专利名称：一种用于地铁杂散电流监测的光纤电流传感装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于地铁杂散电流监测的光纤电流传感方法和传感装置，具体 地说，涉及利用法拉第旋光效应来实现对电流的传感和测量的方法和装置。
背景技术：
目前世界各国对地铁杂散电流采用的监测方法一般都是上述的基于极化电位 监测的方法，在地铁建设初期埋设永久性参比电极(长效Cu/CuS04)，通过测量 埋地金属结构与参比电极之间的电位差来反映地铁杂散电流的扰动情况以及腐蚀 情况，采用此种方法有以下问题-
(1) 金属腐蚀是一个长期累积的结果，长效参比电极的寿命有限，若干年后， 其测量效果将受到影响；
(2) 要使埋入式参比电极电位长期稳定的关键是要有具备合适的离子富集填 料和适应电极工作且能防干涸的周围环境，否则，参比电极电位的长期稳定性就 较差。地铁的埋地金属结构大多在混凝土中，混凝土的特殊结构使参比电极长年 保持防干涸的环境难度较大；
(3) 在极化电位的监测中存在IR降，IR降的存在会给极化电位的测量带来 误差，在存在有杂散电流扰动时，消除IR降的影响是比较困难的。
基于极化电位监测的杂散电流监测方法测量的准确度和长期稳定性受长效参 比电极的寿命、参比电极使用环境、极化电位检测中IR降等因素的影响。在地铁 杂散电流监测问题上，非常有必要将新的传感技术和监测方法引入到杂散电流的 监测中来。光纤电流传感技术研究的一些进展为解决这一问题提供了一条新思路。 由于钢轨对地绝缘不充分，或在钢轨电位过高而使轨道电位限制器工作接地 时，则有一部分或大部分负荷电流泄漏到大地，形成杂散电流，由于埋地金属体 (地铁结构钢筋、埋地金属水管等)电阻低、导电性能良好，大部分杂散电流通 过埋地金属体流动，如果测量出埋地金属体电流的大小和趋势，则可以反映出杂散电流的大小。基于法拉第效应的电流传感原理，提出了利用光纤电流传感技术 对地铁直流供电杂散电流泄漏情况进行监测的传感方法，该方法一般是将光纤缠 绕在地铁回流点结构钢筋周围，利用光纤的偏振特性，通过测量光纤中的法拉第 旋转角间接测量电流的大小。
发明内容
fe^问题本发明的目的是克服传统的基于极化电{^测的，电箭滥测方法#^的问
题，提出一种结构简单，领糧方便的一种用^fe條散电 iii5测的光纤电流传^a。
技术方案为实现上述目的，本发明的传感方法为将光源输出的线偏振光经光 纤输入到电流传感区。在电流传感区内传感光纤缠绕在载有杂散电流的结构钢筋 上。偏振光经过传感区后，由法拉第效应可知，偏振面将旋转一定的角度，该角 度与结构钢筋上的杂散电流的大小有一定的关系，将输出的光信号经运算和处理 即可得到该处的杂散电流情况。
该装置的高稳定度偏振可调光源的尾纤与传输光纤相连，传输光纤通过光纤活 动连接器与光纤电流传感头的入纤相连，光纤电流传感头的尾纤与偏振分束器的 入纤相连，偏振分束器的两个尾纤分别与第一光电探测器、第二光电探测器相连， 第一光电探测器、第二光电探测器的光强电压输出端与信号处理器相连。
所述的高稳定度偏振可调光源、传输光纤、光纤活动连接器、光纤电流传感头、 偏振分束器、第一光电探测器、第二光电探测器、信号处理器都有带FC/UPC型适配
器的入纤和尾纤。
所述的高稳定度偏振可调光源内置了角度可调旋转型的起偏器，可通过旋转角 度调节旋钮调整光源输出偏振光的偏振轴到任何需要的理想角度。
所述的光纤电流传感头的传感光纤为低双折射光纤或高圆双折射光纤，光纤电 流传感头的圈数根据被测电流的大小进行调节，当被测电流数量级较小时，增加光
纤电流传感头的圈数；当被测电流数量级较大时，减少光纤电流传感头的圈数。 所述的偏振分束器是把分光晶体封装好的偏振光分束器，输入光纤为单模光纤，
