CN110763901A - 一种环型煤矿光纤电流传感器系统及使用环型煤矿光纤电流传感器系统求解待测电流的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环型煤矿光纤电流传感器系统包括有光源、两个光纤准直器、非偏振分束器、偏振分束器、第一1/4波片、第二1/4波片、传感光纤和偏振分析模块，非偏振分束器设置在两个光纤准直器之间，且光源的输出光依次经过第一光纤准直器、非偏振分束器和第二光纤准直器，从偏振分束器的第一端口进入偏振分束器内部；第一端口快轴和慢轴输出的两束线偏振光依次经过第二光纤准直器和非偏振分束器后，进入偏振分析模块。本发明无需采用相位调制，有效的减少了光路设计成本以及光学误差因素，同时本传感器输出光矢量所包含的相位差只与待测电流诱导的法拉第相移成正比，从而通过检测输出光矢量所包含的相位差即可获得待测电流。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种环型煤矿光纤电流传感器系统及使用环型煤矿光纤电流传感器系统求解待测电流的方法。
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，表明传感器的灵敏度极低，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，很难克服。
发明内容
发明目的：针对现有光纤电流传感器易受光源功率波动影响，且灵敏度小和非线性的问题，本发明提出一种环型煤矿光纤电流传感器系统及使用环型煤矿光纤电流传感器系统求解待测电流的方法。
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：
一种环型煤矿光纤电流传感器系统，所述环型煤矿光纤电流传感器包括有光源、两个光纤准直器、非偏振分束器、偏振分束器、第一1/4波片、第二1/4波片、传感光纤和偏振分析模块，所述非偏振分束器设置在两个光纤准直器之间，且所述光源的输出光依次经过第一个光纤准直器、非偏振分束器和第二个光纤准直器，从偏振分束器的第一端口进入偏振分束器内部；
沿所述第一端口慢轴传输的光经偏振分束器形成第一线偏振光，并从偏振分束器的第二端口的慢轴输出，同时通过所述第一1/4波片形成第一圆偏振光进入传感光纤中，再通过所述第二1/4波片形成线偏振光进入偏振分束器的第三端口的慢轴中，最后经所述偏振分束器从第一端口的快轴输出，所述第一端口快轴输出的线偏振光依次经过第二个光纤准直器和非偏振分束器后，进入所述偏振分析模块中；
沿所述第一端口快轴传输的光经偏振分束器形成第二线偏振光，并从所述第三端口的慢轴输出，同时通过所述第二1/4波片形成第二圆偏振光进入传感光纤中，再通过所述第一1/4波片形成线偏振光进入第二端口的慢轴中，最后经所述偏振分束器从第一端口的慢轴输出，所述第一端口慢轴输出的线偏振光依次经过第二个光纤准直器和非偏振分束器后，进入所述偏振分析模块中。
进一步地讲，所述环型煤矿光纤电流传感器还包括有载流导体，所述传感光纤为圆环结构，所述载流导体穿过传感光纤中部的环，当待测电流经过所述载流导体时，所述传感光纤中的第一圆偏振光和第二圆偏振光之间将形成相位差。
进一步地讲，所述待测电流与相位差之间具有线性关系。
进一步地讲，所述第一端口的慢轴与第二端口的慢轴对准，所述第一端口的快轴与第三端口的慢轴对准。
进一步地讲，所述第二端口与第一1/4波片的输入尾纤对轴熔接，所述第三端口与第二1/4波片的输入尾纤对轴熔接，且对轴熔接的角度均为0°。
一种使用环型煤矿光纤电流传感器系统求取待测电流的方法，所述方法包括如下步骤：
S1：根据矩阵光学对所述传感器系统进行建模，获取所述第一端口输出光矢量的斯托克斯矢量，具体为：
其中：Es为第一端口慢轴光矢量的振幅，Ef为第一端口快轴光矢量的振幅，F为法拉第效应形成的相位差；
S2：通过所述偏振分析模块对第一端口输出光进行检测，获取所述第一端口输出光的四个元素结果，并将所述第一端口输出光的第三个元素结果和第四个元素结果的平方求和并开方；
