CN109884368A - 一种基于补偿线圈的地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于补偿线圈的地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置及方法，该装置由宽带光源、光纤环形器、偏振分束器、补偿线圈、传感线圈、法拉第旋转镜、载流导体、磁场发生器、第一光电探测器、第二光电探测器和控制单元组成，该传感器引入补偿线圈实现闭环控制，线偏振光的偏振面在补偿线圈中的旋转角度与在传感线圈中的旋转角度大小相等、方向相反，该传感器具有线性度高、灵敏度高，动态范围宽，结构简单、不受光源功率波动影响、非接触测量以及制造成本低的优点。

Description

一种基于补偿线圈的地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控 制装置及方法

技术领域

本发明属于地铁/煤矿危险物理量传感技术领域，尤其涉及一种基于补偿线圈的地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置及方法。

背景技术

目前，杂散电流对地铁安全运营以及煤矿安全生产的危害日趋严重，传统的杂散电流监测方法存在长期稳定性不足等局限，光纤电流传感技术将是实现杂散电流在线监测的优选方法之一。

相位干涉式光纤电流传感器是光纤电流传感技术最典型的代表，在这类传感器中存在两束旋向相反的圆偏振光，这两束圆偏振光在被测电流所激发磁场的作用下产生相位差，同时这两束圆偏振光最终发生干涉，通过解析这两束圆偏振光的干涉信号可以获得相位差，进而获得被测电流值；此外，通过引入方波调制技术、相关分析技术以及阶梯波反馈技术，这类传感器实现了数字闭环控制，显著提高了灵敏度、线性度以及抗干扰能力，显著扩大了动态范围，并消除了光源功率波动的影响。近三十年来，这类传感器是光纤电流传感技术在市场化、工程化和实用化方面的最杰出成果，在该领域国内外公开发表文献以及国内外申请发明专利中，这类传感器占据绝大多数比重。然而，这类传感器因其制造成本高而导致售价高昂，这种价格瓶颈已经严重限制了这类传感器的实际推广应用进程，并且尚未发现有效的解决方法，这种价格瓶颈产生的主要原因是，这类传感器必需相位调制器、延迟线圈和1/4波片，相位调制器及延迟线圈的价格高昂，1/4波片需要专门光纤切割平台，技术门槛和价格比较高。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于补偿线圈的地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置及方法，与现有技术相比，在这种传感器的光路中只传输一束线偏振光，结构简单，引入补偿线圈实现这种传感器的闭环控制，这种传感器具备动态范围宽、线性度好和精度高的显著优点，监测结果与光源功率无关，抗干扰能力强；相比现有技术，该传感器无需采用相位调制器、延迟线圈和1/4波片，有效降低了制造成本。

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：一种基于补偿线圈的地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置，包括宽带光源1、光纤环形器2、偏振分束器3、补偿线圈4、传感线圈5、法拉第旋转镜6、载流导体7、磁场发生器8、第一光电探测器9、第二光电探测器10和控制单元11；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与偏振分束器3的端口31连接，偏振分束器3的端口32与补偿线圈4连接，补偿线圈4与传感线圈5连接，传感线圈5和法拉第旋转镜6连接，载流导体7穿过传感线圈5，磁场发生器8穿过补偿线圈4，第一光电探测器9的端口91与光纤环形器2的端口23连接，端口92与控制单元11的端口111连接，第二光电探测器10的端口101与偏振分束器3的端口33连接，端口102与控制单元11的端口112连接，控制单元11的端口113连接磁场发生器8。

所述光纤环形器2的端口21与22之间的光路具备单向性，且对光路的消光比没有要求；端口22与23之间的光路具备单向性，且光路的消光比≥30dB。

所述偏振分束器3的端口31的慢轴与端口32的慢轴对准，端口31与32之间光路的消光比≥30dB；端口33的慢轴与端口32的快轴对准，端口33和32之间光路的消光比≥30dB。

