[发明专利]在线消除光源功率波动的煤矿光纤电流传感器及控制方法

权利要求书

1.一种在线消除光源功率波动的煤矿光纤电流传感器，其特征在于：包括光源(1)、光纤环形器(2)、光纤起偏器(3)、第一准直透镜(4)、磁光晶体(5)、第二准直透镜(6)、矩形磁芯(7)、螺线管(8)、传感光纤环(9)、反射膜(10)、载流导体(11)和光电探测器(12)；所述光源(1)与光纤环形器(2)连接，所述光纤环形器(2)与光纤起偏器(3)连接，所述光纤起偏器(3)与第一准直透镜(4)连接，所述第一准直透镜(4)、磁光晶体(5)和第二准直透镜(6)的水平中心线在同一条直线上，所述矩形磁芯(7)的水平中心线与磁光晶体(5)的水平中心线的夹角为45°，在矩形磁芯(7)上绕制螺线管(8)，所述第二准直透镜(6)与传感光纤环(9)连接，传感光纤环(9)末端电镀反射膜(10)，所述传感光纤环(9)穿过载流导体(11)，所述光电探测器(12)连接光纤环形器(2)；

具体包含如下步骤；

步骤1，光源(1)的输出光经光纤环形器(2)进入光纤起偏器(3)后形成正向线偏振光，从光纤起偏器(3)输出的正向线偏振光由第一准直透镜(4)形成平行光后进入磁光晶体(5)，由磁光晶体(5)输出后经第二准直透镜(6)耦合进传感光纤环(9)；

步骤2，经反射膜(10)后形成反向线偏振光并返回传感光纤环(9)，反向线偏振光经第二准直透镜(6)形成平行光后进入磁光晶体(5)，由磁光晶体(5)输出后经第一准直透镜(4)耦合进光纤起偏器(3)，由光纤起偏器(3)输出后经光纤环形器(2)进入光电探测器(12)；

步骤3，往螺线管(8)通入驱动电流使矩形磁芯(7)产生磁场，矩形磁芯(7)的磁场诱导正向线偏振光和反向线偏振光在经过磁光晶体(5)时产生法拉第旋光效应，正向线偏振光和反向线偏振光的旋光角度相同，均定义为α；驱动电流呈周期性变化，相邻周期内驱动电流的极性相反、大小相同；在第一个周期内，正向线偏振光和反向线偏振光的旋光角度α均为+π/8；在第二个周期内，正向线偏振光和反向线偏振光的旋光角度α均为-π/8；在第三个周期内，α均为+π/8；第四个周期内，α均为-π/8；……；依此类推；

步骤4，待测电流经过载流导体(11)时在传感光纤环(9)上激发磁场，诱导正向线偏振光和反向线偏振光经过传感光纤环(9)时产生法拉第旋光效应，则正向线偏振光和反向线偏振光的旋光角度为β，β＝VNI，其中，V为传感光纤环(9)的费尔德常数，N为传感光纤环(9)的绕制匝数，I为经过载流导体(11)的待测电流；

其中，针对正向线偏振光，光纤起偏器(3)的琼斯矩阵为J_1z＝[1 0；0 0]，磁光晶体(5)的琼斯矩阵为J_2z＝[cosα sinα；-sinα cosα]，传感光纤环(9)的琼斯矩阵为J_3z＝[cosβsinβ；-sinβ cosβ]；针对反向线偏振光，传感光纤环(9)的琼斯矩阵为J_3f＝J_3z^T，磁光晶体(5)的琼斯矩阵为J_2f＝J_2z^T，光纤起偏器(3)的琼斯矩阵为J_1f＝J_1z；此外，光源(1)的输出光矢量为E_in＝[E_s；E_f]，反射膜(10)的琼斯矩阵为J_m＝[1 0；0 -1]；则进入光电探测器(12)的光矢量E_out表征为：

E_out＝J_1fJ_2fJ_3fJ_mJ_3zJ_2zJ_1zE_in＝E_s·[cos(2α+2β)；0]

则光电探测器(12)的检测光强P_out＝E_out^T·E_out＝E_s²[1+cos(4α+4β)]/2，由于驱动电流在螺线管(8)上进行周期变化，与之对应的旋光角度α在相邻周期内为+π/8和-π/8，则相邻周期内检测光强P_out为E_s²[1-sin(4β)]/2和E_s²[1+sin(4β)]/2，分别定义为P_out1和P_out2，通过对P_out1和P_out2进行差分运算，获得的差分结果定义为W，即：W＝(P_out2-P_out1)/(P_out2+P_out1)＝sin(4β)≈4β，根据差分结果W可知，光源功率E_s²波动的影响已经被消除，差分结果与待测电流诱导的旋光角度β具有线性关系。