S3：将所述开方结果代入第四个元素结果中，获取得到sinF，并根据所述法拉第效应形成的相位差的大小，获取如下关系，具体为：
sinF≈F
其中：F为法拉第效应形成的相位差；
S4：根据法拉第效应，所述第一圆偏振光和第二圆偏振光之间形成的相位差与待测电流之间具有线性比例关系，通过所述线性比例关系，确定所述待测电流大小，所述线性比例关系，具体为：
F＝VNI
其中：F为法拉第效应形成的相位差，V为传感光纤的费尔德常数，N为传感光纤的绕制匝数，I为待求解参数。
进一步地讲，所述互易光路由偏振分束器、第一1/4波片、第二1/4波片和传感光纤组成。
进一步地讲，在所述步骤S1中，获取所述第一端口输出光矢量的斯托克斯矢量，具体如下：
S1.1：通过对所述互易光路输入光的琼斯矢量进行变换，获取所述互易光路输入光的斯托克斯矢量，具体为：
其中：Es为第一端口慢轴光矢量的振幅，Ef为第一端口快轴光矢量的振幅；
S1.2：通过对所述互易光路的琼斯矩阵进行变换，获取所述互易光路的穆勒矩阵，具体为：
[1 0 0 0；0 1 0 0；0 0 cosF sinF；0 0-sinF cosF]
其中：F为法拉第效应形成的相位差；
S1.3：根据矩阵光学、互易光路的穆勒矩阵及输入光的斯托克斯矢量，获取所述第一端口输出光矢量的斯托克斯矢量。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
(1)本发明的环型煤矿光纤电流传感器无需采用相位调制，有效的减少了光路设计成本以及光学误差因素，同时本传感器输出光矢量所包含的相位差只与待测电流诱导的法拉第相移成正比，从而通过检测输出光矢量所包含的相位差即可获得待测电流；
(2)本发明的环型煤矿光纤电流传感器的检测结果不依赖相位调制器和闭环控制算法，从而不受光源功率波动的影响，进而提高了检测灵敏度。
附图说明
图1是本发明的环型煤矿光纤电流传感器的光路结构原理示意图；
图中标号对应部件名称：
1、光源；2、光纤准直器；3、非偏振分束器；4、偏振分束器；41、第一端口；42、第二端口；43、第三端口；5、第一1/4波片；6、第二1/4波片；7、传感光纤；8、载流导体；9、偏振分析模块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。其中，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
实施例1
参考图1，本实施例提供了一种环型煤矿光纤电流传感器系统，包括有光源1、两个光纤准直器2、非偏振分束器3、偏振分束器4、第一1/4波片5、第二1/4波片6、传感光纤7、载流导体8和偏振分析模块9。其中非偏振分束器3设置在两个光纤准直器2之间，同时偏振分束器4具有三个端口，分别为第一端口41、第二端口42和第三端口43。具体地讲，第一端口41的慢轴与第二端口42的慢轴对准，第一端口41的快轴与第三端口43的慢轴对准，同时第二端口42与第一1/4波片5的输入尾纤对轴熔接，第三端口43与第二1/4波片6的输入尾纤对轴熔接，且两个对轴熔接的角度均为0°。
在本实施例中，光源1的输出光会依次经过第一个光纤准直器2、非偏振分束器3和第二个光纤准直器2，并从第一端口41进入偏振分束器4的内部。具体地讲，沿第一端口41慢轴传输的光经偏振分束器4的传输，会形成第一线偏振光，并从第二端口42的慢轴输出，同时还会通过第一1/4波片5形成第一圆偏振光进入传感光纤7中，再通过第二1/4波片6形成线偏振光后，进入偏振分束器的第三端口43的慢轴中，最后经偏振分束器4从第一端口41的快轴输出。
同时沿第一端口41快轴传输的光经偏振分束器4的传输，会形成第二线偏振光，并从第三端口43的慢轴输出，同时通过第二1/4波片6形成第二圆偏振光进入传感光纤7中，再通过第一1/4波片5形成线偏振光后，进入第二端口42的慢轴中，最后经偏振分束器4从第一端口41的慢轴输出。
并且第一端口41快轴输出的线偏振光和慢轴输出的线偏振光都将再依次经过第二光纤准直器2和非偏振分束器3后，进入偏振分析模块9中。
