基于旋转半波片和交替电流测量的隧道超前探测光纤电流传感器灵敏度漂移补偿方法

高昕星，赵 斌

(华中科技大学机械科学与工程学院，湖北武汉 430074)

0 引言

隧道超前探测中的聚焦电流法[1]以全断面硬岩隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)的刀盘和护盾为电极，向地质体内通探测电流和保护电流，通过在掘进过程中实时监测探测电流的变化，预报可能发生的地质灾害。由于TBM体积巨大结构复杂，常规手段难以测出从刀盘流出的探测电流的大小，因此使用光纤电流传感器作为测量设备，传感光纤环被安装在TBM刀盘后方，套住整个主驱动轴承，经过主驱动轴承，流向刀盘的探测电流穿过光纤环，产生的磁场影响光纤环中偏振光的偏振态，采集并分析偏振态的变化量即可反解探测电流的大小[2-3]。

光纤环是一种环境敏感部件，受振动和温度变化诱发的线性双折射变化的影响，隧道超前探测光纤电流传感器(简称传感器)的灵敏度会产生漂移[4]，而对漂移的抑制和补偿方法一直是国内外研究的重点和难点，H. S. Kang通过弯曲传感光纤诱导双折射以抑制灵敏度漂移[5]，但这种方法会在光纤中额外产生双折射，降低了部分灵敏度。2002年，K. Bohnert提出将传感光纤封装在氮气室内隔离外界温度变化[6]，这种方法能够在较宽的温度区间内维持稳定，但当光纤环半径增至数m后密封气室的制造难度和成本显著增加，可靠性降低。2015年，C. D. Perciante等将光纤环绕制成一个精心设计的空间结构使得光纤中的线性双折射相互抵消，以降低振动的影响[7]，但维持这种特定结构需要额外的胚体进行固定。

为补偿在长期测量中传感器灵敏度漂移对所造成的误差，本文提出了基于旋转半波片和交替电流测量的传感器灵敏度漂移补偿方法。交替电流测量就是传感器在较短时间内分别单独测量探测电流和保护电流，所对应的传感器输出电压之商即为两个待测电流大小的比值，由于电源的总输出电流为已知恒流，即可算出两个待测电流的大小，从而消除了传感器灵敏度变化的影响；当传感器灵敏度过低以致影响交替电流测量时，可启动光路中的旋转半波片产生特定大小的双折射，避开线性双折射所产生的一系列周期性失效点，将传感器的灵敏度提高到一定阈值以上，从而使交替测量能够继续有效进行。两种手段相结合，现场实验表明，本方法能够补偿长时间测量中传感器灵敏度的漂移影响，满足隧道超前探测中聚焦电流法对电流的测量要求。

1 原理及方法

1.1 光纤电流传感器

隧道超前探测中的聚焦电流法原理如图1所示，电源U分别以TBM的刀盘和护盾为电极向地质体内通入探测电流Id和保护电流Ig，当前方地质类型发生变化时Id随之变化(如高阻异常体的接近将导致地质体视电阻的升高，Id变弱)，通过测量Id的大小，可以预报即将发生的地质灾害。由于TBM的刀盘和护盾通过主驱动轴承连接，二者之间电阻极小(对于刀盘直径4 m的TBM，测得刀盘与护盾间电阻为0.3 μΩ)，Id与Ig失去隔离并相互窜流，使得用电源在刀盘电极上的输出电流代替Id进行计算将会出现较大误差，为解决精确测量探测电流Id的难题，设计了光纤电流传感器，它的传感环安装在主驱动轴承与刀盘之间，穿过传感环的电流将全部流向刀盘充当Id，即光纤传感测得的电流就是Id，从而在原理上解决了流经主驱动轴承上电流窜流的影响，测量结果更加精确。

图1 聚焦电流法原理图

由于聚焦电流法中使用的电流相对较小，仅为几A ，为大电流电网测量设计的sagnac干涉型光纤电流传感器的最小分辨能力有限[8]，设计了反射式偏振检测型光纤电流传感器，其光路结构如图2所示。

