專利名稱：監(jiān)測地鐵雜散電流的光纖傳感器及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感器及其方法，尤其是一種可以避免彎曲雙折射的監(jiān)測地鐵雜散電流的光纖傳感器及其方法。
背景技術(shù)：
目前，基于極化電位監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)半電池電位法是監(jiān)測地鐵雜散電流的常用方法，該方法通過在地鐵建設(shè)初期埋設(shè)永久性長效參比電極 C UZCUSO4來實(shí)現(xiàn)，埋地金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕狀況和雜散電流的擾動情況可以根據(jù)參比電極和
金屬結(jié)構(gòu)之間的電位差來反映，然而，該方法的長期穩(wěn)定性和測量的準(zhǔn)確度受參比電極的使用環(huán)境、極化電位檢測中IR降和參比電極的使用壽命等因素影響。由于光纖具有機(jī)械強(qiáng)度大、質(zhì)輕、抗強(qiáng)電磁干擾、極快的頻響、集信息傳輸與傳感為一體和易集成于混凝土結(jié)構(gòu)體內(nèi)等優(yōu)點(diǎn)，所以采用光纖電流傳感技術(shù)的研究方法，為解決地鐵雜散電流監(jiān)測問題提供一種新的思路和解決方案。光纖電流傳感器的測量方法主要基于光的偏振態(tài)測量方法、光波長調(diào)制測量法和干涉測量法，其中光的偏振態(tài)測量方法是基于法拉第旋光效應(yīng)的理論，即當(dāng)線偏振光通過處于外界磁場的光纖中，且光的傳播方向與外磁場方向一致時(shí)，線偏振光的偏振面將會發(fā)生旋轉(zhuǎn)。目前，基于法拉第旋光效應(yīng)的光纖電流測量方法通常是在電流傳感區(qū)內(nèi)，將傳感光纖均勻繞制在載流導(dǎo)體上，偏振光經(jīng)過傳感區(qū)后，偏振面將旋轉(zhuǎn)一定的角度，該角度與載流導(dǎo)體上的電流大小成正比，通過測量輸出偏振光的光功率可間接實(shí)現(xiàn)電流值的測量。然而，該種方法會由于光纖在電流傳感區(qū)的彎曲繞制而引入彎曲雙折射現(xiàn)象，光纖中的彎曲雙折射對旋光效應(yīng)現(xiàn)象有很大影響，嚴(yán)重時(shí)甚至完全淹沒旋光現(xiàn)象。減少光纖中彎曲雙折射的方法目前主要有兩種“8”字形纏繞法和四方形纏繞法，這兩種方法雖然可以有效的減少彎曲雙折射，但是也存在著光纖線圈繞制工藝要求較高、溫度穩(wěn)定性較差等不足。為避免在利用光纖傳感技術(shù)監(jiān)測地鐵雜散電流時(shí)引入彎曲雙折射，本發(fā)明利用電流在螺線金屬管中間部分激發(fā)均勻磁場的特點(diǎn)，將傳感光纖沿金屬管內(nèi)軸向布置，利用安培環(huán)路定理和法拉第旋光效應(yīng)理論，通過測量偏振光旋轉(zhuǎn)角間接測量電流大小。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、可避免彎曲雙折射的監(jiān)測地鐵雜散電流的光纖傳感器及其方法。技術(shù)方案本發(fā)明的監(jiān)測地鐵雜散電流的光纖傳感器，包括傳感器殼體、與地面激光器和光纖起偏器相連穿過傳感器殼體的傳感光纖，穿過傳感器殼體的傳感光纖兩側(cè)分別設(shè)有固定在傳感器殼體兩側(cè)壁上的傳感光纖支座，兩側(cè)壁上的傳感光纖支座上設(shè)有套在傳感光纖上的傳感光纖隔磁罩殼，傳感光纖隔磁罩殼上套裝螺線金屬管，螺線金屬管軸線與傳感光纖的軸線重合，螺線金屬管的兩端分別連接有電流導(dǎo)入載體和電流導(dǎo)出載體，電流導(dǎo)入載體和電流導(dǎo)出載體分別經(jīng)上下兩個(gè)電流載體支座固定在傳感器殼體上，傳感器殼體一側(cè)設(shè)有靜壓降壓孔。所述的傳感光纖隔磁罩殼由高導(dǎo)磁鐵鋁合金制作而成；所述的電流導(dǎo)入載體和電流導(dǎo)出載體由地鐵牽引變電所回流點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)鋼筋制作而成；所述的傳感光纖為單根完整的低雙折射單模傳感光纖。本發(fā)明的傳感器的監(jiān)測地鐵雜散電流的方法將所述的光纖傳感器埋設(shè)在地鐵牽引變電所回流點(diǎn)處，地鐵機(jī)車運(yùn)行中泄漏的雜散電流通過電流導(dǎo)入載體進(jìn)入螺線金屬管， 在螺線金屬管內(nèi)激發(fā)出磁場，由電流導(dǎo)出載體流出，地面激光器的光經(jīng)光纖偏振器起偏形成線偏振光，線偏振光通過傳感光纖的輸入端a輸入，傳感光纖上的線偏振光偏振面在螺線金屬管激發(fā)磁場作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，偏振面旋轉(zhuǎn)后的線偏振光再由傳感光纖的輸出端b輸出，經(jīng)地面角度檢測裝置不斷接收處理得到線偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)角O經(jīng)下式