其中传感光纤7为圆环结构，同时载流导体8穿过传感光纤7中部的环，且当待测电流经过载流导体8时，传感光纤7中的第一圆偏振光和第二圆偏振光会因待测电流诱导的法拉第效应形成相位差，从而与之对应的第一端口41快轴和慢轴传输的两束线偏振光将存在有同样的相位差，且该相位差可以根据偏振分析模块9的测量结果处理获得。根据法拉第效应可知，相位差和待测电流之间具有线性关系，从而可以进一步求取待测电流。
在本实施例中，还提供了一种使用环型煤矿光纤电流传感器系统求取待测电流的方法，具体包括如下步骤：
步骤S1：由于沿第一端口41慢轴传输的光会返回至第一端口41的快轴，沿第一端口41快轴传输的光会返回至第一端口41的慢轴，从而偏振分束器4、第一1/4波片5、第二1/4波片6和传感光纤7可构成互易光路。
同时根据矩阵光学对传感器系统进行建模，从而获取第一端口41输出光矢量的斯托克斯矢量，具体为：
其中：Es为第一端口慢轴光矢量的振幅，Ef为第一端口快轴光矢量的振幅，F为法拉第效应形成的相位差。
在本实施例中，获取第一端口41输出光矢量的斯托克斯矢量，具体如下：
步骤S1.1：通过对互易光路输入光的琼斯矢量进行变换，可以获取互易光路原始光的斯托克斯矢量，即当第一端口41输入互易光路的原始光Ein的琼斯矢量为[Es；Ef]时，对应的斯托克斯矢量为
其中：Es为第一端口慢轴光矢量的振幅，Ef为第一端口快轴光矢量的振幅。
步骤S1.2：通过对互易光路的琼斯矩阵进行变换，可以获取互易光路的穆勒矩阵，即由于互易光路原始光的斯托克斯矢量为
从而互易光路的琼斯矩阵为[eiF 0；0 1]，相应的穆勒矩阵为[1 0 0 0；0 1 0 0；0 0 cosF sinF；0 0-sinFcosF]。其中：Es为第一端口慢轴光矢量的振幅，Ef为第一端口快轴光矢量的振幅，F为法拉第效应形成的相位差。
步骤S1.3：根据矩阵光学、步骤S1.1中输入光的斯托克斯矢量及步骤S1.2中互易光路的穆勒矩阵，可以确定出第一端口41输出光矢量的斯托克斯矢量。
步骤S2：通过偏振分析模块9对第一端口41的输出光Eout进行检测，可以获取得到输出光Eout的四个元素结果。其中对第三个元素结果和第四个元素结果的平方求和并开方可以得到2EsEf。
步骤S3：将开方结果2EsEf代入第四个元素结果中，可以获得sinF。由于法拉第效应形成的相位差F值很小，从而可以获取如下关系，具体为：
sinF≈F
其中：F为法拉第效应形成的相位差。
步骤S4：根据法拉第效应可知，该效应会引起第一圆偏振光和第二圆偏振光之间形成的相位差F与载流导体8上待测电流I具有线性比例关系，值得注意的是，第一圆偏振光和第二圆偏振光之间形成的相位差F和法拉第效应形成的相位差F属于同一相位差，只是表述不同。
通过相位差F和两者之间的线性比例关系，可以确定待测电流大小。该线性比例关系，具体为：
F＝VNI
其中：F为法拉第效应形成的相位差，V为传感光纤的费尔德常数，N为传感光纤的绕制匝数，I为待求解参数。
具体地讲，当光源1输出光的中心波长为1310nm时，传感光纤7的费尔德常数V约为1urad/A，此时待求解参数I具体为：
其中：I为待求解参数，F为法拉第效应形成的相位差，V为传感光纤的费尔德常数，N为传感光纤的绕制匝数。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构和方法并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种环型煤矿光纤电流传感器系统，其特征在于，所述环型煤矿光纤电流传感器包括有光源(1)、两个光纤准直器(2)、非偏振分束器(3)、偏振分束器(4)、第一1/4波片(5)、第二1/4波片(6)、传感光纤(7)和偏振分析模块(9)，所述非偏振分束器(3)设置在两个光纤准直器(2)之间，且所述光源(1)的输出光依次经过第一个光纤准直器(2)、非偏振分束器(3)和第二个光纤准直器(2)，从偏振分束器的第一端口(41)进入偏振分束器(4)内部；
