CN111208336B - 一种单模光纤引导的煤矿/地铁光纤无源电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单模光纤引导的煤矿/地铁光纤电流传感器，将SLD光源和控制单元这两种有源器件封装成信号激发处理模块并安装在监测现场的低压侧，将准直透镜、偏振片、第一1/4波片、分光器、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、保偏光纤、第二1/4波片、传感光纤、反射镜、载流导体和偏振分束器等无源器件封装成传感模块并安装在监测现场的高压侧，信号激发处理模块和传感模块之间通过低价单模光纤引导；在本发明中，利用两个1/4波片和偏振分束器、引入正交算法，不仅拓宽了线性测量范围，也消除了光源功率波动影响，从而无需使用高价的相位调制器，在保证传感性能的前提显著降低成本，为光纤电流传感器的推广使用提出一种有效的优先方案。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种单模光纤引导的煤矿/地铁光纤无源电流传感器。
背景技术
由于光纤电流传感器具备绝缘性能好，抗电磁干扰强，结构简单、本征隔爆防爆等优点，非常适合煤矿/地铁等特殊领域中进行应用。
光纤电流传感器的工作原理基于法拉第磁光效应，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。该主流方案的核心元器件通常包括：SLD光源、光纤耦合器、起偏器、相位调制器、保偏光纤环、四分之一波片、传感光纤和反射镜，通常将SLD光源、光纤耦合器、起偏器、相位调制器封装成一体并安装在监测现场的低压侧，而将四分之一波片、传感光纤和反射镜封装成一体并安装在监测现场的高压侧，低压侧和高压侧之间的元器件通过保偏光纤环连接而成。目前，制约光纤电流传感器推广应用的主要因素在于传感器的制造成本居高不下，相位调制器及其配套的控制算法能够显著提高传感器的性能，比如扩展传感器的线性测量范围、避免低频噪声影响和消除光源功率波动影响等作用，相位调制器和保偏光纤环(通常为100m)在制造成本中占据较高比例。因此，如何找到相位调制器相同功能的低价替换方案，利用低价单模光纤替换高价保偏光纤实现低压侧和高压侧之间的信号引导，是本发明专利重点解决的问题。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种单模光纤引导的煤矿/地铁光纤无源电流传感器，首先引入第一1/4波片并设计第一1/4波片与其相邻元器件的夹角，由此在用于电流传感的偏振光信号之间引入一个固定的π/2相位延迟，在此基础上引入偏振分束器及正交算法，利用这种方案拓展了传感器的线性测量范围并消除传感器的光源功率波动影响；此外，将测量光路的无源光器件封装成传感模块，将测量光路的有源光器件封装成信号激发处理模块，两个模块之间利用单模光纤进行信号引导。
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：一种单模光纤引导的煤矿/地铁光纤无源电流传感器，包括SLD光源(1)、准直透镜(31)、偏振片(4)、第一1/4波片(5)、分光器(6)、第一聚焦透镜(32)、第二聚焦透镜(33)、第三聚焦透镜(34)、第二1/4波片(7)、传感光纤(8)、反射镜(9)、载流导体(10)、偏振分束器(11)和控制单元(12)。
将SLD光源(1)和控制单元(12)封装成信号激发处理模块(13)并安装在监测现场的低压侧，将准直透镜(31)、偏振片(4)、第一1/4波片(5)、分光器(6)、第一聚焦透镜(32)、第二聚焦透镜(33)、第三聚焦透镜(34)、保偏光纤(22)、第二1/4波片(7)、传感光纤(8)、反射镜(9)、载流导体(10) 和偏振分束器(11)封装成传感模块(14)并安装在监测现场的高压侧，信号激发处理模块(13)和传感模块(14)之间通过单模光纤(21)引导。第二1/4波片(7)和传感光纤(8)是通过熔接机熔接在一起的，SLD光源(1)与准直透镜(31) 通过单模光纤(21)连接，控制单元(12)与第一聚焦透镜(32)、第二聚焦透镜(33)通过单模光纤(21)连接，第三聚焦透镜(34)与第二1/4波片(7) 通过保偏光纤(22)连接，偏振片(4)的透光轴与第一1/4波片(5)的偏振主轴之间的夹角为45°，第一1/4波片(5)的偏振主轴与保偏光纤(22)的偏振主轴平行，保偏光纤(22)的偏振主轴与第二1/4波片(7)的偏振主轴之间的夹角成45°，偏振分束器(11)的偏振主轴与保偏光纤(22)的偏振主轴成45°。
