CN110749551B - 一种基于偏振分析的煤矿光纤电流传感器 - Google Patents
一种基于偏振分析的煤矿光纤电流传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于偏振分析的煤矿光纤电流传感器，它包括光源、偏振片、分光棱镜、准直透镜、导引光缆、1/4波片、传感光纤环、平面镜、载流导体和偏振分析仪。在本发明所述的传感器中，输出光矢量的相位差只与待测电流诱导的法拉第相移成正比，利用偏振分析技术检测输出光矢量的相位差能够直接获得待测电流。本发明所述传感器的检测结果不受光源功率波动的影响，检测结果与待测电流成线性比例关系；此外，本发明所述传感器不依赖相位调制器和闭环控制算法，检测原理简单，检测带宽没有局限，使用成本低。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于偏振分析的煤矿光纤电流传感器。
背景技术
由于光纤电流传感器具备本征绝缘、安全、隔爆防爆以及抗强电磁干扰等优点，非常适合在煤矿井下使用。
光纤电流传感器的工作原理采用法拉第旋光效应，即：待测电流在传感器中形成与之呈线性关系的法拉第相移，目前的主流方案均构造干涉光路，利用相位调制器并引入闭环控制算法，根据干涉光强信号对法拉第相移进行解调，再从解调结果获得待测电流。由于法拉第相移的解调依赖于干涉光强信号，而干涉光强受光源功率的影响，所以如何消除光源功率波动的影响是现有方案必须直面的问题之一；干涉光强与法拉第相移呈余弦函数关系，这是一种非线性的函数关系，此外法拉第相移是微弱信号，此种情况下该余弦函数的一阶导数值接近于0，如何提高传感器的测量灵敏度并解决非线性问题是现有方案必须直面的问题之二；通过相位调制器实现法拉第相移的调制解调，调制周期与传感器的渡越时间相关，而渡越时间又取决于保偏延迟光纤环的长度，传感器的带宽因此受到局限，目前已知的最高带宽约为100kHz，保偏光纤环也增加了传感器的使用成本，这是现有方案必须直面的问题之三；相位调制器的价格高，直接提高了传感器的使用成本，这也是现有方案必须直面的问题之四。目前，这些问题有些已经通过复杂的控制算法得到解决，但有些归属于传感方案的本征难题，很难被克服。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于偏振分析的煤矿光纤电流传感器，引入分光棱镜和偏振分析仪构建传感光路，利用偏振分析技术检测输出光矢量的相位差获得待测电流值，检测结果与光强无关；与现有方法对比，该发明避免了光源功率波动的影响，解决了灵敏度小和非线性的问题，无需依托相位调制器和复杂的闭环控制方法，同时检测带宽没有限制因素。
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：
一种基于偏振分析的煤矿光纤电流传感器，包括光源、偏振片、分光棱镜、准直透镜、导引光缆、1/4波片、传感光纤环、平面镜、载流导体和偏振分析仪；其中，光源的输出光经过偏振片形成线偏振光，从偏振片输出的线偏振光经分光棱镜的直角面反射后进入准直透镜，从准直透镜输出的线偏振光依次通过导引光缆、1/4波片和传感光纤环，由平面镜反射后依次返回传感光纤环、1/4波片、导引光缆和准直透镜；当待测电流在载流导体上流通时，对于返回至准直透镜的偏振光，其正交分量的相位差与待测电流成正比；返回至准直透镜的偏振光射向分光棱镜的另一个直角面并反射进入偏振分析仪，由偏振分析仪获得与待测电流成正比的相位差。
