

Description

基于双折射实时测量的光纤电流传感装置及其方法

技术领域

本发明涉及的是一种光纤电流传感领域的技术，具体是一种基于双折射实时测量的光纤电流传感装置及其方法。

背景技术

传统的基于电磁效应的电流传感器在实际使用中存在一些问题，诸如磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、体积大重量重、成本高、安装不便、易爆炸等安全性方面的问题。光纤电流传感器因其传感原理并不会存在上述问题，因而成为了电流传感领域的一个重要研究方向。实现全光纤磁场传感器的原理有多种，如法拉第效应、磁致伸缩效应和磁流体材料等，其中基于法拉第效应的光纤电流传感器因其对于电流变化的直观性和易检测性而成为研究领域中的一个热点。

基于法拉第效应的光纤电流传感器在实际应用中主要面临两个难题：一是传统单模光纤的费尔德常数很低，限制了电流传感器的灵敏度，常用的解决方法是采用高费尔德常数的掺杂光纤。二是光纤电流传感器的稳定性和可靠性低。单模光纤的线性双折射很容易受到外界一些不可预测因素的影响，譬如温度，应力，弯曲和扭曲，这将会减弱法拉第效应。由于光纤的线性双折射受各种环境扰动而随机变化并且不易测量，传统光纤电流传感器在解调法拉第偏转角时假设光纤不存在线性双折射，因而忽略了线性双折射对法拉第旋光角的退化作用，导致所测得的灵敏度失真。

发明内容

本发明针对现有技术无法实时补偿双折射受环境随机扰动的影响的问题，提出一种基于双折射实时测量的光纤电流传感装置及其方法，通过对待测传感光纤输入偏振态和输出偏振态的测量，得到待测传感光纤的双折射大小，再根据快慢轴的光强信号补偿法拉第偏转角的退化，可准确测量法拉第偏转角。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于双折射实时测量的光纤电流传感装置，包括：偏振分束模块、依次相连的保偏激光器、空间偏振控制模块、光纤模块、光耦合器、偏振分析模块和数据采集模块，其中：保偏激光器产生的连续线偏信号光经过空间偏振模块输入光纤模块，在磁场作用下信号光的偏振态发生变化，光纤模块输出的偏振态发生变化的信号光经过光耦合器分为两路光，一路进入偏振分析模块，另一路进入偏振分束模块，数据采集模块分别对偏振分析模块和偏振分束模块进行数据采集。

所述的空间偏振控制模块包括：同轴设置的λ/2波片、两个λ/4波片和两个准直镜，其中：两个准直镜对称设置于λ/2波片的两侧，两个λ/4波片分别对称设置于λ/2波片和准直镜之间。

所述的光纤模块包括：直流源和待测传感光纤，其中：直流源的正负极分别与待测传感光纤相连。

所述的偏振分析模块包括：1分4分束器、λ/4波片、0°起偏器、45°起偏器和四个平衡光电探测器，其中：1分4分束器输出四路光，一路直接输入平衡光电探测器；一路依次输入0°起偏器和平衡光电探测器；一路依次输入45°起偏器和平衡光电探测器；一路依次输入λ/4波片、45°起偏器和平衡光电探测器。

所述的偏振分束模块包括：偏振分束器和两个光电转换器，其中：偏振分束器输出两路相互垂直的正交偏振光，分别输入两个光电转换器。

所述的数据采集模块包括：6通道数据采集卡和两个平衡光电探测器。

所述的数据采集模块通过偏振分束模块得到待测传感光纤快慢轴的光强强度信号。

所述的待测传感光纤为50～2000m标准单模光纤。

本发明涉及一种基于上述装置的实时测量双折射的方法，偏振分析模块直接测得保偏激光器的输出的偏振态，通过空间偏振控制模块的传输矩阵得到待测传感光纤的输入偏振态，与振分析模块测得的待测传感光纤输出端的输出偏振态进行对比，即可得到待测传感光纤的线性双折射大小；待测传感光纤的线性双折射结合偏振分束模块得到的待测传感光纤快慢轴的两个光强度信号，即可得到待测传感光纤双折射补偿后的法拉第偏转角。