输出光纤为Panda型保偏光纤。
所述的高稳定度偏振可调光源可输出的偏振光，该偏振光经过光纤电流传感头
后产生的转角p的大小与光纤电流传感头内的载流导体的电流大小有如下的关系式中V为Verdet常数；^为真空中的磁导率；iV = 为导线上绕的光纤圈数， 其中L为环绕在载流导体上的传感光纤的长度，及为传感绕组的半径；/为载流导 体内的被测电流强度。
有M^:本发明方法的突出优点是 法 ^統効应，利用传感形千中线 光偏 振方向的旋转角度与被测电》舒7f产生的磁场的絲来测量电流的大小。系淑ifc^T根据实 际被测电流的情^*调 ^千电流传皿的环绕圈 调节。^^千所具有^ffl、质轻、抗强 电磁干扰、,蚀、耐高温、集信息传ii^^iH^体、易^ 于混 结构内，点， 使得该传感方法能,地划艮传统的基于极化电^15测的皿电^15测方法#^的问题。在
传^S的发明中选用了偏振角j^j调的高稳^S^m光源，可 11轴别￡(可需要的理
想角度，节省了偏振角;S^制组件，简化了 ， M^了^H^各系统的i^fe源。并用偏
振光分束f^戈替了传统的^:元f^ollaston棱镜，刻艮了Wollaston棱镜的鹏的对舰调 节困难的问题，離了系统调试的X艘，增强了系统的可靠性。本发B月翻^fc^[输，光 路简单、^^性肯辦，传li^^测的是电箭u^生膨l)的闭執路积分，因雌懂结果不易受 ^tfct汤的影响，且测ft^员带宽、动态范围大，具有很好的工^ffl前景。
附图1为本发明传感方法的原理图， 附图2为本发明传感装置的系统结构图， 附图3为本发明传感装置光路的光矢量图， 附图4为本发明传感装置传感头的结构图， 附图5为本发明传感装置的实验系统结构图。
附图6为本发明传感装置的杂散电流传感波形图。上图为杂散电流的波形图， 横轴为时间轴，单位为秒，纵轴为杂散电流的大小，单位为A;下图为传感装置的 输出波形，横轴为时间轴，单位为秒，纵轴为两光电探测器的输出按公式(5)计 算后的数值。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。为实现上述的光纤电流传感方法，本发明的传感装置由高稳定度偏振可调光源 1、传输光纤2、光纤活动连接器3、光纤电流传感头4、偏振分束器5、光电探测 器6、 7和信号处理器8组成。其传感过程是这样实现的高稳定度偏振可调光源 1发出的偏振光经传输光纤2和光纤活动连接器3耦合进光纤电流传感头4，偏振 光经过环绕载流导体的光纤电流传感头4时受到法拉第旋光效应的作用偏振面旋 转了一定的角度。该角度的大小与载流导体中的电流的大小有一定的关系。将该 线偏振光经传输光纤送入偏振分束器5的输入端，偏振分束器5将载有被测电流 信号的偏振光分解成两束正交的偏振光。偏振分束器5的两个输出尾纤分别将两 束正交偏振光送入第一光电探测器6、第二光电探测器7进行探测，然后将探测的 信号送入信号处理器8进行运算得到被测电流的大小。根据图2的光路结构来具 体推导系统的工作原理。
偏振光稱合进缠绕在通电导体上的光纤传感头后，出射光的偏振面旋转了一定 的角度。设有N匝光纤绕组，载流导线中通有稳定的电流I，由安培环路定律可知， 载流导线在其周围空间产生的磁感应强度的大小为
2兀7 (i)
式中^-47cxlO-7T.m/A为真空中的磁导率，I为电流强度，R为光纤绕组的半径。 当线偏振光通过N匝光纤绕组时，由法拉第效应可知其偏振面旋转的角度为
2tc及 F。 (2) 式中V为Verdet常数；iV = 1为导线上绕的光纤圈数。