沿所述第一端口(41)慢轴传输的光经偏振分束器(4)形成第一线偏振光，并从偏振分束器的第二端口(42)的慢轴输出，同时通过所述第一1/4波片(5)形成第一圆偏振光进入传感光纤(7)中，再通过所述第二1/4波片(6)形成线偏振光进入偏振分束器的第三端口(43)的慢轴中，最后经所述偏振分束器(4)从第一端口(41)的快轴输出，所述第一端口(41)快轴输出的线偏振光依次经过第二个光纤准直器(2)和非偏振分束器(3)后，进入所述偏振分析模块(9)中；
沿所述第一端口(41)快轴传输的光经偏振分束器(4)形成第二线偏振光，并从所述第三端口(43)的慢轴输出，同时通过所述第二1/4波片(6)形成第二圆偏振光进入传感光纤(7)中，再通过所述第一1/4波片(5)形成线偏振光进入第二端口(42)的慢轴中，最后经所述偏振分束器(4)从第一端口(41)的慢轴输出，所述第一端口(41)慢轴输出的线偏振光依次经过第二个光纤准直器(2)和非偏振分束器(3)后，进入所述偏振分析模块(9)中。
2.根据权利要求1所述的一种环型煤矿光纤电流传感器系统，其特征在于，所述环型煤矿光纤电流传感器还包括有载流导体(8)，所述传感光纤(7)为圆环结构，所述载流导体(8)穿过传感光纤(7)中部的环，当待测电流经过所述载流导体(8)时，所述传感光纤(7)中的第一圆偏振光和第二圆偏振光之间将形成相位差。
3.根据权利要求2所述的一种环型煤矿光纤电流传感器系统，其特征在于，所述待测电流与相位差之间具有线性关系。
4.根据权利要求1或2所述的一种环型煤矿光纤电流传感器系统，其特征在于，所述第一端口(41)的慢轴与第二端口(42)的慢轴对准，所述第一端口(41)的快轴与第三端口(43)的慢轴对准。
5.根据权利要求1或2所述的一种环型煤矿光纤电流传感器系统，其特征在于，所述第二端口(42)与第一1/4波片(5)的输入尾纤对轴熔接，所述第三端口(43)与第二1/4波片(6)的输入尾纤对轴熔接，且对轴熔接的角度均为0°。
6.一种使用如权利要求1-5任一项所述的一种环型煤矿光纤电流传感器系统求取待测电流的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1：根据矩阵光学对所述传感器系统进行建模，获取所述第一端口(41)输出光矢量的斯托克斯矢量，具体为：
其中：Es为第一端口慢轴光矢量的振幅，Ef为第一端口快轴光矢量的振幅，F为法拉第效应形成的相位差；
S2：通过所述偏振分析模块(9)对第一端口(41)输出光进行检测，获取所述第一端口(41)输出光的四个元素结果，并将所述第一端口(41)输出光的第三个元素结果和第四个元素结果的平方求和并开方；
S3：将所述开方结果代入第四个元素结果中，获取得到sinF，并根据所述法拉第效应形成的相位差的大小，获取如下关系，具体为：
sin F≈F
其中：F为法拉第效应形成的相位差；
S4：根据法拉第效应，所述第一圆偏振光和第二圆偏振光之间形成的相位差与待测电流之间具有线性比例关系，通过所述线性比例关系，确定所述待测电流大小，所述线性比例关系，具体为：
F＝VNI
其中：F为法拉第效应形成的相位差，V为传感光纤的费尔德常数，N为传感光纤的绕制匝数，I为待求解参数。
7.根据权利要求6所述的一种使用环型煤矿光纤电流传感器系统求取待测电流的方法，其特征在于，所述互易光路由偏振分束器(4)、第一1/4波片(5)、第二1/4波片(6)和传感光纤(7)组成。
8.根据权利要求6所述的一种使用环型煤矿光纤电流传感器系统求取待测电流的方法，其特征在于，在所述步骤S1中，获取所述第一端口(41)输出光矢量的斯托克斯矢量，具体如下：
S1.1：通过对所述互易光路输入光的琼斯矢量进行变换，获取所述互易光路输入光的斯托克斯矢量，具体为：
其中：Es为第一端口慢轴光矢量的振幅，Ef为第一端口快轴光矢量的振幅；
S1.2：通过对所述互易光路的琼斯矩阵进行变换，获取所述互易光路的穆勒矩阵，具体为：
[1 0 0 0；0 1 0 0；0 0 cosF sinF；0 0 -sinF cosF]
其中：F为法拉第效应形成的相位差；
S1.3：根据矩阵光学、互易光路的穆勒矩阵及输入光的斯托克斯矢量，获取所述第一端口(41)输出光矢量的斯托克斯矢量。
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