其中，准直透镜(31)后面安置偏振片(4)，偏振片(4)后边安置第一1/4 波片(5)，第一1/4波片(5)后边安置分光器(6)，分光器(6)后面安置第三聚焦透镜(34)，这些都是空间光器件，彼此之间位置有要求，而第三聚焦透镜 (34)与第二1/4波片(7)通过保偏光纤(22)连接。
SLD光源(1)的输出光依次经过准直透镜(31)和偏振片(4)后形成线偏振光，所形成的线偏振光经过第一1/4波片(5)后分解成相位差为90°的两束正交线偏振光，这两束正交线偏振光经过分光器(6)、第三聚焦透镜(34)、保偏光纤(22)、第二1/4波片(7)后分别形成旋向相反的两束圆偏振光，这两束圆偏振光进入传感光纤(8)并被传感光纤(8)末端的反射镜(9)作用后返回传感光纤(8)，返回的两束圆偏振光再次经过第二1/4波片(7)并被转化为两束正交的线偏振光，然后依次返回保偏光纤(22)、第三聚焦透镜(34)、分光器(6)进入偏振分束器(11)，由于保偏光纤(22)的偏振主轴与偏振分束器(11) 的偏振主轴成45°，选择保偏光纤(22)的偏振主轴构建本征坐标系，这两束返回的正交线偏振光将在本征坐标系中的45°方位和135°方位发生两次干涉，这两次干涉光有偏振分束器(11)分别输出，并经过第一聚焦透镜(32)和第二聚焦透镜(33)传输至控制单元(12)检测。
本发明还提出一种单模光纤引导的煤矿/地铁光纤无源电流传感器的控制方法，该方法具体包括如下步骤：
光从SLD光源(1)向反射镜(9)传播的过程中，SLD光源(1)的输出光矢量为Ein＝[Ex；Ey]，偏振片(4)的琼斯矩阵为Jp，第一1/4波片(5)的琼斯矩阵为Jx，保偏光纤(22)的琼斯矩阵为Jy1，第二1/4波片(7)的琼斯矩阵为Jb1，传感光纤(8)的琼斯矩阵为Jf1，反射镜(9)的琼斯矩阵为Jm。
光从反射镜(9)向偏振分束器(11)传播的过程中，传感光纤(8)的琼斯矩阵为Jf2，第二1/4波片(7)的琼斯矩阵为Jb2，保偏光纤(22)的琼斯矩阵为 Jy2，偏振分束器的(11)的琼斯矩阵为Jq1和Jq2。
在传感器光路中涉及的45°夹角对应的琼斯矩阵为J45，因此，所述琼斯矩阵分别如下所示：
式中：F为载流导体(10)上待测电流所激发磁场在传感光纤(8)中两束圆偏振光之间产生的法拉第相移，F＝VNI，V为传感光纤(8)的费尔德常数， N为传感光纤(8)的绕制匝数，I为载流导体(10)上待测电流；δ为两束正交线偏振光经过保偏光纤(22)所产生的相位差。因此，第一聚焦透镜(32)输出的光矢量定义为Eout1，而第二聚焦透镜(33)输出的光矢量定义为Eout2，即：
Eout1＝Jq1·J45·Jy2·Jb2·Jf2·Jm·Jf1·Jb1·Jy1·Jx·J45·Jp·Ein
Eout2＝Jq2·J45·Jy2·Jb2·Jf2·Jm·Jf1·Jb1·Jy1·Jx·J45·Jp·Ein
根据马吕斯定理可知：
将光功率P1和P2输入控制单元(12)并进行“差除和”解算，利用解算结果反算出待测电流I，即：
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：
本发明提出一种单模光纤引导的煤矿/地铁光纤无源电流传感器，除了SLD 光源和控制单元这两种有源光器件外均采用无源光器件，有源光器件和无源光器件彼此单独封装并采用单模光纤进行信号引导，利用两个1/4波片和偏振分束器构建传感光路，无需利用相位调制器，在保证传感性能的前提显著降低成本，为光纤电流传感器的推广使用提出一种有效的优先方案。
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-SLD光源、21-单模光纤、22-保偏光纤、31-准直透镜、 32-第一聚焦透镜、33-第二聚焦透镜、34-第三聚焦透镜、4-偏振片、5-第一1/4 波片、6-分光器、7-1/4波片、8-传感光纤、9-反射镜、10-载流导体、11-偏振分束器、12-控制单元、13-信号激发处理模块、14-传感模块。
具体实施方式：