图2 反射式偏振检测型光纤电流传感器光路结构

图2中光源产生一束线偏振光，经起偏器增强消光比后注入保偏环形器的1入口并从2出口射出，通过电控旋转半波片，在传感光纤环中受到待测电流磁致旋光效应的影响，偏振方向发生改变，等效于在另一个正交的偏振模上产生一个较小的分量，被法拉第反射镜反射后两个偏振模方向互换，在传感光纤环中二次受到待测电流的影响，正交偏振模上的较小分量加倍，返回保偏环形器从3出口射出，经检偏器进入光电探测器，转化为电信号滤波放大后输出。在这种反射式偏振检测型的结构中，若光纤环中无待测电流，则无偏振分量进入光电探测器，传感器无输出电压。传感器输出电压与光纤环中的法拉第磁光旋转角，即进入光电探测器的光强成正比。整个系统对应的传感器琼斯矩阵模型如下：

光源、起偏器/检偏器、保偏环形器的琼斯矩阵S0、S1、S2分别为(此三种器件的尾纤均为保偏光纤，而保偏光纤的琼斯矩阵为单位矩阵，故予以省略)

(1)

若半波片的主轴与保偏环形器慢轴之间的夹角为α，且α的默认值为0，其琼斯矩阵为

(2)

偏振光在入射时所光纤环的琼斯矩阵为[9]

(3)

B、D分别为光纤环中的线性双折射和圆双折射，F为偏振光在光纤中受待测电流I影响产生的法拉第旋角，若光纤环圈数为N，光纤的Verdet常数为V，则F与I的关系为

F=NVI

(4)

法拉第反射镜的琼斯矩阵为

(5)

经反射镜反射，偏振光在反向通过光纤环时，光纤环的琼斯矩阵为[6]

(6)

因此，进入光电探测器的光强为各组件琼斯矩阵倒序连乘的模量

J=Abs(S1S2S3SOUTSFMSINS3S2S1S0)

(7)

J是以B、D、I、α为变量的超越函数，若光电探测器的光电转换效率和放大器的放大倍数合成增益系数为G，则传感器输出电压U与传感器对电流灵敏度S(简称灵敏度)关系为

U=G·J(B，D，I，α)=S·I

(8)

在实验室中对设计的传感器进行了测试，测试环境20～35 ℃，传感光纤环使用G652D-E型单模光纤绕制，纤芯直径300 μm，圈数为100圈，光源使用超辐射发光二极管，型号为SLD1018P，产生30 mW的慢轴线偏振光，中心波长1 310 nm。测试电流频率为10 Hz，从0A增加至10.5 A，记录不同环境下的传感器的输出电压，结果如图3所示，在单次测量中传感器呈现较好的线性度，UH、UM、UL的拟合度R2为0.999 95、0.999 86和0.978 70。但在外界环境的影响下，重复测量的S呈现较大范围的波动，如传感器在最佳状态时的UH所对应的灵敏度为0.562 7 V/A，最差情况下UL所对应的灵敏度仅为0.020 2 V/A，不足最佳状态的4%。

图3 光纤电流传感器的实验室测试结果

测试结果表明，传感器能够在较短时间(UH的测量时间为5 min)内保持相对稳定，如UHUMUL的拟合曲线都未受灵敏度漂移的影响，保持了较好的线性度，但传感器的鲁棒性较差，外界环境的扰动和光纤环的状态都会导致灵敏度的漂移，这种漂移随时间的增长逐渐累积，不仅多次测量结果无法保持稳定，而且灵敏度可能降到极低，传感器近似失效。

1.2 基于旋转半波片的灵敏度降低调节提升方法

理论分析表明，传感器的失效是由于光纤环中不断改变的线性双折射B刚好满足某特定条件所导致的，根据式(9)有

(9)

J=0

(10)

