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专利号: 2019100481019
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于补偿线圈的地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制装置,其特征在于:该装置包括宽带光源(1)、光纤环形器(2)、偏振分束器(3)、补偿线圈(4)、传感线圈(5)、法拉第旋转镜(6)、载流导体(7)、磁场发生器(8)、第一光电探测器(9)、第二光电探测器(10)和控制单元(11);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与偏振分束器(3)的端口31连接,偏振分束器(3)的端口32与补偿线圈(4)连接,补偿线圈(4)与传感线圈(5)连接,传感线圈(5)和法拉第旋转镜(6)连接,载流导体(7)穿过传感线圈(5),磁场发生器(8)穿过补偿线圈(4),第一光电探测器(9)的端口91与光纤环形器(2)的端口23连接,端口92与控制单元(11)的端口111连接,第二光电探测器(10)的端口101与偏振分束器(3)的端口33连接,端口102与控制单元(11)的端口112连接,控制单元(11)的端口113连接磁场发生器(8);

所述光纤环形器(2)的端口21与22之间的光路具备单向性,且对光路的消光比没有要求;端口22与23之间的光路具备单向性,且光路的消光比≥30dB;

所述偏振分束器(3)的端口31的慢轴与端口32的慢轴对准,端口31与32之间光路的消光比≥30dB;端口33的慢轴与端口32的快轴对准,端口33和32之间光路的消光比≥30dB;

所述补偿线圈(4)和传感线圈(5)均采用高双折射旋转光纤绕制而成;

所述法拉第旋转镜(6)包括法拉第旋转器和平面镜,从传感线圈(5)输出的线偏振光,在其偏振面被法拉第旋转镜(6)的法拉第旋转器旋转22.5°后垂直射向法拉第旋转镜(6)的平面镜,然后经平面镜反射后返回法拉第旋转器,在其偏振面被法拉第旋转器再次旋转

22.5°后返回传感线圈(5);

所述磁场发生器(8)所激发的磁场强度与控制单元(11)从端口113输出的控制信号幅值成线性比例关系。

2.基于权利要求1所述的光纤传感器闭环控制装置实现的一种基于补偿线圈的地铁/煤矿杂散电流光纤传感器闭环控制方法,其特征在于:宽带光源(1)的输出光从端口21进入光纤环形器(2)后从端口22输出;端口22的输出光经端口31进入偏振分束器(3),在端口31至32之间的传输光路中形成线偏振光,从端口32输出;从端口32输出的线偏振光进入补偿线圈(4),其偏振面在磁场发生器(8)所激发磁场的作用下发生第1次旋转后进入传感线圈(5);进入传感线圈(5)的线偏振光,其偏振面在载流导体(7)上被测电流所激发磁场的作用下发生第2次旋转后进入法拉第旋转镜(6);进入法拉第旋转镜(6)的线偏振光,其偏振面旋转45°后返回至传感线圈(5);返回至传感线圈(5)的线偏振光,其偏振面在载流导体(7)上被测电流所激发磁场的作用下发生第3次旋转后返回至补偿线圈(4);返回至补偿线圈(4)的线偏振光,其偏振面在磁场发生器(8)所激发磁场的作用下发生第4次旋转,从端口32返回至偏振分束器(3);从端口32返回的线偏振光被偏振分束器(3)分解成两束偏振正交的光分量,一束光分量从端口31输出,经端口22至23之间的传输光路到达端口91,然后进入第一光电探测器(9),另一束光分量从端口33输出,经端口101进入第二光电探测器(10);第一光电探测器(9)和第二光电探测器(10)分别检测输入光信号,检测结果分别从端口92和102输出,分别经端口111和112进入控制单元(11);在控制单元(11)中,对第一光电探测器(9)和第二光电探测器(10)的检测结果进行解算,控制单元(11)根据解算结果形成控制信号,控制信号从端口113输出至磁场发生器(8),磁场发生器(8)产生相应的磁场,并控制补偿线圈(4)内线偏振光的偏振面的第1次和第4次旋转;

在控制单元(11)中,对第一光电探测器(9)和第二光电探测器(10)的检测结果进行解算,解算步骤如下:

(1)定义从端口32输出的线偏振光经补偿线圈(4)和传感线圈(5)后到达法拉第旋转镜(6)的平面镜为正向传输,线偏振光经法拉第旋转镜(6)的平面镜反射后经传感线圈(5)和补偿线圈(4)返回端口32为反向传输;正向传输时补偿线圈(4)和传感线圈(5)的琼斯矩阵分别假设为J1z和J2z,反向传输时补偿线圈(4)和传感线圈(5)的琼斯矩阵分别假设为J1n和J2n,即:上式中,κ为线偏振光的偏振面发生第2次和第3次旋转的旋转角度,μ为线偏振光的偏振面发生第1次和第4次旋转的旋转角度;宽带光源(1)的输出光经光纤环形器(2)、偏振分束器(3)后形成一束线偏振光从端口32输出,这束线偏振光的光矢量为Ein=[E;0],其中E表示偏振光矢量的振幅;法拉第旋转镜(6)的琼斯矩阵假设为Jm,即:综上所述,利用琼斯矢量法可获得返回至端口32的线偏振光的光矢量Eout表达式,即:

Eout是两行一列的矢量,Eout(1)表示矢量在慢轴上的分量振幅,Eout(2)表示矢量在快轴上的分量振幅;

(2)返回至端口32的线偏振光被偏振分束器(3)分解为两束偏振正交的光分量,这两束光分量分别由第一光电探测器(9)和第二光电探测器(10)进行检测,第一光电探测器(9)和第二光电探测器(10)的检测结果,即光功率分别假设为P1和P2,由Eout的表达式可知:(3)控制单元(11)对第一光电探测器(9)和第二光电探测器(10)的检测结果,即光功率P1和P2进行解算,得到解算结果f;

在步骤(3)中,解算结果f如下所示:

上式中,f为控制单元(11)的解算结果。