作为本发明一种基于偏振分析的煤矿光纤电流传感器的进一步优选方案，所述偏振片的消光比≥1000:1，偏振片的透光轴相对于横截面的水平/竖直中心线呈45度，从偏振片输出的线偏振光经分光棱镜的直角面反射以后，其振动面方位与准直透镜横截面的水平/竖直中心线呈45度。
作为本发明一种基于偏振分析的煤矿光纤电流传感器的进一步优选方案，入射光从准直透镜向平面镜传播的过程中，准直透镜的线偏振矢量为Ein＝[1；0；1；0]，导引光缆的穆勒矩阵为Mδ，1/4波片的穆勒矩阵为Mp1，传感光纤环的穆勒矩阵为Mf1；光从平面镜返回准直透镜的过程中，传感光纤环的穆勒矩阵为Mf2，1/4波片的穆勒矩阵为Mp2，导引光缆的穆勒矩阵为Mδ；平面镜的穆勒矩阵为Mm。所述的穆勒矩阵分别如下所示：
式中，δ为导引光缆对偏振光的正交分量所引入的相位差，f为载流导体上待测电流所激发磁场产生的法拉第相移，f＝VNI，其中，V为传感光纤环的费尔德常数，N为传感光纤环的绕制匝数，I为载流导体上待测电流；准直透镜的反向输出光矢量定义为Eout，即：
Eout＝Mδ·Mp2·Mf2·Mm·Mf1·Mp1·Mδ·Ein＝[1；0；-cos(4f)；sin(4f)]
Eout所表征的斯托克斯矢量的四个元素结果利用偏振分析仪(10)获得，由于法拉第相移f很小，所以Eout中的第四个元素sin(4f)约等于4f，进一步根据f＝VNI，且V和N是已知量，最终获得待测电流I。
有益效果：与现有技术相比，本发明引入分光棱镜和偏振分析技术构建传感光路，利用该传感光路，其输出光矢量的相位差只与待测电流诱导的法拉第相移成正比，利用偏振分析仪检测输出光矢量的相位差能够获得待测电流；该发明所述传感器的检测结果不受光源功率波动的影响，检测结果与待测电流成线性比例关系，避免了非线性问题；此外，该传感器不依赖传统的相位调制器和闭环控制算法，传感器的检测带宽没有局限，使用成本低。
附图说明
图1是本发明的光路结构原理示意图。
图中标号具体如下：1-光源，2-偏振片，3-分光棱镜，4-准直透镜，5-导引光缆，6-1/4波片，7-传感光纤环，8-平面镜，9-载流导体，10-偏振分析仪。
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偏振分析的煤矿光纤电流传感器，按照图1所示，它包括光源1、偏振片2、分光棱镜3、准直透镜4、导引光缆5、1/4波片6、传感光纤环7、平面镜8、载流导体9和偏振分析仪10。其中，光源1的输出光经过偏振片2形成线偏振光，从偏振片2输出的线偏振光经分光棱镜3的直角面反射后进入准直透镜4，从准直透镜4输出的线偏振光依次通过导引光缆5、1/4波片6和传感光纤环7，由平面镜8反射后依次返回传感光纤环7、1/4波片6、导引光缆5和准直透镜4；当待测电流在载流导体9上流通时，对于返回至准直透镜4的偏振光，其正交分量的相位差与待测电流成正比；返回至准直透镜4的偏振光射向分光棱镜3的另一个直角面并反射进入偏振分析仪10，由偏振分析仪10获得与待测电流成正比的相位差。
所述的偏振片2的消光比≥1000:1，其透光轴相对于横截面的水平/竖直中心线呈45度，从偏振片2输出的线偏振光经分光棱镜3的直角面反射以后，其振动面方位与准直透镜4横截面的水平/竖直中心线呈45度。
对所述的传感器光路进行建模，光从准直透镜4向平面镜8传播的过程中，进入准直透镜4的线偏振矢量为Ein＝[1；0；1；0]，导引光缆5的穆勒矩阵为Mδ，1/4波片6的穆勒矩阵为Mp1，传感光纤环7的穆勒矩阵为Mf1；光从平面镜8返回准直透镜4的过程中，传感光纤环7的穆勒矩阵为Mf2，1/4波片6的穆勒矩阵为Mp2，导引光缆5的穆勒矩阵为Mδ；平面镜8的穆勒矩阵为Mm。所述的穆勒矩阵分别如下所示：
