CN109709372B - 一种地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置及方法，实现地铁/煤矿杂散电流的低成本非接触测量，本发明装置由宽带光源、光纤环形器、偏振调制器、延迟光纤、传感光纤、光纤反射镜、光纤骨架、光电探测器和控制单元组成；基于本发明装置提出一种闭环控制方法，该方法中偏振调制器对输入线偏振光形成的旋转角度与被测电流形成的旋转角度大小相等、方向相反，提高传感器的线性度，拓宽传感器的动态范围，降低了传感器的成本，优化传感器的光路结构，具有抗电磁干扰能力强，本征隔爆绝缘的优点。
Description
技术领域
本发明属于地铁/煤矿危险物理量传感技术领域，尤其涉及一种地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置及方法。
背景技术
地铁杂散电流会对土建结构钢筋、设备金属外壳和金属管线产生电化学腐蚀，影响土建结构、设备和金属管线的使用寿命；而煤矿杂散电流会引起电雷管的超前爆炸、诱发矿井瓦斯粉尘爆炸事故、腐蚀煤矿金属管道；因此亟需研究可靠、准确、安全的地铁/煤矿杂散电流传感装置及方法。由于地铁和煤矿具有强电磁干扰、对本质安全高要求等特征，而光纤电流传感技术具备本征绝缘、本质安全以及抗强电磁干扰的优点，非常适合地铁/煤矿杂散电流的监测。
相位干涉式光纤电流互感器是光纤电流传感技术的典型代表，按照连接顺序依次由光源、光纤耦合器、光纤起偏器、相位调制器、延迟线圈、四分之一波片、传感线圈、光电探测器和控制单元组成，光源的输出光经过光纤耦合器和光纤起偏器后形成线偏振光，线偏振光经过45°熔点后形成幅值相等、相位相同的正交线偏振光进入相位调制器，经过相位调制器调制的两束正交线偏振光经延迟线圈后进入四分之一波片，分别形成左旋和右旋两束圆偏振光进入传感线圈，两束旋向相反的圆偏振光在被测电流激发磁场的作用下产生法拉第相移，在传感线圈末端反射膜的作用下两束圆偏振光互易旋向后重新返回传感线圈，重新经过四分之一波片后形成两束正交线偏振光，经延迟线圈、相位调制器后在光纤起偏器发生干涉，干涉信号由光电探测器检测后发送至控制单元，控制单元对相位调制器发出调制指令，对两束正交线偏振光在正向传播和逆向传播时进行相位调制，进而实现了相位干涉式光纤电流互感器的闭环控制。
在相位干涉式光纤电流互感器的实际应用中，四分之一波片以及传感线圈均容易受到温度等环境因素扰动的影响，四分之一波片如果采用椭圆芯光纤制作的时候需要改造现有光纤切割台，而且很难依照设计长度进行精准切割，此外，相位调制器的价格昂贵，推动了相位干涉式光纤电流互感器的成本居高不下。因此有必要寻求一种结构简单，成本低廉但又能够继承相位干涉式光纤电流互感器优点的新方案，以实现地铁/煤矿杂散电流的测量。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置及方法，该装置及方法能够实现地铁/煤矿杂散电流的低成本非接触测量，具有精度高、线性度好、动态范围宽、抗电磁干扰能力强，本征隔爆绝缘等优点。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置，由宽带光源1、光纤环形器2、偏振调制器3、延迟光纤4、传感光纤5、光纤反射镜6、光纤骨架7、光电探测器8和控制单元9组成，宽带光源1与光纤环形器2的端口21连接，光纤环形器2的端口22与偏振调制器3的端口31连接，偏振调制器3的端口32与延迟光纤4连接，延迟光纤4与传感光纤5连接，传感光纤5和光纤反射镜6连接，传感光纤5缠绕在光纤骨架7上，光纤骨架7穿过载流导体10，此外，光纤环形器2的端口23与光电探测器8的端口81连接，光电探测器8的端口82与控制单元9的端口91连接，偏振控制器3的端口33与控制单元9的端口92连接。
所述的光纤环形器2的端口21与22之间的传输光路具备单向性，传输光路的消光比≥28dB；光纤环形器2的端口22与23之间的传输光路具备单向性，且传输光路的消光比≥28dB。