所述补偿线圈4和传感线圈5均采用高双折射旋转光纤绕制而成。

所述法拉第旋转镜6包括法拉第旋转器和平面镜，从传感线圈5输出的线偏振光，在其偏振面被法拉第旋转镜6的法拉第旋转器旋转22.5°后垂直射向法拉第旋转镜6的平面镜，然后经平面镜反射后返回法拉第旋转器，在其偏振面被法拉第旋转器再次旋转22.5°后返回传感线圈5。

一种基于补偿线圈的地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制方法，宽带光源1的输出光波从端口21进入光纤环形器2后从端口22输出；端口22的输出光经端口31进入偏振分束器3，在端口31至32之间的传输光路中形成线偏振光，从端口32输出；从端口32输出的线偏振光进入补偿线圈4，其偏振面在磁场发生器8所激发磁场的作用下发生第1次旋转后进入传感线圈5；进入传感线圈5的线偏振光，其偏振面在载流导体7上被测电流所激发磁场的作用下发生第2次旋转后进入法拉第旋转镜6；进入法拉第旋转镜6的线偏振光，其偏振面旋转45°后返回传感线圈5；返回至传感线圈5的线偏振光，其偏振面在载流导体7上被测电流所激发磁场的作用下发生第3次旋转后返回补偿线圈4；返回至补偿线圈4的线偏振光，其偏振面在磁场发生器8所激发磁场的作用下发生第4次旋转，从端口32返回至偏振分束器3；从端口32返回的线偏振光被偏振分束器3分解成两束偏振正交的光分量，一束光分量从端口31输出，经端口22至23之间的传输光路到达端口91，然后进入第一光电探测器9，另一束光分量从端口33输出，经端口101进入第二光电探测器10；第一光电探测器9和第二光电探测器10分别检测输入光信号，检测结果分别从端口92和102输出，分别经端口111和112进入控制单元11；在控制单元11中，对第一光电探测器9和第二光电探测器10的检测结果进行解算，解算结果如下所示：

上式中，f为控制单元11的解算结果，P₁为第一光电探测器9的检测结果，即光功率，P₂为第二光电探测器10的检测结果，即光功率，κ为线偏振光的偏振面第2次和第3次旋转的旋转角度，μ为线偏振光的偏振面第1次和第4次旋转的旋转角度，控制单元11根据上述解算结果形成控制信号，控制信号从端口113输出至磁场发生器8，磁场发生器8产生相应的磁场，并控制补偿线圈4内线偏振光的偏振面的第1次和第4次旋转。

所述磁场发生器8所激发的磁场强度与控制单元11从端口113输出的控制信号幅值成线性比例关系，磁场发生器8所激发的磁场强度与旋转角度μ成线性比例关系，控制单元11从端口113输出的控制信号控制旋转角度μ和κ的大小相等，极性相反。

有益效果：与现有技术相比，本发明提出一种基于补偿线圈的地铁/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，在这种传感器的光路中只传输一束线偏振光，光路结构简单，充分利用“补偿线圈中线偏振光偏振面的旋转角度与传感线圈中线偏振光偏振面的旋转角度大小相等、方向相反”的控制原理实现传感器的闭环控制，有效拓宽传感器的动态范围，显著提高了传感器的线性度以及测量精度，监测结果不受光源功率波动的影响，抗干扰能力强；相比现有技术，该传感器无需采用相位调制器、延迟线圈和1/4波片，有效降低了制造成本。

附图说明

图1是本发明的光路结构原理示意图；

其中：1、宽带光源，2、光纤环形器，3、偏振分束器，4、补偿线圈，5、传感线圈，6、法拉第旋转镜，7、载流导体，8、磁场发生器，9、第一光电探测器，10、第二光电探测器，11、控制单元。