所述的输入偏振态通过空间偏振控制模块的琼斯矩阵计算得到。

所述的法拉第偏转角的计算公式为：其中：P₁和P₂分别为待测传感光纤快慢轴的光强，θ为法拉第偏转角，Δδ为待测传感光纤的线性双折射。

技术效果

与现有技术相比，本发明通过在待测传感光纤末端添加偏振分析模块实时监测待测传感光纤的输出偏振态，得到待测传感光纤的实时双折射用以补偿法拉第偏转角，实现对法拉第偏转角的准确测量，提高光纤电流传感器的可靠性。

附图说明

图1为光纤电流传感装置示意图；

图2为偏振分析模块示意图；

图3为光纤双折射较小状态下双折射补偿前后法拉第偏转角与电流大小的关系示意图；

图4为光纤双折射中等状态下双折射补偿前后法拉第偏转角与电流大小的关系示意图；

图5为光纤双折射较大状态下双折射补偿前后法拉第偏转角与电流大小的关系示意图；

图6为忽略双折射时旋光效应的退化与双折射大小的关系示意图；

图中：1保偏激光器、2空间偏振控制模块、3直流源、4待测传感光纤、5光耦合器、6偏振分束器、7光电转换器、8偏振分析模块、9数据采集模块、10准直镜、11λ/4波片、12λ/2波片、13信号光、141分4分束器、150°起偏器、1645°起偏器、17平衡光电探测器。

具体实施方式

如图1所示，本实施例包括：偏振分束模块、依次相连的保偏激光器1、空间偏振控制模块2、光纤模块、光耦合器5、偏振分析模块8和数据采集模块9，其中：保偏激光器1产生的连续线偏信号光13经过空间偏振模块输入光纤模块，在磁场作用下信号光13的偏振态发生变化，光纤模块输出的偏振态发生变化的信号光13经过光耦合器5分为两路光，一路进入偏振分析模块8，另一路进入偏振分束模块，数据采集模块9分别对偏振分析模块8和偏振分束模块进行数据采集。

所述的保偏激光器1输出连续线偏光，以保证输入空间偏振控制模块2的信号光13的偏振态稳定。

所述的空间偏振控制模块2包括：同轴设置的λ/2波片12、两个λ/4波片11和两个准直镜10，其中：两个准直镜10对称设置于λ/2波片12的两侧，两个λ/4波片11分别对称设置于λ/2波片12和准直镜10之间。

所述的光纤模块包括：直流源3和待测传感光纤4，其中：直流源3的正负极分别与待测传感光纤4相连。

如图2所示，所述的偏振分析模块8为集成化模块，包括：1分4分束器14、λ/4波片11、0°起偏器15、45°起偏器16、和四个平衡光电探测器17，其中：1分4分束器14输出四路光，一路直接输入平衡光电探测器17；一路依次输入0°起偏器15和平衡光电探测器17；一路依次输入45°起偏器16和平衡光电探测器17；一路依次输入λ/4波片11、45°起偏器16和平衡光电探测器17。

所述的平衡光电探测器17的增益一致。

所述的偏振分束模块包括：偏振分束器6和两个光电转换器7，其中：偏振分束器6输出两路相互垂直的正交偏振光，分别输入两个光电转换器7转换为电信号做后续数据处理。

所述的数据采集模块9包括：6通道数据采集卡和两个平衡光电探测器17。

所述的数据采集模块9通过偏振分束模块得到待测传感光纤4快慢轴的光强强度信号。

本实施例涉及基于上述装置的实时测量双折射的方法，偏振分析模块8直接测得保偏激光器1的输出的偏振态，将信号光13通过空间偏振控制模块2后的偏振态作为待测传感光纤4的输入偏振态，结合偏振分析模块8测得的待测传感光纤4输出端的输出偏振态即可得到待测传感光纤4的线性双折射大小；待测传感光纤4的线性双折射再结合偏振分束模块得到的待测传感光纤4快慢轴的两个光强度信号，即可得到待测传感光纤4双折射补偿后的法拉第偏转角。