I= 1 Ω
Vμ Μ
式中，Γ為傳感光纖的費(fèi)爾德常數(shù)，A為真空磁導(dǎo)率，M為螺線金屬管線圈匝數(shù)L力螺線金屬管長度，I為螺線金屬管內(nèi)磁場與線偏振光的作用距離；連續(xù)計(jì)算出地鐵機(jī)車運(yùn)行中泄漏的地鐵雜散電流/ ,實(shí)時(shí)監(jiān)測地鐵雜散電流。有益效果由于采用了上述技術(shù)方案，利用載流螺線金屬管中間部分的激發(fā)磁場是均勻分布且磁場方向與管內(nèi)軸線平行的特點(diǎn)，以低雙折射單模光纖作為傳感光纖，將傳感光纖沿螺線金屬管軸線方向布置，避免了利用光纖傳感技術(shù)測量地鐵雜散電流時(shí)因光纖彎曲繞制在載流導(dǎo)體上引入彎曲雙折射的不足。并基于法拉第旋光效應(yīng)理論，建立傳感光纖中線偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)角i3與地鐵雜散電流之間的關(guān)系表達(dá)式，通過增大螺線金屬管線圈匝數(shù)F、螺線金屬管磁場與線偏振光作用距離/，或減少螺旋金屬管的長度￡，不僅可以增大傳感光纖中線偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)角β，提高光纖電流傳感器的靈敏度，也可以適應(yīng)地鐵環(huán)境下各種不同范圍的電流測量。通過將地鐵牽引變電所回流點(diǎn)處的雜散電流導(dǎo)入到光纖傳感器中進(jìn)行監(jiān)測，減少了回流點(diǎn)周圍環(huán)境對測量的影響，提高了測量精度，傳感器的動態(tài)響應(yīng)范圍寬，其結(jié)構(gòu)簡單，與傳統(tǒng)電流互感器相比較，鐵芯由傳感光纖替代，有效的避免了鐵磁諧振和磁飽和的問題，具有廣泛的實(shí)用性。


圖1是本發(fā)明的光纖傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1 一傳感器殼體，2 —靜壓降壓孔，3 —傳感光纖，4 一傳感光纖支座，5 —傳感光纖隔磁罩殼，6 —電流載體支座，7 —電流導(dǎo)入載體，8 —螺線金屬管，9 一電流導(dǎo)出載體。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例作進(jìn)一步的說明
如圖1所示，本發(fā)明的監(jiān)測地鐵雜散電流的光纖傳感器，主要由傳感器殼體1、靜壓降壓孔2、傳感光纖3、傳感光纖支座4、傳感光纖隔磁罩殼5、電流載體支座6、電流導(dǎo)入載體 7、螺線金屬管8、電流導(dǎo)出載體9構(gòu)成，傳感光纖3穿過傳感器殼體1，傳感器殼體1內(nèi)設(shè)有套在傳感光纖3上的傳感光纖隔磁罩殼5，傳感光纖隔磁罩殼5連接分別固接在傳感器殼體1左右壁上的傳感光纖支座4，傳感光纖隔磁罩殼5上套裝螺線金屬管8，螺線金屬管8 的一端連接有電流導(dǎo)入載體7，螺線金屬管8的另一端連接有電流導(dǎo)出載體9，電流導(dǎo)入載體7、電流導(dǎo)出載體9分別經(jīng)電流載體支座6支承在傳感器殼體1上，電流導(dǎo)入載體7和電流導(dǎo)出載體9由地鐵牽引變電所回流點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)鋼筋制作而成。傳感器殼體1的一側(cè)設(shè)有靜壓降壓孔2。所述的傳感光纖3為單根完整的低雙折射單模傳感光纖，傳感光纖隔磁罩殼 5由高導(dǎo)磁材料鐵鋁合金制成，根據(jù)地鐵牽引變電所回流點(diǎn)結(jié)構(gòu)鋼筋周圍的不同環(huán)境，設(shè)定螺線金屬管8的長度直徑比值，長度直徑比值一般取11 15，傳感光纖支座4和電流載體支座6分別對傳感光纖3和螺線金屬管8起到定位和支撐的作用。
本發(fā)明的監(jiān)測地鐵雜散電流的方法將監(jiān)測地鐵雜散電流的光纖傳感器埋設(shè)在地鐵牽引變電所回流點(diǎn)附近，回流點(diǎn)處的雜散電流由電流導(dǎo)入載體7流入螺線金屬管8，并在螺線金屬管8內(nèi)部激發(fā)磁場，螺線金屬管內(nèi)中間部分勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度5由下式得到
L 螺線金屬管線圈匝數(shù)，L為螺線金屬管長度，/為地鐵雜散電流，A為真空磁導(dǎo)率。 傳感光纖3與地面激光器和光纖偏振器相連接，地面激光器的光經(jīng)光纖偏振器起偏形成線偏振光，線偏振光通過傳感光纖3的輸入端a輸入，傳感光纖3上的線偏振光偏振面在螺線金屬管8激發(fā)磁場作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，偏振面旋轉(zhuǎn)后的線偏振光再由傳感光纖3的輸出端b輸出，經(jīng)地面角度檢測裝置不斷接收處理得到線偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)角O經(jīng)下式
