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与流程

本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种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。

背景技术：

光纤电流传感器具备体小质轻、本征绝缘、耐腐蚀和抗电磁干扰等优点，特别适合在煤矿井下推广使用，目前光纤电流传感器主要根据法拉第旋光效应展开设计，由此衍生出两种主流传感方案，一种方案是在传感光纤中输入一束线偏振光，待测电流激发的磁场诱导线偏振光发生等比例旋转，通过检测旋转角度获得待测电流；另外一种方案是在传感光纤中输出两束旋向相反的圆偏振光，待测电流激发的磁场诱导两束圆偏振光形成等比例的相位差，通过检测相位差获得待测电流。这两种传感方案在被有效实施前，均需面临如何解决光源功率波动对测量结果的影响问题，为此，第一种传感方案利用偏振分束器(双光路结构)将携带旋光角度信息的输出线偏振光进行正交分解，通过对正交信号进行处理以消除光源功率波动影响。第二种传感方案利用相位调制器在两束等幅正交的线偏振光(用于产生两束旋向相反的圆偏振光)中引入π/2相位差，由此消除光源功率波动影响。第一种传感方案的精度取决于偏振分束器两条正交光路的差异性，只有偏振分束器两条正交光路完全一致的条件下，才能消除光源功率波动的影响，而第二种传感方案所采用的相位调制器价格昂贵，是目前光纤电流传感器制造成本高的主要因素之一。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对以上问题本发明提出一种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，该装置及方法能够消除光源功率波动对测量结果的影响，具有测量精度高、结构简单、成本低等优点。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种在线消除光源功率波动的煤矿光纤电流传感器，包括光源、光纤环形器、光纤起偏器、第一准直透镜、磁光晶体、第二准直透镜、矩形磁芯、螺线管、传感光纤环、反射膜、载流导体和光电探测器；所述光源与光纤环形器连接，所述光纤环形器与光纤起偏器连接，所述光纤起偏器与第一准直透镜连接，所述第一准直透镜、磁光晶体和第二准直透镜的水平中心线在同一条直线上，所述矩形磁芯的水平中心线与磁光晶体的水平中心线的夹角为45°，在矩形磁芯上绕制螺线管，所述第二准直透镜与传感光纤环连接，传感光纤环末端电镀反射膜，所述传感光纤环穿过载流导体，所述光电探测器连接光纤环形器。

一种基于在线消除光源功率波动的煤矿光纤电流传感器的控制方法，具体包含如下步骤；

步骤1，光源的输出光经光纤环形器进入光纤起偏器后形成正向线偏振光，从光纤起偏器输出的正向线偏振光由第一准直透镜形成平行光后进入磁光晶体，由磁光晶体输出后经第二准直透镜耦合进传感光纤环；

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

步骤3，往螺线管通入驱动电流使矩形磁芯产生磁场，矩形磁芯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为α，α的大小和极性分别随着驱动电流在螺线管的大小和流通方向的变化而变化，驱动电流的变化规律具有周期性，相邻周期内驱动电流的极性相反、大小相同，使得相邻周期内α为+π/8和-π/8；

步骤4，待测电流经过载流导体时在传感光纤环上激发磁场，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为传感光纤环的费尔德常数，n为传感光纤环的绕制匝数，i为经过载流导体的待测电流；

其中，针对正向线偏振光，光纤起偏器的琼斯矩阵为j1z＝[10；00]，磁光晶体的琼斯矩阵为j2z＝[cosαsinα；-sinαcosα]，传感光纤环的琼斯矩阵为j3z＝[cosβsinβ；-sinβcosβ]；针对反向线偏振光，传感光纤环的琼斯矩阵为j3f＝j3z^t，磁光晶体的琼斯矩阵为j2f＝j2z^t，光纤起偏器的琼斯矩阵为j1f＝j1z；此外，光源的输出光矢量为ein＝[es；ef]，反射膜的琼斯矩阵为jm＝[10；0-1]；则进入光电探测器的光矢量eout表征为：

eout＝j1fj2fj3fjmj3zj2zj1zein＝es·[cos(2α+2β)；0]

