专利名称：监测地铁杂散电流的光纤传感器及其方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感器及其方法，尤其是一种可以避免弯曲双折射的监测地铁杂散电流的光纤传感器及其方法。
背景技术：
目前，基于极化电位监测的标准半电池电位法是监测地铁杂散电流的常用方法，该方法通过在地铁建设初期埋设永久性长效参比电极 C UZCUSO4来实现，埋地金属结构的腐蚀状况和杂散电流的扰动情况可以根据参比电极和
金属结构之间的电位差来反映，然而，该方法的长期稳定性和测量的准确度受参比电极的使用环境、极化电位检测中IR降和参比电极的使用寿命等因素影响。由于光纤具有机械强度大、质轻、抗强电磁干扰、极快的频响、集信息传输与传感为一体和易集成于混凝土结构体内等优点，所以采用光纤电流传感技术的研究方法，为解决地铁杂散电流监测问题提供一种新的思路和解决方案。光纤电流传感器的测量方法主要基于光的偏振态测量方法、光波长调制测量法和干涉测量法，其中光的偏振态测量方法是基于法拉第旋光效应的理论，即当线偏振光通过处于外界磁场的光纤中，且光的传播方向与外磁场方向一致时，线偏振光的偏振面将会发生旋转。目前，基于法拉第旋光效应的光纤电流测量方法通常是在电流传感区内，将传感光纤均勻绕制在载流导体上，偏振光经过传感区后，偏振面将旋转一定的角度，该角度与载流导体上的电流大小成正比，通过测量输出偏振光的光功率可间接实现电流值的测量。然而，该种方法会由于光纤在电流传感区的弯曲绕制而引入弯曲双折射现象，光纤中的弯曲双折射对旋光效应现象有很大影响，严重时甚至完全淹没旋光现象。减少光纤中弯曲双折射的方法目前主要有两种“8”字形缠绕法和四方形缠绕法，这两种方法虽然可以有效的减少弯曲双折射，但是也存在着光纤线圈绕制工艺要求较高、温度稳定性较差等不足。为避免在利用光纤传感技术监测地铁杂散电流时引入弯曲双折射，本发明利用电流在螺线金属管中间部分激发均勻磁场的特点，将传感光纤沿金属管内轴向布置，利用安培环路定理和法拉第旋光效应理论，通过测量偏振光旋转角间接测量电流大小。
发明内容
技术问题本发明的目的是克服已有技术的不足之处，提供一种结构简单、使用方便、可避免弯曲双折射的监测地铁杂散电流的光纤传感器及其方法。技术方案本发明的监测地铁杂散电流的光纤传感器，包括传感器壳体、与地面激光器和光纤起偏器相连穿过传感器壳体的传感光纤，穿过传感器壳体的传感光纤两侧分别设有固定在传感器壳体两侧壁上的传感光纤支座，两侧壁上的传感光纤支座上设有套在传感光纤上的传感光纤隔磁罩壳，传感光纤隔磁罩壳上套装螺线金属管，螺线金属管轴线与传感光纤的轴线重合，螺线金属管的两端分别连接有电流导入载体和电流导出载体，电流导入载体和电流导出载体分别经上下两个电流载体支座固定在传感器壳体上，传感器壳体一侧设有静压降压孔。所述的传感光纤隔磁罩壳由高导磁铁铝合金制作而成；所述的电流导入载体和电流导出载体由地铁牵引变电所回流点处的结构钢筋制作而成；所述的传感光纤为单根完整的低双折射单模传感光纤。本发明的传感器的监测地铁杂散电流的方法将所述的光纤传感器埋设在地铁牵引变电所回流点处，地铁机车运行中泄漏的杂散电流通过电流导入载体进入螺线金属管， 在螺线金属管内激发出磁场，由电流导出载体流出，地面激光器的光经光纤偏振器起偏形成线偏振光，线偏振光通过传感光纤的输入端a输入，传感光纤上的线偏振光偏振面在螺线金属管激发磁场作用下发生旋转，偏振面旋转后的线偏振光再由传感光纤的输出端b输出，经地面角度检测装置不断接收处理得到线偏振光的偏振面旋转角O经下式