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基于补偿线圈的地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置，如图1所示，包括宽带光源1、光纤环形器2、偏振分束器3、补偿线圈4、传感线圈5、法拉第旋转镜6、载流导体7、磁场发生器8、第一光电探测器9、第二光电探测器10和控制单元11；其中，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与偏振分束器3的端口31连接，偏振分束器3的端口32与补偿线圈4连接，补偿线圈4与传感线圈5连接，传感线圈5和法拉第旋转镜6连接；此外，载流导体7穿过传感线圈5，磁场发生器8穿过补偿线圈4，第一光电探测器9的端口91与光纤环形器2的端口23连接，端口92与控制单元11的端口111连接，第二光电探测器10的端口101与偏振分束器3的端口33连接，端口102与控制单元11的端口112连接，控制单元11的端口113连接磁场发生器8。

所述光纤环形器2的端口21与22之间的光路具备单向性，且对光路的消光比没有要求；端口22与23之间的光路具备单向性，且光路的消光比≥30dB。

所述偏振分束器3的端口31的慢轴与端口32的慢轴对准，端口31与32之间光路的消光比≥30dB；端口33的慢轴与端口32的快轴对准，端口33和32之间光路的消光比≥30dB。

所述补偿线圈4和传感线圈5均采用高双折射旋转光纤绕制而成。

所述法拉第旋转镜6包括法拉第旋转器和平面镜，从传感线圈5输出的线偏振光，在其偏振面被法拉第旋转镜6的法拉第旋转器旋转22.5°后垂直射向法拉第旋转镜6的平面镜，然后经平面镜反射后返回法拉第旋转器，在其偏振面被法拉第旋转器再次旋转22.5°后返回传感线圈5。

所述的宽带光源1的输出光波从端口21进入光纤环形器2后从端口22输出；端口22的输出光经端口31进入偏振分束器3，在端口31至32之间的传输光路中形成线偏振光，从端口32输出；从端口32输出的线偏振光进入补偿线圈4，其偏振面在磁场发生器8所激发磁场的作用下发生第1次旋转后进入传感线圈5；进入传感线圈5的线偏振光，其偏振面在载流导体7上被测电流所激发磁场的作用下发生第2次旋转后进入法拉第旋转镜6；进入法拉第旋转镜6的线偏振光，其偏振面旋转45°后返回传感线圈5；返回至传感线圈5的线偏振光，其偏振面在载流导体7上被测电流所激发磁场的作用下发生第3次旋转后返回补偿线圈4；返回至补偿线圈4的线偏振光，其偏振面在磁场发生器8所激发磁场的作用下发生第4次旋转，从端口32返回至偏振分束器3；从端口32返回的线偏振光被偏振分束器3分解成两束偏振正交的光分量，一束光分量从端口31输出，经端口22至23之间的传输光路到达端口91，然后进入第一光电探测器9，另一束光分量从端口33输出，经端口101进入第二光电探测器10；第一光电探测器9和第二光电探测器10分别检测输入光信号，检测结果分别从端口92和102输出，分别经端口111和112进入控制单元11；在控制单元11中，对第一光电探测器9和第二光电探测器10的检测结果进行解算，解算过程如下所示：

(1)定义从端口32输出的线偏振光经补偿线圈4和传感线圈5后到达法拉第旋转镜6的平面镜为“正向传输”，线偏振光经法拉第旋转镜6的平面镜反射后经传感线圈5和补偿线圈4返回端口32为“反向传输”。因此，正向传输时补偿线圈4和传感线圈5的琼斯矩阵分别假设为J_1z和J_2z，而反向传输时补偿线圈4和传感线圈5的琼斯矩阵分别假设为J_1n和J_2n，即：

上式中，κ为线偏振光的偏振面发生第2次和第3次旋转的旋转角度，μ为线偏振光的偏振面发生第1次和第4次旋转的旋转角度；此外，宽带光源1的输出光经光纤环形器2、偏振分束器3后形成一束线偏振光从端口32输出，这束线偏振光的光矢量为E_in＝[E；0]，其中E表示偏振光矢量的振幅；法拉第旋转镜6的琼斯矩阵假设为J_m，即：