所述的偏振调制器3包括偏振面可调角度旋转模块34和偏振面固定角度旋转模块35；端口22输出的线偏光从端口31进入偏振调制器3后，依次经过偏振面可调角度旋转模块34和偏振面固定角度旋转模块35，最后从端口32输出，进入延迟光纤4；线偏振光经延迟光纤4进入传感光纤5，受到载流导体10上电流所激发磁场的作用，经过光纤反射镜6返回传感光纤5，再经过延迟光纤4输出；而从延迟光纤4输出的线偏振光从端口32进入偏振调制器3后，依次经过偏振面固定角度旋转模块35和偏振面可调角度旋转模块34，最后从端口31输出；偏振面可调角度旋转模块34由螺线管341和磁致旋光晶体342组成，控制单元9通过端口92输出调制电压，调制电压经端口33加载在螺线管341并在螺线管341内激发产生磁场，该磁场使通过磁致旋光晶体342的线偏振光旋转，旋转角度与螺线管341激发的磁场强度成正比；偏振面固定角度旋转模块35由永磁环351和磁致旋光晶体352组成，通过磁致旋光晶体352的线偏振光的偏振面旋转π/8。
所述的延迟光纤4和传感光纤5为一根连续的高双折射旋转光纤的两个部分，高双折射旋转光纤总长为L，传感光纤5长度为L1，延迟光纤4长度为L2，L＝L1+L2，延迟光纤4绕制成环形。
所述控制单元9的端口91接收从光电探测器8的端口82输出的信号，控制单元9据此产生调制信号，由端口92输出。
一种地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制方法：宽带光源1的输出光从端口21进入光纤环形器2，在端口21至端口22的传输光路中形成线偏振光，从端口22输出；从端口22输出的线偏振光经端口31进入偏振调制器3，在端口31至端口32的传输光路中偏振面发生第1次旋转，从端口32输出；从端口32输出的线偏振光经延迟光纤4进入传感光纤5，受到载流导体10上电流所激发磁场的作用，偏振面发生第2次旋转，然后受到光纤反射镜6的作用返回传感光纤5，偏振面在相同磁场下发生第3次旋转，经过延迟光纤4返回至端口32；返回至端口32的线偏振光经端口32进入偏振调制器3，在端口32至端口31的传输光路中，偏振面发生第4次旋转，并从端口31输出；从端口31输出的线偏振光经端口22进入光纤环形器2，在端口22至端口23的传输光路中分解成偏振方向正交的两束光分量，仅允许其中一束光分量从端口23输出；从端口23输出的一束光分量经端口81进入光电探测器8，光电探测器8检测输入光信号的功率并进行光电变换，变换结果从端口82输出，经端口91进入控制单元9；控制单元9根据端口91输入的变换结果产生调制电压信号，由端口92输出，经端口33控制第1次旋转和第4次旋转时偏振面旋转的角度，第1次和第4次的旋转角度大小相等，方向相同，第1次和第2次的旋转角度大小相等，方向相反，第3次和第4次的旋转角度大小相等，方向相反。
有益效果：与现有技术相比，本发明引入偏振调制器构成一种地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置及方法，实现地铁/煤矿杂散电流的低成本非接触测量，利用“偏振调制器对输入线偏振光形成的旋转角度与被测电流形成的旋转角度大小相等、方向相反”这一闭环控制思路构建装置并提出方法，据此提高传感器的线性度，拓宽传感器的动态范围，降低了传感器的成本，优化传感器的光路结构；此外，本发明还具有抗电磁干扰能力强，本征隔爆绝缘的优点。
附图说明
图1是本发明的光路结构原理示意图；
图2是本发明的偏振调制器原理示意图；
其中：1、宽带光源，2、光纤环形器，3、偏振调制器，4、延迟光纤，5、传感光纤，6、光纤反射镜，7、光纤骨架，8、光电探测器，9、控制单元，34、偏振面可调角度旋转模块，35、偏振面固定角度旋转模块，341、螺线管，342、磁致旋光晶体，351、永磁环，352、磁致旋光晶体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明实施例的一种地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置，按照图1所示，由宽带光源1、光纤环形器2、偏振调制器3、延迟光纤4、传感光纤5、光纤反射镜6、光纤骨架7、光电探测器8和控制单元9组成，宽带光源1与光纤环形器2的端口21连接，光纤环形器2的端口22与偏振调制器3的端口31连接，偏振调制器3的端口32与延迟光纤4连接，延迟光纤4与传感光纤5连接，传感光纤5和光纤反射镜6连接，传感光纤5缠绕在光纤骨架7上，光纤骨架7穿过载流导体10，此外，光纤环形器2的端口23与光电探测器8的端口81连接，光电探测器8的端口82与控制单元9的端口91连接，偏振控制器3的端口33与控制单元9的端口92连接。
