CN110780101A - 一种旋光型煤矿光纤电流传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种旋光型煤矿光纤电流传感器，它包括光源、光纤准直器、偏振片、非偏振分束器、导引光缆、传感光纤、反射镜、偏振分析模块和载流导体。本发明采用偏振分析技术实现了待测电流的精确测量，光路结构简单，误差源少，光源功率波动对测量结果没有影响，无需依托相位调制器和复杂的闭环控制算法，就能使传感器处于最大灵敏度工作点，动态测量范围没有限制。

Description

一种旋光型煤矿光纤电流传感器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种旋光型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。主流光纤电流传感器基于法拉第旋光效应开展设计，根据检测对象分为偏振旋转和相位干涉两类。前者利用待测电流激发的磁场诱导偏振光的振动面旋转，在光路中引入偏振控制器和偏振分束器构建正交光路，并采用“差除和”算法计算得到旋转角度，根据旋转角度与待测电流之间的线性关系获得待测电流；后者利用待测电流激发的磁场诱导两束旋向相反的圆偏振光之间形成相位差，通过构建干涉光路得到传感器输出光强与相位差的函数关系，为了消除光源功率波动的影响以及提高传感器的灵敏度，引入了方波调制技术，为了扩大动态范围并克服非线性，引入阶梯波反馈技术，而方波调制技术和阶梯波反馈技术的顺利实施必须依赖于光路中的相位调制器和保偏光纤延迟环。偏振旋转类光纤电流传感器的结构虽然简单，但是由于正交光路的不对称性，光源功率波动的影响很难完全消除，偏振串音和对轴误差等误差因素在这类传感器的理论研究中很少被涉及，这就导致这类传感器的理论结果与实测结果的一致性较差；相位干涉类光纤电流传感器的测量精度高、性能稳定，但是这类传感器必需相位调制器和保偏光纤延迟环，使得这类传感器的制造成本居高不下，制约了这类传感器的推广应用，此外，这类传感器采用方波调制技术和阶梯波反馈技术等复杂闭环控制算法，技术门槛高。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明以现有相位干涉式光纤电流传感器的技术指标为参照，在保证相同技术指标的前提下简化光路结构及控制方法，并有效降低制造成本，为此，本发明提出了一种旋光型煤矿光纤电流传感器，传感器的核心光路仅由导引光缆和末端电镀反射膜的传感光纤组成，引入偏振分析技术对光路的输出光矢量进行测量，根据矢量中元素值与法拉第旋转角的函数关系提取除法拉第旋转角，根据法拉第旋转角与待测电流的线性关系得到待测电流。
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：
一种旋光型煤矿光纤电流传感器，所述传感器包括光源、光纤准直器、偏振片、非偏振分束器、导引光缆、传感光纤、反射镜、偏振分析模块和载流导体；
其中，导引光缆的慢轴与偏振片的透光轴对准，并与传感光纤的慢轴对准熔接；
光源的输出光经光纤准直器进入偏振片形成正向线偏振光，且且偏振片(3)的透光轴处于水平方位；
正向线偏振光经非偏振分束器和导引光缆进入传感光纤，在传感光纤中正向线偏振光发生第一次法拉第旋转，旋转角度与载流导体上的待测电流成正比；
正向线偏振光传输至反射镜并反射后形成反向线偏振光，反向线偏振光返回传感光纤，在传感光纤中反向线偏振光发生第二次法拉第旋转，第一次和第二次法拉第旋转的大小和方向相同，反向线偏振光返回导引光缆并分解到导引光缆的快、慢轴上，沿导引光缆的快、慢轴传输的光依次经过光纤准直器和非偏振分束器进入偏振分析模块；
从偏振片输出的正向线偏振光矢量为Ein＝[1；1；0；0]，导引光缆的穆勒矩阵Mδ1为[10 0 0；0 1 0 0；0 0 cosδ -sinδ；0 0 sinδ cosδ]，传感光纤的穆勒矩阵Mf1为[1 0 0 0；0 cos2F-sin2F 0；0 sin2F cos2F 0；0 0 0 1]，反射镜的穆勒矩阵Mm为[1 0 0 0；0 1 00；0 0 -1 0；0 0 0-1]；针对反向线偏振光，传感光纤的穆勒矩阵Mf2为[1 0 0 0；0 cos2Fsin2F 0；0 -sin2Fcos2F 0；0 0 0 1]，导引光缆的穆勒矩阵Mδ2＝Mδ1；因此，进入偏振分析模块的光矢量定义为Eout，即：
Eout＝Mδ2Mf2MmMf1Mδ1·Ein＝[1；cos4F；-sin4Fcosδ；-sin4Fsinδ]
Eout中，F为法拉第旋转角，偏振分析模块得到Eout的四个元素值，通过对第三元素-sin4Fcosδ和第四元素-sin4Fsinδ的平方求和得到(sin4F)2，由于F值很小，所以对(sin4F)2开方并进行反正弦运算后能确定唯一的F值，根据法拉第旋光效应F＝VNI进一步求得待测电流I＝F/(VN)，其中，V为传感光纤的费尔德常数，N为传感光纤的绕制匝数，V和N均为已知量。
有益效果：
与现有技术相比，本发明采用偏振分析技术实现了法拉第旋转角的精确测量，光路结构简单，误差源少，光源功率波动对测量结果没有影响，无需依托相位调制器和复杂的闭环控制算法，就能使传感器处于最大灵敏度工作点，动态测量范围没有限制。
附图说明
图1是本发明的光路结构原理示意图；
其中：1-光源，2-光纤准直器，3-偏振片，4-非偏振分束器，5-导引光缆，6-传感光纤环，7-反射镜，8-偏振分析模块，9-载流导体。
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基于偏振分析的旋光型煤矿光纤电流传感器，按照图1所示，它包括光源1、光纤准直器2、偏振片3、非偏振分束器4、导引光缆5、传感光纤6、反射镜7、偏振分析模块8和载流导体9。其中，导引光缆5的慢轴与偏振片3的透光轴对准，并与传感光纤6的慢轴对准熔接。光源1的输出光经光纤准直器2进入偏振片3形成正向线偏振光，且偏振片(3)的透光轴处于水平方位；正向线偏振光经非偏振分束器3和导引光缆进入传感光纤6，在传感光纤6中正向线偏振光发生第一次法拉第旋转，旋转角度与载流导体9上的待测电流成正比；正向线偏振光传输至反射镜7并反射后形成反向线偏振光，反向线偏振光返回传感光纤6，在传感光纤6中反向线偏振光发生第二次法拉第旋转，第一次和第二次法拉第旋转的大小和方向相同，反向线偏振光返回导引光缆5并分解到导引光缆5的快、慢轴上，沿导引光缆5的快、慢轴传输的光依次经过光纤准直器2和非偏振分束器4进入偏振分析模块8。从偏振片3输出的正向线偏振光矢量为Ein＝[1；1；0；0]，导引光缆5的穆勒矩阵Mδ1为[1 0 00；0 1 0 0；0 0 cosδ -sinδ；0 0 sinδ cosδ]，传感光纤6的穆勒矩阵Mf1为[1 0 0 0；0cos2F -sin2F 0；0 sin2F cos2F 0；0 00 1]，反射镜7的穆勒矩阵Mm为[1 0 0 0；0 1 0 0；0 0 -1 0；0 0 0 -1]；针对反向线偏振光，传感光纤6的穆勒矩阵Mf2为[1 0 0 0；0 cos2Fsin2F 0；0 -sin2F cos2F 0；0 0 0 1]，导引光缆5的穆勒矩阵Mδ2＝Mδ1；因此，进入偏振分析模块8的光矢量定义为Eout，即：
Eout＝Mδ2Mf2MmMf1Mδ1·Ein＝[1；cos4F；-sin4Fcosδ；-sin4Fsinδ]
Eout中，F为法拉第旋转角，偏振分析模块8得到Eout的四个元素值，通过对第三元素-sin4Fcosδ和第四元素-sin4Fsinδ的平方求和得到(sin4F)2，由于F值很小，所以对(sin4F)2开方并求解反正弦后能确定唯一的F值，根据法拉第旋光效应F＝VNI进一步求得待测电流I＝F/(VN)，V为传感光纤的费尔德常数，N为传感光纤的绕制匝数，V和N均为已知量。
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)