综上所述，利用琼斯矢量法可获得返回至端口32的线偏振光的光矢量E_out表达式，即：

E_out是两行一列的矢量，E_out(1)表示矢量在慢轴上的分量振幅，E_out(2)表示矢量在快轴上的分量振幅。

(2)返回至端口32的线偏振光被偏振分束器3分解为两束偏振正交的光分量，这两束光分量最后分别由第一光电探测器9和第二光电探测器10进行检测，第一光电探测器9和第二光电探测器10的检测结果分别假设为P₁和P₂，由E_out的表达式可知：

(3)控制单元11对第一光电探测器9和第二光电探测器10的检测结果P₁和P₂，即光功率进行解算，解算结果f可知：

控制单元11根据解算结果f形成控制信号，控制信号从端口113输出至磁场发生器8。

所述控制单元11从端口113输出的控制信号幅值与磁场发生器8所激发的磁场强度成线性比例关系，磁场发生器8所激发的磁场强度与旋转角度μ成线性比例关系，控制单元11从端口113输出的控制信号控制旋转角度μ和κ的大小相等，极性相反。

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 (9)

1.一种基于补偿线圈的地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置，其特征在于：该装置包括宽带光源(1)、光纤环形器(2)、偏振分束器(3)、补偿线圈(4)、传感线圈(5)、法拉第旋转镜(6)、载流导体(7)、磁场发生器(8)、第一光电探测器(9)、第二光电探测器(10)和控制单元(11)；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)与偏振分束器(3)的端口(31)连接，偏振分束器(3)的端口(32)与补偿线圈(4)连接，补偿线圈(4)与传感线圈(5)连接，传感线圈(5)和法拉第旋转镜(6)连接，载流导体(7)穿过传感线圈(5)，磁场发生器(8)穿过补偿线圈(4)，第一光电探测器(9)的端口(91)与光纤环形器(2)的端口(23)连接，端口(92)与控制单元(11)的端口(111)连接，第二光电探测器(10)的端口(101)与偏振分束器(3)的端口(33)连接，端口(102)与控制单元(11)的端口(112)连接，控制单元(11)的端口(113)连接磁场发生器(8)。

2.根据权利要求1所述的一种基于补偿线圈的地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置，其特征在于：所述光纤环形器(2)的端口(21)与(22)之间的光路具备单向性，且对光路的消光比没有要求；端口(22)与(23)之间的光路具备单向性，且光路的消光比≥30dB。

3.根据权利要求1所述的一种基于补偿线圈的地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置，其特征在于：所述偏振分束器(3)的端口(31)的慢轴与端口(32)的慢轴对准，端口(31)与(32)之间光路的消光比≥30dB；端口(33)的慢轴与端口(32)的快轴对准，端口(33)和(32)之间光路的消光比≥30dB。

4.根据权利要求1所述的一种基于补偿线圈的地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置，其特征在于：所述补偿线圈(4)和传感线圈(5)均采用高双折射旋转光纤绕制而成。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种基于补偿线圈的地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置，其特征在于：所述法拉第旋转镜(6)包括法拉第旋转器和平面镜，从传感线圈(5)输出的线偏振光，在其偏振面被法拉第旋转镜(6)的法拉第旋转器旋转22.5°后垂直射向法拉第旋转镜(6)的平面镜，然后经平面镜反射后返回法拉第旋转器，在其偏振面被法拉第旋转器再次旋转22.5°后返回传感线圈(5)。

6.根据权利要求1-4任一所述的一种基于补偿线圈的地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置，其特征在于：所述磁场发生器(8)所激发的磁场强度与控制单元(11)从端口(113)输出的控制信号幅值成线性比例关系。