则光电探测器的检测光强pout＝eout^t·eout＝es²[1+cos(4α+4β)]/2，由于驱动电流在螺线管上进行周期变化，与之对应的旋转角度α在相邻周期内为+π/8和-π/8，则相邻周期内检测光强pout为es²[1-sin(4β)]/2和es²[1+sin(4β)]/2，分别定义为pout1和pout2，通过对pout1和pout2进行差分运算，获得的差分结果定义为w，即：w＝(p2-p1)/(p1+p2)＝sin(4β)≈4β，根据差分结果w可知，光源功率es²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。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、与现有技术相比，本发明在传感器的光路结构中引入螺线管、矩形铁芯和磁光晶体，螺线管中驱动电流激发的磁场经矩形铁芯引导作用在磁光晶体上，通过改变驱动电流的大小和流通方向分别改变磁光晶体中旋光角度的大小和极性，由此构建磁光晶体中旋光角度周期性变化规律，相邻周期磁光晶体中旋光角度大小相等、极性相反，基于此，通过对相邻周期内光电探测器的检测光强进行差分运算消除光源功率波动的影响；

2、本发明具有原理清晰、效果显著、操作简单和成本低等优点。

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-光源，2-光纤环形器，3-光纤起偏器，4-第一准直透镜，5-磁光晶体，6-第二准直透镜，7-矩形磁芯，8-螺线管，9-传感光纤环，10-反射膜，11-载流导体，12-光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明实施例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：所述传感器由光源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组成。其中，光源1与光纤环形器2连接，光纤环形器2与光纤起偏器3连接，光纤起偏器3与第一准直透镜4连接，第一准直透镜4、磁光晶体5和第二准直透镜6的水平中心线处于同一条直线上，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，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，传感光纤环9穿过载流导体11，光电探测器12连接光纤环形器2。

一种在线消除光源功率波动的煤矿光纤电流传感器的控制方法，其特征在于：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；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，最后由光纤起偏器3输出后经光纤环形器2进入光电探测器12。

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，此种情况下正向线偏振光和反向线偏振光的旋光角度为，的大小和极性分别随着驱动电流在螺线管8的大小和流通方向的变化而变化，驱动电流的变化规律具有周期性，相邻周期内驱动电流的极性相反、大小相同，使得相邻周期内α为+π/8和-π/8；

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，此种情况下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j1z＝[10；00]，磁光晶体5的琼斯矩阵为j2z＝[cosαsinα；-sinαcosα]，传感光纤环9的琼斯矩阵为j3z＝[cosβsinβ；-sinβcosβ]；针对反向线偏振光，传感光纤环9的琼斯矩阵为j3f＝j3z^t，磁光晶体5的琼斯矩阵为j2f＝j2z^t，光纤起偏器3的琼斯矩阵为j1f＝j1z；此外，光源1的输出光矢量为ein＝[es；ef]，反射膜10的琼斯矩阵为jm＝[10；0-1]；则进入光电探测器12的光矢量eout表征为：

eout＝j1fj2fj3fjmj3zj2zj1zein＝es·[cos(2α+2β)；0]

则光电探测器12的检测光强pout＝eout^t·eout＝es²[1+cos(4α+4β)]/2，由于驱动电流在螺线管8上进行周期变化，与之对应的旋转角度α在相邻周期内为+π/8和-π/8，则相邻周期内检测光强pout为es²[1-sin(4β)]/2和es²[1+sin(4β)]/2，分别定义为pout1和pout2，通过对pout1和pout2进行差分运算，获得的差分结果定义为w，即：w＝(p2-p1)/(p1+p2)＝sin(4β)≈4β，根据差分结果w可知，光源功率es²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。

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。