1.一种旋光型煤矿光纤电流传感器，其特征在于：所述传感器包括光源(1)、光纤准直器(2)、偏振片(3)、非偏振分束器(4)、导引光缆(5)、传感光纤(6)、反射镜(7)、偏振分析模块(8)和载流导体(9)；
其中，导引光缆(5)的慢轴与偏振片(3)的透光轴对准，并与传感光纤(6)的慢轴对准熔接；
光源(1)的输出光经光纤准直器(2)进入偏振片(3)形成正向线偏振光，且偏振片(3)的透光轴处于水平方位；
正向线偏振光经非偏振分束器(3)和导引光缆(5)进入传感光纤(6)，在传感光纤(6)中正向线偏振光发生第一次法拉第旋转，旋转角度与载流导体(9)上的待测电流成正比；
正向线偏振光传输至反射镜(7)并反射后形成反向线偏振光，反向线偏振光返回传感光纤(6)，在传感光纤(6)中反向线偏振光发生第二次法拉第旋转，第一次和第二次法拉第旋转的大小和方向相同，反向线偏振光返回导引光缆(5)并分解到导引光缆(5)的快、慢轴上，沿导引光缆(5)的快、慢轴传输的光依次经过光纤准直器(2)和非偏振分束器(4)进入偏振分析模块(8)；
从偏振片(3)输出的正向线偏振光矢量为Ein＝[1；1；0；0]，导引光缆(5)的穆勒矩阵Mδ1为[1 0 0 0；0 1 0 0；0 0 cosδ-sinδ；0 0 sinδ cosδ]，传感光纤(6)的穆勒矩阵Mf1为[1 00 0；0 cos2F-sin2F 0；0 sin2F cos2F 0；0 0 0 1]，反射镜(7)的穆勒矩阵Mm为[1 0 0 0；0 1 0 0；0 0 -1 0；0 0 0 -1]；针对反向线偏振光，传感光纤(6)的穆勒矩阵Mf2为[1 0 00；0 cos2F sin2F 0；0 -sin2F cos2F 0；0 0 0 1]，导引光缆(5)的穆勒矩阵Mδ2＝Mδ1；因此，进入偏振分析模块(8)的光矢量定义为Eout，即：
Eout＝Mδ2Mf2MmMf1Mδ1·Ein＝[1；cos4F；-sin4Fcosδ；-sin4Fsinδ]
Eout中，F为法拉第旋转角，偏振分析模块(8)得到Eout的四个元素值，通过对第三元素-sin4Fcosδ和第四元素-sin4Fsinδ的平方求和得到(sin4F)2，由于F值很小，所以对(sin4F)2开方并进行反正弦运算后能确定唯一的F值，根据法拉第旋光效应F＝VNI进一步求得待测电流I＝F/(VN)，其中，V为传感光纤的费尔德常数，N为传感光纤的绕制匝数，V和N均为已知量。
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