I= 1 Ω
Vμ Μ
式中，Γ为传感光纤的费尔德常数，A为真空磁导率，M为螺线金属管线圈匝数L力螺线金属管长度，I为螺线金属管内磁场与线偏振光的作用距离；连续计算出地铁机车运行中泄漏的地铁杂散电流/ ,实时监测地铁杂散电流。有益效果由于采用了上述技术方案，利用载流螺线金属管中间部分的激发磁场是均勻分布且磁场方向与管内轴线平行的特点，以低双折射单模光纤作为传感光纤，将传感光纤沿螺线金属管轴线方向布置，避免了利用光纤传感技术测量地铁杂散电流时因光纤弯曲绕制在载流导体上引入弯曲双折射的不足。并基于法拉第旋光效应理论，建立传感光纤中线偏振光的偏振面旋转角i3与地铁杂散电流之间的关系表达式，通过增大螺线金属管线圈匝数F、螺线金属管磁场与线偏振光作用距离/，或减少螺旋金属管的长度￡，不仅可以增大传感光纤中线偏振光的偏振面旋转角β，提高光纤电流传感器的灵敏度，也可以适应地铁环境下各种不同范围的电流测量。通过将地铁牵引变电所回流点处的杂散电流导入到光纤传感器中进行监测，减少了回流点周围环境对测量的影响，提高了测量精度，传感器的动态响应范围宽，其结构简单，与传统电流互感器相比较，铁芯由传感光纤替代，有效的避免了铁磁谐振和磁饱和的问题，具有广泛的实用性。
图1是本发明的光纤传感器结构示意图。图中1 一传感器壳体，2 —静压降压孔，3 —传感光纤，4 一传感光纤支座，5 —传感光纤隔磁罩壳，6 —电流载体支座，7 —电流导入载体，8 —螺线金属管，9 一电流导出载体。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的说明
如图1所示，本发明的监测地铁杂散电流的光纤传感器，主要由传感器壳体1、静压降压孔2、传感光纤3、传感光纤支座4、传感光纤隔磁罩壳5、电流载体支座6、电流导入载体 7、螺线金属管8、电流导出载体9构成，传感光纤3穿过传感器壳体1，传感器壳体1内设有套在传感光纤3上的传感光纤隔磁罩壳5，传感光纤隔磁罩壳5连接分别固接在传感器壳体1左右壁上的传感光纤支座4，传感光纤隔磁罩壳5上套装螺线金属管8，螺线金属管8 的一端连接有电流导入载体7，螺线金属管8的另一端连接有电流导出载体9，电流导入载体7、电流导出载体9分别经电流载体支座6支承在传感器壳体1上，电流导入载体7和电流导出载体9由地铁牵引变电所回流点处的结构钢筋制作而成。传感器壳体1的一侧设有静压降压孔2。所述的传感光纤3为单根完整的低双折射单模传感光纤，传感光纤隔磁罩壳 5由高导磁材料铁铝合金制成，根据地铁牵引变电所回流点结构钢筋周围的不同环境，设定螺线金属管8的长度直径比值，长度直径比值一般取11 15，传感光纤支座4和电流载体支座6分别对传感光纤3和螺线金属管8起到定位和支撑的作用。
本发明的监测地铁杂散电流的方法将监测地铁杂散电流的光纤传感器埋设在地铁牵引变电所回流点附近，回流点处的杂散电流由电流导入载体7流入螺线金属管8，并在螺线金属管8内部激发磁场，螺线金属管内中间部分勻强磁场的磁感应强度5由下式得到
