[发明专利]一种使用环型煤矿光纤电流传感器系统求解待测电流的方法有效
申请号: | 201911036621.4 | 申请日: | 2019-10-29 |
公开(公告)号: | CN110763901B | 公开(公告)日: | 2020-07-31 |
发明(设计)人: | 许少毅;邢方方;王鼎鹏;李威;王禹桥;薛宏宇;陈光;董峰;彭强 | 申请(专利权)人: | 中国矿业大学 |
主分类号: | G01R19/00 | 分类号: | G01R19/00;G01R15/00 |
代理公司: | 南京经纬专利商标代理有限公司 32200 | 代理人: | 许方 |
地址: | 221116 *** | 国省代码: | 江苏;32 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 一种 使用 煤矿 光纤 电流传感器 系统 求解 电流 方法 | ||
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。
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。
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