本发明提出一种单模光纤引导的煤矿/地铁光纤无源电流传感器，包括SLD 光源(1)、准直透镜(31)、偏振片(4)、第一1/4波片(5)、分光器(6)、第一聚焦透镜(32)、第二聚焦透镜(33)、第三聚焦透镜(34)、第二1/4波片(7)、传感光纤(8)、反射镜(9)、载流导体(10)、偏振分束器(11)和控制单元(12)。
将SLD光源(1)和控制单元(12)封装成信号激发处理模块(13)并安装在监测现场的低压侧，将准直透镜(31)、偏振片(4)、第一1/4波片(5)、分光器(6)、第一聚焦透镜(32)、第二聚焦透镜(33)、第三聚焦透镜(34)、保偏光纤(22)、第二1/4波片(7)、传感光纤(8)、反射镜(9)、载流导体(10) 和偏振分束器(11)封装成传感模块(14)并安装在监测现场的高压侧，信号激发处理模块(13)和传感模块(14)之间通过单模光纤(21)引导。SLD光源(1) 与准直透镜(31)通过单模光纤(21)连接，控制单元(12)与第一聚焦透镜(32)、第二聚焦透镜(33)通过单模光纤(21)连接，第三聚焦透镜(34)与第二1/4波片(7)通过保偏光纤(22)连接，偏振片(4)的透光轴与第一1/4波片(5) 的偏振主轴之间的夹角为45°，第一1/4波片(5)的偏振主轴与保偏光纤(22) 的偏振主轴平行，保偏光纤(22)的偏振主轴与第二1/4波片(7)的偏振主轴之间的夹角成45°，偏振分束器(11)的偏振主轴与保偏光纤(22)的偏振主轴成45°。
SLD光源(1)的输出光依次经过准直透镜(31)和偏振片(4)后形成线偏振光，所形成的线偏振光经过第一1/4波片(5)后分解成相位差为90°的两束正交线偏振光，这两束正交线偏振光经过分光器(6)、第三聚焦透镜(34)、保偏光纤(22)、第二1/4波片(7)后分别形成旋向相反的两束圆偏振光，这两束圆偏振光进入传感光纤(8)并被传感光纤(8)末端的反射镜(9)作用后返回传感光纤(8)，返回的两束圆偏振光再次经过第二1/4波片(7)并被转化为两束正交的线偏振光，然后依次返回保偏光纤(22)、第三聚焦透镜(34)、分光器 (6)进入偏振分束器(11)，由于保偏光纤(22)的偏振主轴与偏振分束器(11) 的偏振主轴成45°，选择保偏光纤(22)的偏振主轴构建本征坐标系，这两束返回的正交线偏振光将在本征坐标系中的45°方位和135°方位发生两次干涉，这两次干涉光有偏振分束器(11)分别输出，并经过第一聚焦透镜(32)和第二聚焦透镜(33)传输至控制单元(12)检测。
此外，本发明还提出一种单模光纤引导的煤矿/地铁光纤无源电流传感器的控制方法，其特征在于：
光从SLD光源(1)向反射镜(9)传播的过程中，SLD光源(1)的输出光矢量为Ein＝[Ex；Ey]，偏振片(4)的琼斯矩阵为Jp，第一1/4波片(5)的琼斯矩阵为Jx，保偏光纤(22)的琼斯矩阵为Jy1，第二1/4波片(7)的琼斯矩阵为Jb1，传感光纤(8)的琼斯矩阵为Jf1，反射镜(9)的琼斯矩阵为Jm。
光从反射镜(9)向偏振分束器(11)传播的过程中，传感光纤(8)的琼斯矩阵为Jf2，第二1/4波片(7)的琼斯矩阵为Jb2，保偏光纤(22)的琼斯矩阵为 Jy2，偏振分束器的(11)的琼斯矩阵为Jq1和Jq2。
在传感器光路中涉及的45°夹角对应的琼斯矩阵为J45，因此，所述琼斯矩阵分别如下所示：
式中：F为载流导体(10)上待测电流所激发磁场在传感光纤(8)中两束圆偏振光之间产生的法拉第相移，F＝VNI，V为传感光纤(8)的费尔德常数， N为传感光纤(8)的绕制匝数，I为载流导体(10)上待测电流；δ为两束正交线偏振光经过保偏光纤(22)所产生的相位差。因此，第一聚焦透镜(32)输出的光矢量定义为Eout1，而第二聚焦透镜(33)输出的光矢量定义为Eout2，即：
Eout1＝Jq1·J45·Jy2·Jb2·Jf2·Jm·Jf1·Jb1·Jy1·Jx·J45·Jp·Ein
Eout2＝Jq2·J45·Jy2·Jb2·Jf2·Jm·Jf1·Jb1·Jy1·Jx·J45·Jp·Ein
根据马吕斯定理可知：
其中，Ex为输入光矢量在水平方向的振幅，将光功率P1和P2输入控制单元(12)并进行“差除和”解算，利用解算结果反算出待测电流I，即：
Claims (2)