由上式可以看出对于给定的通电载流导线，偏振面旋转的角度伊只与光纤绕组的 圈数W有关，而与光纤绕组的半径/ 无关。在实验中可以增加光纤绕组的圈数iV来 增大旋转角^，来提高系统的灵敏度。同时，可通过改变光纤绕组的圈数，来适应 各种不同的电流等级。偏振面旋转了^角度的线偏振光由偏振分束器分成两束偏振
方向相互正交的线偏振光，设其正交偏振方向为El和E2，偏振分束器输入光矢量 的振动方向为E，光源输出偏振光的偏振方向E0与E1， E2成土45。角，光矢量图 如图3所示。设起偏器的投射光强为P。，不考虑光纤的损耗，此时偏振分光镜输
出的两束光的光强分别为-《-i^cos2^-p)"户o(l + sin2p) (3)
尸2 ^cos2(45。+一会尸o(l-sin2伊) (4) P —户
令/> = ^~^ (5)
化简后可得
尸=sin (6)
偏振分束器输出的两路线偏振光由两光功率计测其强度，按照上述公式间的关系进 行计算即可得到被测电流的大小。这种测量方法的结果与光源的强度起伏及光源 与探测器之间的通路的衰减变化无关。当偏角很小时，可以利用近似式P二2伊， 而且当偏角小于6。时，这个函数是线性的，线性度在1%以内。
图1示意性示出了本发明的用于地铁杂散电流监测的光纤电流传感方法原理。 将偏振特性为线偏振光的入射光经光纤输入到电流传感区。在电流传感区内传感 光纤缠绕在载有杂散电流的结构钢筋上。入射光经过传感区后，由法拉第效应可 知，偏振面将旋转一定的角度，该角度与结构钢筋上的杂散电流的大小有一定的 关系，检测旋转角度的大小即可得到该处的杂散电流情况。
图2戶标的形千电流传感头由于形千的弯曲会引A^:的弯曲观斤射，为了消除传齢部 分的)5^斤射对系统的影响，可以选用图4戶;f^的传ii^结构。在该结构中^t角tP^判5
为10mm的，，^1^R^部分由三距光乡^^滅，四个臂贝M親平直的几何微。这僧构能 餘 ^性观斤射集中在四方形传感元件的4个角上，由于4个角中线ft^斤射产生的位相延 迟洽为2兀的纖倍，而光纤嫉的4个臂围绕待测电流形成闭執路，它们不受线性观斤射 的影响，故 出信号中只有法&^偏转。该传感头的尺寸可以在一定范围内随意调整，其 电流灵鹏可以随形千环路的增加而线 0
为了验证提出的用于地铁杂散电流监测的光纤电流传感方法，进行了实验测 试，具体的实验传感装置的系统结构图如图5所示。高稳定度偏振可调光源1的 尾纤与传输光纤2相连，传输光纤2通过光纤活动连接器3与光纤电流传感头4 的入纤相连，光纤电流传感头4的尾纤与偏振分束器5的入纤相连，偏振分束器5 的两个尾纤分别与光电探测器6、 7相连，光电探测器6、 7的光强电压输出端与 信号处理器8相连。
为了提高系统的测试灵敏度需要调节光源输出的偏振光的偏振方向与偏振分束器输出的两个正交偏振方向成土45'度角。调试的方法是按图5将光路系统搭 建好之后，在未接通被测电流时，旋转高稳定度偏振光源1的偏振角度调节旋钮， 与此同时用两个光功率计测偏振分束器输出的两路正交偏振光的强度。由以上所 述的光路的工作原理可知，当偏振分束器输出的两路正交偏振光的强度相等时光
源输出的偏振光的偏振方向与偏振分束器输出的两个正交偏振方向正好成±45° 角。
附图5所示的传感系统的工作过程是高稳定度偏振可调光源1发出的偏振光经 传输光纤2和光纤活动连接器3耦合进光纤电流传感头4，偏振光经过环绕载流导 体的光纤电流传感头4时受到法拉第旋光效应的作用偏振面旋转了一定的角度。 将该线偏振光经传输光纤送入偏振分束器5的输入端，偏振分束器5将载有被测 电流信号的偏振光分解成两束正交的偏振光。这两束正交偏振光分别由光电探测 器6、 7进行探测，然后将探测的信号送入信号处理器8按照公式(5) (6)进行 相关的处理和运算。给通电导体加载模拟的杂散电流，用该传感装置测得的波形 如图6所示。