由于空间偏振控制模块2中的波片旋转角度已知，所述的输入偏振态通过空间偏振控制模块2的琼斯矩阵计算得到。

所述的法拉第偏转角的计算公式为：其中：P₁和P₂分别为待测传感光纤4快慢轴的光强，θ为法拉第偏转角，Δδ为待测传感光纤4的线性双折射。

本实施例的保偏激光器1输出的信号光13波长为1550nm，待测传感光纤4为250m单模光纤。

所述的待测传感光纤4的长度可灵活调整：在大电流测试环境下，适合较短的光纤长度；在小电流条件下，适合较长的光纤长度。

所述的光耦合器5为50/50光耦合器。

所述的待测传感光纤4的双折射可通过调整光纤的弯曲形状改变。

如图3～图5所示，Ω₁为忽略线性双折射时测量得到的法拉第偏转角，Ω₂为本实施例考虑线性双折射时测量得到的法拉第偏转角，slope(斜率)为测量的灵敏度。在确定的双折射下，调整空间偏振控制模块2，从而改变待测传感光纤4的输入偏振态，光纤传感装置的灵敏度也会改变。由图可知，法拉第偏转角和待测传感光纤4的总相移随着电流的增加而线性变化，当总相移变大时，线性双折射对旋光效应的湮没效应愈加严重。当总相移为22.5°时，采用传统解调方法的灵敏度相对本实施例下降了96.9％；当总相移为108.73°时，传统解调方法的灵敏度相对本实施例下降至49％，灵敏度提高了1倍。

如图6所示，点表示实验结果，线表示理论结果；θ₁为双折射补偿前的法拉第偏转角，θ₂为经过双折射补偿的法拉第偏转角。当双折射接近0°时，传统解调方法测得的近似偏转角与实际偏转角基本一致；当双折射较大，如108.73°时，传统解调方法测得的偏转角的灵敏度下降了51％，实验结果与理论计算基本吻合。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种基于双折射实时测量的光纤电流传感装置，其特征在于，包括：偏振分束模块、依次相连的保偏激光器、空间偏振控制模块、光纤模块、光耦合器、偏振分析模块和数据采集模块，其中：保偏激光器产生的连续线偏信号光经过空间偏振模块输入光纤模块，在磁场作用下信号光的偏振态发生变化，光纤模块输出的偏振态发生变化的信号光经过光耦合器分为两路光，一路进入偏振分析模块，另一路进入偏振分束模块，数据采集模块分别对偏振分析模块和偏振分束模块进行数据采集。

2.根据权利要求1所述的光纤电流传感装置，其特征是，所述的空间偏振控制模块包括：同轴设置的λ/2波片、两个λ/4波片和两个准直镜，其中：两个准直镜对称设置于λ/2波片的两侧，两个λ/4波片分别对称设置于λ/2波片和准直镜之间。

3.根据权利要求1所述的光纤电流传感装置，其特征是，所述的光纤模块包括：直流源和待测传感光纤，其中：直流源的正负极分别与待测传感光纤相连。

4.根据权利要求1所述的光纤电流传感装置，其特征是，所述的偏振分析模块包括：1分4分束器、λ/4波片、0°起偏器、45°起偏器和四个平衡光电探测器，其中：1分4分束器输出四路光，一路直接输入平衡光电探测器；一路依次输入0°起偏器和平衡光电探测器；一路依次输入45°起偏器和平衡光电探测器；一路依次输入λ/4波片、45°起偏器和平衡光电探测器。

5.根据权利要求1所述的光纤电流传感装置，其特征是，所述的偏振分束模块包括：偏振分束器和两个光电转换器，其中：偏振分束器输出两路相互垂直的正交偏振光，分别输入两个光电转换器。

6.根据权利要求1所述的光纤电流传感装置，其特征是，所述的数据采集模块包括：6通道数据采集卡和两个平衡光电探测器。

7.根据权利要求1所述的光纤电流传感装置，其特征是，所述的数据采集模块通过偏振分束模块得到待测传感光纤快慢轴的光强强度信号。

8.根据权利要求3所述的光纤电流传感装置，其特征是，所述的待测传感光纤为50～2000m标准单模光纤。

9.一种基于上述任一权利要求所述装置的实时测量双折射的方法，其特征在于，偏振分析模块直接测得保偏激光器的输出的偏振态，通过空间偏振控制模块的琼斯矩阵得到待测传感光纤的输入偏振态，与振分析模块测得的待测传感光纤输出端的输出偏振态进行对比，即可得到待测传感光纤的线性双折射大小；待测传感光纤的线性双折射结合偏振分束模块得到的待测传感光纤快慢轴的两个光强度信号，即可得到待测传感光纤双折射补偿后的法拉第偏转角。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征是，所述的法拉第偏转角的计算公式为：其中：P₁和P₂分别为待测传感光纤快慢轴的光强，θ为法拉第偏转角，Δδ为待测传感光纤的线性双折射。