所述的光纤环形器2的端口21与22之间的传输光路具备单向性，传输光路的消光比≥28dB；光纤环形器2的端口22与23之间的传输光路具备单向性，且传输光路的消光比≥28dB。
所述的偏振调制器3由偏振面可调角度旋转模块34和偏振面固定角度旋转模块35组成，如图2所示；端口22输出的线偏振光从端口31进入偏振调制器3后，依次经过偏振面可调角度旋转模块34和偏振面固定角度旋转模块35，最后从端口32输出，进入延迟光纤4；线偏振光经延迟光纤4进入传感光纤5，受到载流导体10上电流所激发磁场的作用，经过光纤反射镜6返回传感光纤5，再经过延迟光纤4输出；而从延迟光纤4输出的线偏振光从端口32进入偏振调制器3后，依次经过偏振面固定角度旋转模块35和偏振面可调角度旋转模块34，最后从端口31输出；偏振面可调角度旋转模块34由螺线管341和磁致旋光晶体342组成，控制单元9通过端口92输出调制电压，调制电压经端口33加载在螺线管341并在螺线管341内激发产生磁场，该磁场使通过磁致旋光晶体342的线偏振光旋转，旋转角度与螺线管341激发的磁场强度成正比；偏振面固定角度旋转模块35由永磁环351和磁致旋光晶体352组成，通过磁致旋光晶体352的线偏振光的偏振面旋转π/8。
所述的延迟光纤4和传感光纤5为一根连续的高双折射旋转光纤的两个部分，高双折射旋转光纤总长为L，传感光纤5长度为L1，延迟光纤4长度为L2，L＝L1+L2，延迟光纤4绕制成环形。
所述控制单元9的端口91接收从光电探测器8的端口82输出的信号，控制单元9据此产生调制信号，由端口92输出。
一种地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制方法，其特征是：宽带光源1的输出光从端口21进入光纤环形器2，在端口21至端口22的传输光路中形成线偏振光，从端口22输出；从端口22输出的线偏振光经端口31进入偏振调制器3，在端口31至端口32的传输光路中偏振面发生第1次旋转，从端口32输出；从端口32输出的线偏光经延迟光纤4进入传感光纤5，受到载流导体10上电流所激发磁场的作用，偏振面发生第2次旋转，然后受到光纤反射镜6的作用返回传感光纤5，偏振面在相同磁场下发生第3次旋转，经过延迟光纤4返回至端口32；返回至端口32的线偏振光经端口32进入偏振调制器3，在端口32至端口31的传输光路中，偏振面发生第4次旋转，并从端口31输出；从端口31输出的线偏振光经端口22进入光纤环形器2，在端口22至端口23的传输光路中分解成偏振方向正交的两束光分量，仅允许其中一束光分量从端口23输出；从端口23输出的一束光分量经端口81进入光电探测器8，光电探测器8检测输入光信号并进行光电变换，变换结果从端口82输出，经端口91进入控制单元9；控制单元9根据端口91输入的变换结果产生调制电压信号，由端口92输出，经端口33控制第1次旋转和第4次旋转时偏振面旋转的角度，第1次和第4次的旋转角度大小相等，方向相同，第1次和第2次的旋转角度大小相等，方向相反，第3次和第4次的旋转角度大小相等，方向相反。
以上所述，仅是本发明的优选实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围；凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改或同等变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置，其特征在于：该装置由宽带光源(1)、光纤环形器(2)、偏振调制器(3)、延迟光纤(4)、传感光纤(5)、光纤反射镜(6)、光纤骨架(7)、光电探测器(8)和控制单元(9)组成；宽带光源(1)与光纤环形器(2)的端口(21)连接，光纤环形器(2)的端口(22)与偏振调制器(3)的端口(31)连接，偏振调制器(3)的端口(32)与延迟光纤(4)连接，延迟光纤(4)与传感光纤(5)连接，传感光纤(5)和光纤反射镜(6)连接，传感光纤(5)缠绕在光纤骨架(7)上，光纤骨架(7)穿过载流导体(10)，光纤环形器(2)的端口(23)与光电探测器(8)的端口(81)连接，光电探测器(8)的端口(82)与控制单元(9)的端口(91)连接，偏振控制器(3)的端口(33)与控制单元(9)的端口(92)连接；