在本实施例中，所用的光源是加拿大OZOptics公司的高稳定度偏振光源，该 光源采用的是动态单模特性和线性特性非常好的分布反馈型DFB激光器作为发光 器件，消光比可以达到40dB以上，工作波长为1310mn。传感光纤使用的是低双 折射光纤。偏振分束器使用的是上海瀚宇光纤通信技术有限公司提供的 PBS1310SPP型偏振分束器。光电探测器为上海瀚宇提供的型号为YSPD718的 InGaAsP光电探测器。
权利要求
1、一种用于地铁杂散电流监测的光纤电流传感装置，其特征在于该装置的高稳定度偏振可调光源(1)的尾纤与传输光纤(2)相连，传输光纤(2)通过光纤活动连接器(3)与光纤电流传感头(4)的入纤相连，光纤电流传感头(4)的尾纤与偏振分束器(5)的入纤相连，偏振分束器(5)的两个尾纤分别与第一光电探测器(6)、第二光电探测器(7)相连，第一光电探测器(6)、第二光电探测器(7)的光强电压输出端与信号处理器(8)相连。
2、 根据权利要求l所述的用于地铁杂散电流监测的光纤电流传感装置，其特征 在于所述的高稳定度偏振可调光源(1)、传输光纤(2)、光纤活动连接器(3)、 光纤电流传感头(4)、偏振分束器(5)、第一光电探测器(6)、第二光电探测器(7)、 信号处理器(8)都有带FC/UPC型适配器的入纤和尾纤。
3、 根据权利要求l所述的用于地铁杂散电流监测的光纤电流传感装置，其特征 在于所述的高稳定度偏振可调光源(1)内置了角度可调旋转型的起偏器，可通过 旋转角度调节旋钮调整光源输出偏振光的偏振轴到任何需要的理想角度。
4、 根据权利要求1所述的用于地,散电^S测的^^千电流传感装置，其特征在于 所述的光纤电流传感头(4)的传感光纤为低双折射光纤或高圆双折射光纤，光纤电 流传感头(4)的圈数根据被测电流的大小进行调节，当被测电流数量级较小时，增 加光纤电流传感头.(4)的圈数；当被测电流数量级较大时，减少光纤电流传感头(4) 的圈数。
5、 根据权利要求l所述的用于地M散电^iS测的光纤电流传^ff，其特征在于 所述的偏振分束器(5)是把分光晶体封装好的偏振光分束器，输入光纤为单模光纤， 输出光纤为Panda型保偏光纤。
6、 根据权利要求l所述的用于地铁杂散电流监测的光纤电流传感装置，其特征 在于所述的高稳定度偏振可调光源(1)可输出的偏振光，该偏振光经过光纤电流 传感头(4)后产生的转角p的大小与光纤电流传感头(4)内的载流导体的电流大 小有如下的关系式中V为Verdet常数；//。为真空中的磁导率；iV-」二为导线上绕的光纤圈数，其中Z为环绕在载流导体上的传感光纤的长度，i 为传感绕组的半径；/为载流导体内的被测电流强度。
全文摘要
本发明公开了一种用于地铁杂散电流监测的光纤电流传感方法和传感装置，该发明所采用的光纤电流传感装置中传光与传感部分都采用全光纤连接。目前基于极化电位监测的地铁杂散电流监测方法测量结果受很多因素影响且评价不直观。本发明基于法拉第效应，利用光纤的偏振特性，通过测量光纤中的法拉第旋转角间接测量电流的大小，克服了传统的杂散电流监测方法存在的不足。该方法的突出优点是系统测试灵敏度可根据具体情况调节来适应不同范围电流的测量。本发明采用全光纤传输，光路简单、绝缘性能好，传感器检测的是电流产生磁场的闭合环路积分，因此测量结果不易受杂散场的影响，且测量频带宽、动态范围大，具有很好的工程应用前景。
文档编号G01R19/00GK101446600SQ20081015611
公开日2009年6月3日 申请日期2008年9月28日 优先权日2008年9月28日
发明者威 李, 王禹桥, 蔡文娟 申请人:中国矿业大学