1.一种单模光纤引导的煤矿/地铁光纤无源电流传感器，其特征在于：包括SLD光源(1)、准直透镜(31)、偏振片(4)、第一1/4波片(5)、分光器(6)、第一聚焦透镜(32)、第二聚焦透镜(33)、第三聚焦透镜(34)、第二1/4波片(7)、传感光纤(8)、反射镜(9)、载流导体(10)、偏振分束器(11)和控制单元(12)；
将SLD光源(1)和控制单元(12)封装成信号激发处理模块(13)并安装在监测现场的低压侧，将准直透镜(31)、偏振片(4)、第一1/4波片(5)、分光器(6)、第一聚焦透镜(32)、第二聚焦透镜(33)、第三聚焦透镜(34)、保偏光纤(22)、第二1/4波片(7)、传感光纤(8)、反射镜(9)、载流导体(10)和偏振分束器(11)封装成传感模块(14)并安装在监测现场的高压侧，传感光纤(8)末端连接反射镜(9)，传感光纤(8)形成环，穿过载流导体(10)，信号激发处理模块(13)和传感模块(14)之间通过单模光纤(21)引导；
SLD光源(1)与准直透镜(31)通过单模光纤(21)连接，控制单元(12)与第一聚焦透镜(32)、第二聚焦透镜(33)通过单模光纤(21)连接，第三聚焦透镜(34)与第二1/4波片(7)通过保偏光纤(22)连接，偏振片(4)的透光轴与第一1/4波片(5)的偏振主轴之间的夹角为45°，第一1/4波片(5)的偏振主轴与保偏光纤(22)的偏振主轴平行，保偏光纤(22)的偏振主轴与第二1/4波片(7)的偏振主轴之间的夹角成45°，偏振分束器(11)的偏振主轴与保偏光纤(22)的偏振主轴成45°；
SLD光源(1)的输出光依次经过准直透镜(31)和偏振片(4)后形成线偏振光，所形成的线偏振光经过第一1/4波片(5)后分解成相位差为90°的两束正交线偏振光，这两束正交线偏振光经过分光器(6)、第三聚焦透镜(34)、保偏光纤(22)、第二1/4波片(7)后分别形成旋向相反的两束圆偏振光，这两束圆偏振光进入传感光纤(8)并被传感光纤(8)末端的反射镜(9)作用后返回传感光纤(8)，返回的两束圆偏振光再次经过第二1/4波片(7)并被转化为两束正交的线偏振光，然后依次返回保偏光纤(22)、第三聚焦透镜(34)、分光器(6)进入偏振分束器(11)，由于保偏光纤(22)的偏振主轴与偏振分束器(11)的偏振主轴成45°，选择保偏光纤(22)的偏振主轴构建本征坐标系，这两束返回的正交线偏振光将在本征坐标系中的45°方位和135°方位发生两次干涉，这两次干涉光由偏振分束器(11)分别输出，并经过第一聚焦透镜(32)和第二聚焦透镜(33)传输至控制单元(12)检测。
2.根据权利要求1所述的一种单模光纤引导的煤矿/地铁光纤无源电流传感器的控制方法，其特征在于：
光从SLD光源(1)向反射镜(9)传播的过程中，SLD光源(1)的输出光矢量为Ein＝[Ex；Ey]，偏振片(4)的琼斯矩阵为Jp，第一1/4波片(5)的琼斯矩阵为Jx，保偏光纤(22)的琼斯矩阵为Jy1，第二1/4波片(7)的琼斯矩阵为Jb1，传感光纤(8)的琼斯矩阵为Jf1，反射镜(9)的琼斯矩阵为Jm；
光从反射镜(9)向偏振分束器(11)传播的过程中，传感光纤(8)的琼斯矩阵为Jf2，第二1/4波片(7)的琼斯矩阵为Jb2，保偏光纤(22)的琼斯矩阵为Jy2，偏振分束器的(11)的琼斯矩阵为Jq1和Jq2；
在传感器光路中涉及的45°夹角对应的琼斯矩阵为J45，因此，所述琼斯矩阵分别如下所示：
式中：F为载流导体(10)上待测电流所激发磁场在传感光纤(8)中两束圆偏振光之间产生的法拉第相移，F＝VNI，V为传感光纤(8)的费尔德常数，N为传感光纤(8)的绕制匝数，I为载流导体(10)上待测电流；δ为两束正交线偏振光经过保偏光纤(22)所产生的相位差，因此，第一聚焦透镜(32)输出的光矢量定义为Eout1，而第二聚焦透镜(33)输出的光矢量定义为Eout2，即：
Eout1＝Jq1·J45·Jy2·Jb2·Jf2·Jm·Jf1·Jb1·Jy1·Jx·J45·Jp·Ein
Eout2＝Jq2·J45·Jy2·Jb2·Jf2·Jm·Jf1·Jb1·Jy1·Jx·J45·Jp·Ein
根据马吕斯定理可知：
其中，Ex为输入光矢量在水平方向的振幅，将光功率P1和P2输入控制单元(12)并进行差除和解算，利用解算结果反算出待测电流I，即：
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