￥μηΜ
式中Γ力傳感光纖的費(fèi)爾德常數(shù)，科為真空磁導(dǎo)率，N為螺線金屬管線圈匝數(shù)，L為螺線金屬管長度，I為枰線A屬管內(nèi)磁場與線偏振光的作用距離；連續(xù)計(jì)算出地鐵機(jī)車運(yùn)行中泄漏的地鐵雜散電流/實(shí)時(shí)監(jiān)測地鐵雜散電流。
權(quán)利要求
1.一種監(jiān)測地鐵雜散電流的光纖傳感器，其特征在于它包括傳感器殼體(1)、與地面激光器和光纖起偏器相連穿過傳感器殼體(1)的傳感光纖(3)，穿過傳感器殼體(1)的傳感光纖(3)兩側(cè)分別設(shè)有固定在傳感器殼體(1)兩側(cè)壁上的傳感光纖支座(4)，兩側(cè)壁上的傳感光纖支座(4)上設(shè)有套在傳感光纖(3)上的傳感光纖隔磁罩殼(5)，傳感光纖隔磁罩殼 (5)上套裝螺線金屬管(8)，螺線金屬管(8)軸線與傳感光纖(3)的軸線重合，螺線金屬管 (8)的兩端分別連接有電流導(dǎo)入載體(7)和電流導(dǎo)出載體(9)，電流導(dǎo)入載體(7)和電流導(dǎo)出載體(9 )分別經(jīng)上下兩個(gè)電流載體支座(6 )固定在傳感器殼體(1)上，傳感器殼體(1) 一側(cè)設(shè)有靜壓降壓孔(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測地鐵雜散電流的光纖傳感器，其特征在于所述的傳感光纖隔磁罩殼(5)由高導(dǎo)磁鐵鋁合金制作而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測地鐵雜散電流的光纖傳感器，其特征在于所述的電流導(dǎo)入載體(7)和電流導(dǎo)出載體(9)由地鐵牽引變電所回流點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)鋼筋制作而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測地鐵雜散電流的光纖傳感器，其特征在于所述的傳感光纖(3)為單根完整的低雙折射單模傳感光纖。
5.一種如上述權(quán)利要求所述傳感器的監(jiān)測地鐵雜散電流的方法，其特征在于 將所述的光纖傳感器埋設(shè)在地鐵牽引變電所回流點(diǎn)處，地鐵機(jī)車運(yùn)行中泄漏的雜散電流通過電流導(dǎo)入載體(7)進(jìn)入螺線金屬管(8)，在螺線金屬管(8)內(nèi)激發(fā)出磁場， 由電流導(dǎo)出載體(9)流出，地面激光器的光經(jīng)光纖偏振器起偏形成線偏振光，線偏振光通過傳感光纖(3)的輸入端a輸入，傳感光纖(3)上的線偏振光偏振面在螺線金屬管(8)激發(fā)磁場作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，偏振面旋轉(zhuǎn)后的線偏振光再由傳感光纖(3)的輸出端b輸出，經(jīng)地面角度檢測裝置不斷接收處理得到線偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)角 Ω，經(jīng)下式
全文摘要
一種監(jiān)測地鐵雜散電流的光纖傳感器及其方法，利用地鐵雜散電流在螺線金屬管中間部分可以激發(fā)出磁場且磁場方向與管內(nèi)軸線平行的特點(diǎn)，以低雙折射單模光纖作為傳感光纖，將傳感光纖穿過螺線金屬管，使光纖纖芯軸線與螺線金屬管中軸線平行，并基于法拉第旋光效應(yīng)理論，建立傳感光纖中線偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)角與地鐵雜散電流之間的關(guān)系表達(dá)式，通過將地鐵牽引變電所回流點(diǎn)處的雜散電流導(dǎo)入到光纖傳感器中進(jìn)行監(jiān)測，減少了回流點(diǎn)周圍環(huán)境對測量的影響，實(shí)現(xiàn)了地鐵雜散電流的監(jiān)測。本發(fā)明避免了在利用光纖傳感技術(shù)測量地鐵雜散電流時(shí)因?qū)⒐饫w繞制在載流導(dǎo)體上引入彎曲雙折射的不足。其測量精度高，靈敏度可調(diào)，適應(yīng)地鐵不同環(huán)境下雜散電流測量。
文檔編號G01R15/22GK102445586SQ20111034940
公開日2012年5月9日 申請日期2011年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月8日
發(fā)明者李威, 楊雪鋒, 王禹橋, 蔡李花, 許少毅 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)