地铁杂散电流光纤传感系统线性双折射量化策略研究

摘要

地铁是城市公共交通系统的重要组成部分，但其运营过程中泄漏的杂散电流会对埋地金属管线造成严重的电化学腐蚀。因此，杂散电流腐蚀监测是地铁运营时必须考虑的问题。目前地铁系统采用基于参比电极的杂散电流腐蚀监测方法，但该方法的长期测量精度不高。基于此，本文提出地铁杂散电流光纤传感系统来实现杂散电流的直接监测，并开展传感光纤线性双折射量化策略研究，为线性双折射误差的抑制和补偿提供依据，保证地铁杂散电流光纤传感系统在实际应用中的精度。主要研究了以下内容： 首先，分析了杂散电流产生原因，利用电阻网络模型方法建立了“走行轨-埋地金属管线-大地”结构杂散电流数学模型，由此仿真研究了杂散电流动态特性；研究了基于参比电极的杂散电流腐蚀监测方法及存在问题；针对该问题，提出了基于光纤传感的杂散电流腐蚀监测方法，并从可测电流类型、测量精度、测量带宽、测量范围等多个方面分析证明了该方法具备杂散电流腐蚀监测的可行性。 其次，提出了基于偏振调制式的地铁杂散电流光纤传感系统，利用琼斯矢量法建立了传感系统的数学模型；在此基础上，仿真研究了光源输出光偏振度、起偏器消光比、光学元件对轴偏差角、偏振控制器调制偏差角和传感光纤线性双折射对系统输出的影响，并提出了各误差的控制方法；搭建了地铁杂散电流光纤传感系统实验平台，对其主要性能进行测试，实验结果为：传感系统精度≤0.4%，灵敏度为7.26×10-5rad/A，线性度为0.33%，重复性误差为0.86%。 然后，根据线性双折射的分类，研究了不同类型线性双折射的理论计算方法；提出了基于偏振片旋转法的光纤线性双折射测量系统，并利用琼斯矢量法建立了测量系统的数学模型；通过旋转双偏振片消除了待测光纤主轴位置对测量结果的影响，同时利用不同电流对应的输出方程构建了方程组，提出了基于粒子群优化算法和多起始点优化算法的全局优化算法对方程组进行求解；对比分析了四种国际公认的线性双折射测量方法的优缺点，以此为依据，选择邦加球法来验证本文提出的线性双折射测量方法的正确性。 最后，开展了线性双折射测量系统的测试实验，分别利用偏振片旋转法和邦加球法测量了四种光纤环的线性双折射，以邦加球法的测量结果作为参考值，并对比了两者的测量结果，验证了本文提出的线性双折射测量方法的正确性。

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