因在实际中k2π2≫F2，故J近似以B=2kπ为周期重复归零，曲线呈现一种波浪形，仿真曲线如图4所示。在实际中，外界的冲击和侧压都会导致线性双折射B的变化，使得灵敏度无法稳定，且有可能落入零点，造成传感器的失效。图4中曲线还表明，当光纤内的圆双折射D不为零时，曲线的位置会有变动，但波浪形状和失效点的性质是不变的。

图4 灵敏度随双折射的变化曲线图

根据对琼斯矩阵模型的分析，可以证明在光路中插入一个半波片，通过DA转换器控制旋转该半波片的主光轴方向角α，能够在光路中产生一个特定大小的双折射，提高传感器在失效点时的灵敏度。根据式(7)有：

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

图5 旋转半波片获得的最大灵敏度集合曲线与原灵敏度曲线对比图

显然除了零点外，Jmax>J。当I=10 A，D=π/3 rad时，Jmax和J关于B的仿真曲线如图5所示。由图5可见，Jmax曲线总在J上方，且当J落入失效点时，Jmax不为零。表明当B满足失效条件时，仍能通过旋转半波片使灵敏度达到Jmax，提高传感器的灵敏度。例如，当B=6π时，J落入失效点，传感器无输出，此时通过旋转半波片，改变α，能够增强系统输出至Jmax，J在B为6π时随α变化曲线如图6所示。故旋转光路中的半波片能够解决灵敏度落入失效点的问题。

1.3 基于交替电流测量的灵敏度漂移补偿方法

旋转半波片可以提升灵敏度，但这种调节并不需频繁进行，仅在灵敏度降低到某一阈值以下时才有必要，而在两次调节之间，灵敏度仍然在缓慢漂移，为此我们设计了基于交替电流测量的灵敏度缓慢漂移补偿方案，交替电流法具体实施方法如图7所示。

在开始时刻，继电器位于1位置，恒流源I以刀盘为施加点向地质体内输送电流，一部分电流直接流向前方为探测电流Id，另一部分电流经主驱动轴承反向穿过光纤环，以护盾为电极流向侧方充当保护电流Ig，假设此时传感器灵敏度为St，对应传感器输出电压Ug为

Ug=StIg

(17)

5 s后继电器切换到2位置，以护盾为施加点，一部分电流由护盾流向侧方为Ig，另一部分电流经主驱动轴承正向穿过光纤环到达刀盘，为Id，由于切换时间较短，可认为灵敏度尚未发生较大变化，仍近似为St，此时传感器输出电压Ud为

Ud=StId

(18)

定义Id与Ig的比值为K

(19)

可见其等同于Ud比Ug。又有恒流关系：

I=Id+Ig

(20)

联立式(19)与式(20)，t时刻下的Id与Ig可被表达出来。

交替电流测量的实现需要在较短时间内传感器灵敏度保持相对稳定，这种短时间内的稳定状态已由上文中的传感器测试实验中得到验证。由于运用了比例运算，灵敏度在计算中被约去，因此，交替电流测量法消除了灵敏度缓慢漂移对测量精度的影响。

2 实验与分析

2.1 实验室实验

在实验室中，对旋转半波片提升传感器在失效点时的灵敏度进行了实验验证。将光纤缠绕在直径为140 mm的环形塑料薄板上，使用光纤环挤压器的两个长螺栓连续推动挤压板挤压光纤环，光纤环的连续径向形变将诱发内部线性双折射B的连续变化，实验装置如图8所示。

在实验中，测试电流保持为10 A，10 Hz，挤压器的推进距离从0 mm开始，以1 mm的步长挤压光纤环，在每一步中，传感器中的半波片都进行了一次0～π的旋转，得到当前步数下传感器输出电压U与半波片转角的对应曲线，记录U的极大值Umax，最后复位α至0，推进挤压器到下一个位置，重复这个测量过程直到推进到55 mm为止，对应无半波片下传感器输出电压U和使用半波片获得的Umax的集合曲线如图9所示。