所述光纤环形器(2)的端口(21)与(22)之间的传输光路具备单向性，传输光路的消光比≥28dB；光纤环形器(2)的端口(22)与(23)之间的传输光路具备单向性，且传输光路的消光比≥28dB；
所述偏振调制器(3)由偏振面可调角度旋转模块(34)和偏振面固定角度旋转模块(35)组成；所述端口(22)输出的线偏振光从端口(31)进入偏振调制器(3)，依次经过偏振面可调角度旋转模块(34)和偏振面固定角度旋转模块(35)，从端口(32)输出，进入延迟光纤(4)；线偏振光经延迟光纤(4)进入传感光纤(5)，受到载流导体(10)上电流所激发磁场的作用，经过光纤反射镜(6)返回传感光纤(5)，再经过延迟光纤(4)输出；延迟光纤(4)输出的线偏振光从端口(32)进入偏振调制器(3)，依次经过偏振面固定角度旋转模块(35)和偏振面可调角度旋转模块(34)，从端口(31)输出；
所述偏振面可调角度旋转模块(34)由螺线管(341)和磁致旋光晶体(342)组成；所述控制单元(9)通过端口(92)输出调制电压，调制电压经端口(33)加载在螺线管(341)并在螺线管(341)内激发产生磁场，该磁场使通过磁致旋光晶体(342)的线偏振光旋转，旋转角度与螺线管(341)激发的磁场强度成正比；
所述偏振面固定角度旋转模块(35)由永磁环(351)和磁致旋光晶体(352)组成，通过磁致旋光晶体(352)的线偏振光的偏振面旋转π/8。
2.根据权利要求1所述的一种地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置，其特征在于：所述延迟光纤(4)和所述传感光纤(5)为一根连续的高双折射旋转光纤的两个部分，延迟光纤(4)绕制成环形。
3.根据权利要求1所述的一种地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置，其特征在于：所述控制单元(9)通过端口(91)接收从光电探测器(8)的端口(82)输出的信号，产生调制电压信号，由端口(92)输出。
4.基于权利要求1所述的闭环控制装置实现的一种地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制方法，其特征在于：宽带光源(1)的输出光从端口(21)进入光纤环形器(2)，在端口(21)至端口(22)的传输光路中形成线偏振光，从端口(22)输出；从端口(22)输出的线偏振光经端口(31)进入偏振调制器(3)，在端口(31)至端口(32)的传输光路中偏振面发生第1次旋转，从端口(32)输出；从端口(32)输出的线偏光经延迟光纤(4)进入传感光纤(5)，受到载流导体(10)上电流所激发磁场的作用，偏振面发生第2次旋转，然后受到光纤反射镜(6)的作用返回传感光纤(5)，偏振面在相同磁场下发生第3次旋转，经过延迟光纤(4)返回至端口(32)；返回至端口(32)的线偏振光经端口(32)进入偏振调制器(3)，在端口(32)至端口(31)的传输光路中，偏振面发生第4次旋转，并从端口(31)输出；从端口(31)输出的线偏振光经端口(22)进入光纤环形器(2)，在端口(22)至端口(23)的传输光路中分解成偏振方向正交的两束光分量，仅允许其中一束光分量从端口(23)输出；从端口(23)输出的一束光分量经端口(81)进入光电探测器(8)，光电探测器(8)检测输入光信号并进行光电变换，变换结果从端口(82)输出，经端口(91)进入控制单元(9)；控制单元(9)根据端口(91)输入的变换结果产生调制电压信号，由端口(92)输出，经端口(33)控制第1次旋转和第4次旋转时偏振面旋转的角度。
5.根据权利要求4所述的一种地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制方法，其特征在于：第1次和第4次的旋转角度大小相等，方向相同，第1次和第2次的旋转角度大小相等，方向相反，第3次和第4次的旋转角度大小相等，方向相反。
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