[发明专利]一种地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置及方法

说明书

本发明公开了一种地铁/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，本发明装置由宽带光源、光纤环形器、偏振调制器、延迟光纤、传感光纤、光纤反射镜、光纤骨架、光电探测器和控制单元组成；基于本发明装置提出一种闭环控制方法，该方法中偏振调制器对输入线偏振光形成的旋转角度与被测电流形成的旋转角度大小相等、方向相反，提高传感器的线性度，拓宽传感器的动态范围，降低了传感器的成本，优化传感器的光路结构，具有抗电磁干扰能力强，本征隔爆绝缘的优点。

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

地铁杂散电流会对土建结构钢筋、设备金属外壳和金属管线产生电化学腐蚀，影响土建结构、设备和金属管线的使用寿命；而煤矿杂散电流会引起电雷管的超前爆炸、诱发矿井瓦斯粉尘爆炸事故、腐蚀煤矿金属管道；因此亟需研究可靠、准确、安全的地铁/煤矿杂散电流传感装置及方法。由于地铁和煤矿具有强电磁干扰、对本质安全高要求等特征，而光纤电流传感技术具备本征绝缘、本质安全以及抗强电磁干扰的优点，非常适合地铁/煤矿杂散电流的监测。

相位干涉式光纤电流互感器是光纤电流传感技术的典型代表，按照连接顺序依次由光源、光纤耦合器、光纤起偏器、相位调制器、延迟线圈、四分之一波片、传感线圈、光电探测器和控制单元组成，光源的输出光经过光纤耦合器和光纤起偏器后形成线偏振光，线偏振光经过45°熔点后形成幅值相等、相位相同的正交线偏振光进入相位调制器，经过相位调制器调制的两束正交线偏振光经延迟线圈后进入四分之一波片，分别形成左旋和右旋两束圆偏振光进入传感线圈，两束旋向相反的圆偏振光在被测电流激发磁场的作用下产生法拉第相移，在传感线圈末端反射膜的作用下两束圆偏振光互易旋向后重新返回传感线圈，重新经过四分之一波片后形成两束正交线偏振光，经延迟线圈、相位调制器后在光纤起偏器发生干涉，干涉信号由光电探测器检测后发送至控制单元，控制单元对相位调制器发出调制指令，对两束正交线偏振光在正向传播和逆向传播时进行相位调制，进而实现了相位干涉式光纤电流互感器的闭环控制。

在相位干涉式光纤电流互感器的实际应用中，四分之一波片以及传感线圈均容易受到温度等环境因素扰动的影响，四分之一波片如果采用椭圆芯光纤制作的时候需要改造现有光纤切割台，而且很难依照设计长度进行精准切割，此外，相位调制器的价格昂贵，推动了相位干涉式光纤电流互感器的成本居高不下。因此有必要寻求一种结构简单，成本低廉但又能够继承相位干涉式光纤电流互感器优点的新方案，以实现地铁/煤矿杂散电流的测量。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置及方法，该装置及方法能够实现地铁/煤矿杂散电流的低成本非接触测量，具有精度高、线性度好、动态范围宽、抗电磁干扰能力强，本征隔爆绝缘等优点。

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：一种地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置，由宽带光源1、光纤环形器2、偏振调制器3、延迟光纤4、传感光纤5、光纤反射镜6、光纤骨架7、光电探测器8和控制单元9组成，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与偏振调制器3的端口31连接，偏振调制器3的端口32与延迟光纤4连接，延迟光纤4与传感光纤5连接，传感光纤5和光纤反射镜6连接，传感光纤5缠绕在光纤骨架7上，光纤骨架7穿过载流导体10，此外，光纤环形器2的端口23与光电探测器8的端口81连接，光电探测器8的端口82与控制单元9的端口91连接，偏振控制器3的端口33与控制单元9的端口92连接。

所述的光纤环形器2的端口21与22之间的传输光路具备单向性，传输光路的消光比≥28dB；光纤环形器2的端口22与23之间的传输光路具备单向性，且传输光路的消光比≥28dB。