式中，δ为导引光缆5对偏振光的正交分量所引入的相位差，f为载流导体9上待测电流所激发磁场产生的法拉第相移，f＝VNI，其中，V为传感光纤环7的费尔德常数，N为传感光纤环7的绕制匝数，I为载流导体9上待测电流。因此，准直透镜4的反向输出光矢量定义为Eout，即：
Eout＝Mδ·Mp2·Mf2·Mm·Mf1·Mp1·Mδ·Ein＝[1；0；-cos(4f)；sin(4f)]
Eout所表征的斯托克斯矢量的四个元素结果利用偏振分析仪(10)获得，由于法拉第相移f很小，所以Eout中的第四个元素sin(4f)约等于4f，进一步根据f＝VNI，且V和N是已知量，最终获得待测电流I。
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 (1)
1.一种基于偏振分析的煤矿光纤电流传感器，其特征在于：包括光源(1)、偏振片(2)、分光棱镜(3)、准直透镜(4)、导引光缆(5)、1/4波片(6)、传感光纤环(7)、平面镜(8)、载流导体(9)和偏振分析仪(10)；其中，光源(1)的输出光经过偏振片(2)形成线偏振光，从偏振片(2)输出的线偏振光经分光棱镜(3)的直角面反射后进入准直透镜(4)，从准直透镜(4)输出的线偏振光依次通过导引光缆(5)、1/4波片(6)和传感光纤环(7)，由平面镜(8)反射后依次返回传感光纤环(7)、1/4波片(6)、导引光缆(5)和准直透镜(4)；当待测电流在载流导体(9)上流通时，对于返回至准直透镜(4)的偏振光，其正交分量的相位差与待测电流成正比；返回至准直透镜(4)的偏振光射向分光棱镜(3)的另一个直角面并反射进入偏振分析仪(10)，由偏振分析仪(10)获得与待测电流成正比的相位差；
所述偏振片(2)的消光比≥1000:1，偏振片(2)的透光轴相对于横截面的水平/竖直中心线呈45度，从偏振片(2)输出的线偏振光经分光棱镜(3)的直角面反射以后，其振动面方位与准直透镜(4)横截面的水平/竖直中心线呈45度；
入射光从准直透镜(4)向平面镜(8)传播的过程中，准直透镜(4)的线偏振矢量为Ein＝[1；0；1；0]，导引光缆(5)的穆勒矩阵为Mδ，1/4波片(6)的穆勒矩阵为Mp1，传感光纤环(7)的穆勒矩阵为Mf1；光从平面镜(8)返回准直透镜(4)的过程中，传感光纤环(7)的穆勒矩阵为Mf2，1/4波片(6)的穆勒矩阵为Mp2，导引光缆(5)的穆勒矩阵为Mδ；平面镜(8)的穆勒矩阵为Mm； 所述的穆勒矩阵分别如下所示：
式中，δ为导引光缆(5)对偏振光的正交分量所引入的相位差，f为载流导体(9)上待测电流所激发磁场产生的法拉第相移，f＝VNI，其中，V为传感光纤环(7)的费尔德常数，N为传感光纤环(7)的绕制匝数，I为载流导体(9)上待测电流；准直透镜(4)的反向输出光矢量定义为Eout，即：
Eout＝Mδ·Mp2·Mf2·Mm·Mf1·Mp1·Mδ·Ein＝[1；0；-cos(4f)；sin(4f)]
Eout所表征的斯托克斯矢量的四个元素结果利用偏振分析仪(10)获得，由于法拉第相移f很小，所以Eout中的第四个元素sin(4f)约等于4f，进一步根据f＝VNI，且V和N是已知量，最终获得待测电流I。
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