L 螺线金属管线圈匝数，L为螺线金属管长度，/为地铁杂散电流，A为真空磁导率。 传感光纤3与地面激光器和光纤偏振器相连接，地面激光器的光经光纤偏振器起偏形成线偏振光，线偏振光通过传感光纤3的输入端a输入，传感光纤3上的线偏振光偏振面在螺线金属管8激发磁场作用下发生旋转，偏振面旋转后的线偏振光再由传感光纤3的输出端b输出，经地面角度检测装置不断接收处理得到线偏振光的偏振面旋转角O经下式
￥μηΜ
式中Γ力传感光纤的费尔德常数，科为真空磁导率，N为螺线金属管线圈匝数，L为螺线金属管长度，I为枰线A属管内磁场与线偏振光的作用距离；连续计算出地铁机车运行中泄漏的地铁杂散电流/实时监测地铁杂散电流。
权利要求
1.一种监测地铁杂散电流的光纤传感器，其特征在于它包括传感器壳体(1)、与地面激光器和光纤起偏器相连穿过传感器壳体(1)的传感光纤(3)，穿过传感器壳体(1)的传感光纤(3)两侧分别设有固定在传感器壳体(1)两侧壁上的传感光纤支座(4)，两侧壁上的传感光纤支座(4)上设有套在传感光纤(3)上的传感光纤隔磁罩壳(5)，传感光纤隔磁罩壳 (5)上套装螺线金属管(8)，螺线金属管(8)轴线与传感光纤(3)的轴线重合，螺线金属管 (8)的两端分别连接有电流导入载体(7)和电流导出载体(9)，电流导入载体(7)和电流导出载体(9 )分别经上下两个电流载体支座(6 )固定在传感器壳体(1)上，传感器壳体(1) 一侧设有静压降压孔(2)。
2.根据权利要求1所述的监测地铁杂散电流的光纤传感器，其特征在于所述的传感光纤隔磁罩壳(5)由高导磁铁铝合金制作而成。
3.根据权利要求1所述的监测地铁杂散电流的光纤传感器，其特征在于所述的电流导入载体(7)和电流导出载体(9)由地铁牵引变电所回流点处的结构钢筋制作而成。
4.根据权利要求1所述的监测地铁杂散电流的光纤传感器，其特征在于所述的传感光纤(3)为单根完整的低双折射单模传感光纤。
5.一种如上述权利要求所述传感器的监测地铁杂散电流的方法，其特征在于 将所述的光纤传感器埋设在地铁牵引变电所回流点处，地铁机车运行中泄漏的杂散电流通过电流导入载体(7)进入螺线金属管(8)，在螺线金属管(8)内激发出磁场， 由电流导出载体(9)流出，地面激光器的光经光纤偏振器起偏形成线偏振光，线偏振光通过传感光纤(3)的输入端a输入，传感光纤(3)上的线偏振光偏振面在螺线金属管(8)激发磁场作用下发生旋转，偏振面旋转后的线偏振光再由传感光纤(3)的输出端b输出，经地面角度检测装置不断接收处理得到线偏振光的偏振面旋转角 Ω，经下式
全文摘要
一种监测地铁杂散电流的光纤传感器及其方法，利用地铁杂散电流在螺线金属管中间部分可以激发出磁场且磁场方向与管内轴线平行的特点，以低双折射单模光纤作为传感光纤，将传感光纤穿过螺线金属管，使光纤纤芯轴线与螺线金属管中轴线平行，并基于法拉第旋光效应理论，建立传感光纤中线偏振光的偏振面旋转角与地铁杂散电流之间的关系表达式，通过将地铁牵引变电所回流点处的杂散电流导入到光纤传感器中进行监测，减少了回流点周围环境对测量的影响，实现了地铁杂散电流的监测。本发明避免了在利用光纤传感技术测量地铁杂散电流时因将光纤绕制在载流导体上引入弯曲双折射的不足。其测量精度高，灵敏度可调，适应地铁不同环境下杂散电流测量。
文档编号G01R15/22GK102445586SQ20111034940
公开日2012年5月9日 申请日期2011年11月8日 优先权日2011年11月8日
发明者李威, 杨雪锋, 王禹桥, 蔡李花, 许少毅 申请人:中国矿业大学