7.一种基于补偿线圈的地铁/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)后从端口(22)输出；端口(22)的输出光经端口(31)进入偏振分束器(3)，在端口(31)至(32)之间的传输光路中形成线偏振光，从端口(32)输出；从端口(32)输出的线偏振光进入补偿线圈(4)，其偏振面在磁场发生器(8)所激发磁场的作用下发生第1次旋转后进入传感线圈(5)；进入传感线圈(5)的线偏振光，其偏振面在载流导体(7)上被测电流所激发磁场的作用下发生第2次旋转后进入法拉第旋转镜(6)；进入法拉第旋转镜(6)的线偏振光，其偏振面旋转45°后返回至传感线圈(5)；返回至传感线圈(5)的线偏振光，其偏振面在载流导体(7)上被测电流所激发磁场的作用下发生第3次旋转后返回至补偿线圈(4)；返回至补偿线圈(4)的线偏振光，其偏振面在磁场发生器(8)所激发磁场的作用下发生第4次旋转，从端口(32)返回至偏振分束器(3)；从端口(32)返回的线偏振光被偏振分束器(3)分解成两束偏振正交的光分量，一束光分量从端口(31)输出，经端口(22)至(23)之间的传输光路到达端口(91)，然后进入第一光电探测器(9)，另一束光分量从端口(33)输出，经端口(101)进入第二光电探测器(10)；第一光电探测器(9)和第二光电探测器(10)分别检测输入光信号，检测结果分别从端口(92)和(102)输出，分别经端口(111)和(112)进入控制单元(11)；在控制单元(11)中，对第一光电探测器(9)和第二光电探测器(10)的检测结果进行解算，控制单元(11)根据解算结果形成控制信号，控制信号从端口(113)输出至磁场发生器(8)，磁场发生器(8)产生相应的磁场，并控制补偿线圈(4)内线偏振光的偏振面的第1次和第4次旋转。

8.根据权利要求7所述的一种基于补偿线圈的地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制方法，其特征在于：在控制单元(11)中，对第一光电探测器(9)和第二光电探测器(10)的检测结果进行解算，解算步骤如下：

(1)定义从端口(32)输出的线偏振光经补偿线圈(4)和传感线圈(5)后到达法拉第旋转镜(6)的平面镜为正向传输，线偏振光经法拉第旋转镜(6)的平面镜反射后经传感线圈(5)和补偿线圈(4)返回端口(32)为反向传输；正向传输时补偿线圈(4)和传感线圈(5)的琼斯矩阵分别假设为J_1z和J_2z，反向传输时补偿线圈(4)和传感线圈(5)的琼斯矩阵分别假设为J_1n和J_2n，即：

上式中，κ为线偏振光的偏振面发生第2次和第3次旋转的旋转角度，μ为线偏振光的偏振面发生第1次和第4次旋转的旋转角度；宽带光源(1)的输出光经光纤环形器(2)、偏振分束器(3)后形成一束线偏振光从端口(32)输出，这束线偏振光的光矢量为E_in＝[E；0]，其中E表示偏振光矢量的振幅；法拉第旋转镜(6)的琼斯矩阵假设为J_m，即：

综上所述，利用琼斯矢量法可获得返回至端口(32)的线偏振光的光矢量E_out表达式，即：

E_out是两行一列的矢量，E_out(1)表示矢量在慢轴上的分量振幅，E_out(2)表示矢量在快轴上的分量振幅；

(2)返回至端口(32)的线偏振光被偏振分束器(3)分解为两束偏振正交的光分量，这两束光分量分别由第一光电探测器(9)和第二光电探测器(10)进行检测，第一光电探测器(9)和第二光电探测器(10)的检测结果，即光功率分别假设为P₁和P₂，由E_out的表达式可知：

(3)控制单元(11)对第一光电探测器(9)和第二光电探测器(10)的检测结果，即光功率P₁和P₂进行解算，得到解算结果f。

9.根据权利要求8所述的一种基于补偿线圈的地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制方法，其特征在于：在步骤(3)中，解算结果f如下所示：

上式中，f为控制单元(11)的解算结果，P₁为第一光电探测器(9)的检测结果，即光功率，P₂为第二光电探测器(10)的检测结果，即光功率，κ为线偏振光的偏振面第2次和第3次旋转的旋转角度，μ为线偏振光的偏振面第1次和第4次旋转的旋转角度。