图9 光纤环挤压器的位置与传感器输出曲线

将图9与仿真曲线图4、图5相对比可以得到如下结论：

(1)与图4一致，挤压器产生的应力诱导双折射B影响传感器的输出电压U，使得它的曲线呈现出波浪形，并出现周期性趋零的失效点。

图10 半波片转角与传感器输出曲线

2.2 现场实验

现场实验位于隶属鄂北地区水资源配套工程的南段宝林隧洞，使用直径4 m的TBM“宝林号”施工，也是本次现场实验的载体。地质超前探测光纤电流传感器的传感光纤环缠绕完毕后，在TBM运抵现场进行组装时完成安装，光纤环的绕制和安装分别如图11(a)(b)所示，光纤环被放置于厚橡胶软管中进行保护，厚橡胶软管套在TBM刀盘后方的主驱动轴承外边缘，确保由护盾流向刀盘的电流全部穿过光纤环，光纤环的尾纤同样穿过厚橡胶管，引至TBM的主控室。探测电源输出固定为10 A，10 Hz的正弦波，通过继电器切换交替施加在TBM的刀盘和护盾上，原理图与图9一致。施加在刀盘上的探测电流线被连接在刀盘内部的回转接头上，保证刀盘工作旋转时探测电缆不会被扭断，保护电流线被焊接在护盾内侧，分别如图11(c)、(d)所示。探测电源的地端安装在位于TBM后方300 m远的打入岩层中的锚杆上。

图11 现场实验设备的安装和主要电极连接点

为测量传感器灵敏度随时间的漂移，需要在一段时间内Id和Ig保持相对不变，因此测试时间均选择在每日的7:00～12:00之间，此时的TBM进行每日例行维护不再掘进，地质体无变化，理论上Id和Ig保持恒定，K值不变，以便计算传感器的漂移。在测量中，继电器以0.2 Hz的频率切换待测电流，截取其中一段50 s长的实验数据，结果如图12所示。其中，以10 s为一个测量周期，每个测量周期的K值是当前测量周期下Ud与Ug之商。

在TBM停机检修时，进行了一段持续4 h的交替电流测量，传感器输出电压曲线如图13所示。

图12 50 s内的传感器输出电压与K值

图13 4 h中传感器输出电压与K值

由图13可知，在长时间的测量中，即使待测电流保持不变，传感器的输出电压依然出现较大漂移。在测量开始前的设备调试中，设定Ud低于0.2 V同时Ug低于0.8 V时为传感器临近失效，在图12中于115 min和237 min中两次接近失效点，传感器启动了波片成功地恢复了系统灵敏度。

尽管传感器输出电压无法在长时间的测量中维持稳定，Ud与Ug的离散系数分别达到了31.80%和31.84%，灵敏度呈现出极大的漂移，但采用交替电流测量的算出的比例系数K的离散系数仅为1.39%。证明交替电流法能够抵消传感器灵敏度漂移对测量的不利影响。

3 结束语

在隧道超前探测聚焦电流法使用光纤电流传感器对探测电流的测量过程中，由于环境的变化导致传感器灵敏度随时间产生较大漂移，且有可能落入失效点阻碍测量的进行，为提高传感器在失效点时的灵敏度，在光路中加入了半波片，通过控制半波片旋转，能够产生特定大小的双折射提高传感器在失效点时的灵敏度，并在理论分析和实验中得到了验证，实验得到的数值曲线与仿真曲线相吻合，当外界环境变化导致传感器二次落入失效点时，半波片都能提高传感器在失效点的灵敏度，保障了测量的正常进行。针对灵敏度漂移的问题，设计了交替电流测量的方案，通过比例运算的方法排除了传感器灵敏度缓慢漂移的影响，在现场实验中，交替电流测量算得的比例系数K的离散系数远小于传感器原始输出的离散系数，满足隧道超前探测-聚焦电流法对电流的测量要求，同时，在现场实验中遇到了两次传感器失效的情况，系统均成功地进行了自动补偿，证明了旋转半波片和交替电流测量相结合的工作模式能够应对复杂的现场环境，具备实用价值。