基于旋轉(zhuǎn)半波片和交替電流測量的隧道超前探測光纖電流傳感器靈敏度漂移補(bǔ)償方法

高昕星，趙 斌

(華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074)

0 引言

隧道超前探測中的聚焦電流法[1]以全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)(tunnel boring machine,TBM)的刀盤和護(hù)盾為電極，向地質(zhì)體內(nèi)通探測電流和保護(hù)電流，通過在掘進(jìn)過程中實時監(jiān)測探測電流的變化，預(yù)報可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害。由于TBM體積巨大結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常規(guī)手段難以測出從刀盤流出的探測電流的大小，因此使用光纖電流傳感器作為測量設(shè)備，傳感光纖環(huán)被安裝在TBM刀盤后方，套住整個主驅(qū)動軸承，經(jīng)過主驅(qū)動軸承，流向刀盤的探測電流穿過光纖環(huán)，產(chǎn)生的磁場影響光纖環(huán)中偏振光的偏振態(tài)，采集并分析偏振態(tài)的變化量即可反解探測電流的大小[2-3]。

光纖環(huán)是一種環(huán)境敏感部件，受振動和溫度變化誘發(fā)的線性雙折射變化的影響，隧道超前探測光纖電流傳感器(簡稱傳感器)的靈敏度會產(chǎn)生漂移[4]，而對漂移的抑制和補(bǔ)償方法一直是國內(nèi)外研究的重點和難點，H. S. Kang通過彎曲傳感光纖誘導(dǎo)雙折射以抑制靈敏度漂移[5]，但這種方法會在光纖中額外產(chǎn)生雙折射，降低了部分靈敏度。2002年，K. Bohnert提出將傳感光纖封裝在氮氣室內(nèi)隔離外界溫度變化[6]，這種方法能夠在較寬的溫度區(qū)間內(nèi)維持穩(wěn)定，但當(dāng)光纖環(huán)半徑增至數(shù)m后密封氣室的制造難度和成本顯著增加，可靠性降低。2015年，C. D. Perciante等將光纖環(huán)繞制成一個精心設(shè)計的空間結(jié)構(gòu)使得光纖中的線性雙折射相互抵消，以降低振動的影響[7]，但維持這種特定結(jié)構(gòu)需要額外的胚體進(jìn)行固定。

為補(bǔ)償在長期測量中傳感器靈敏度漂移對所造成的誤差，本文提出了基于旋轉(zhuǎn)半波片和交替電流測量的傳感器靈敏度漂移補(bǔ)償方法。交替電流測量就是傳感器在較短時間內(nèi)分別單獨測量探測電流和保護(hù)電流，所對應(yīng)的傳感器輸出電壓之商即為兩個待測電流大小的比值，由于電源的總輸出電流為已知恒流，即可算出兩個待測電流的大小，從而消除了傳感器靈敏度變化的影響；當(dāng)傳感器靈敏度過低以致影響交替電流測量時，可啟動光路中的旋轉(zhuǎn)半波片產(chǎn)生特定大小的雙折射，避開線性雙折射所產(chǎn)生的一系列周期性失效點，將傳感器的靈敏度提高到一定閾值以上，從而使交替測量能夠繼續(xù)有效進(jìn)行。兩種手段相結(jié)合，現(xiàn)場實驗表明，本方法能夠補(bǔ)償長時間測量中傳感器靈敏度的漂移影響，滿足隧道超前探測中聚焦電流法對電流的測量要求。

1 原理及方法

1.1 光纖電流傳感器

隧道超前探測中的聚焦電流法原理如圖1所示，電源U分別以TBM的刀盤和護(hù)盾為電極向地質(zhì)體內(nèi)通入探測電流Id和保護(hù)電流Ig，當(dāng)前方地質(zhì)類型發(fā)生變化時Id隨之變化(如高阻異常體的接近將導(dǎo)致地質(zhì)體視電阻的升高，Id變?nèi)?，通過測量Id的大小，可以預(yù)報即將發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害。由于TBM的刀盤和護(hù)盾通過主驅(qū)動軸承連接，二者之間電阻極小(對于刀盤直徑4 m的TBM，測得刀盤與護(hù)盾間電阻為0.3 μΩ)，Id與Ig失去隔離并相互竄流，使得用電源在刀盤電極上的輸出電流代替Id進(jìn)行計算將會出現(xiàn)較大誤差，為解決精確測量探測電流Id的難題，設(shè)計了光纖電流傳感器，它的傳感環(huán)安裝在主驅(qū)動軸承與刀盤之間，穿過傳感環(huán)的電流將全部流向刀盤充當(dāng)Id，即光纖傳感測得的電流就是Id，從而在原理上解決了流經(jīng)主驅(qū)動軸承上電流竄流的影響，測量結(jié)果更加精確。

圖1 聚焦電流法原理圖

由于聚焦電流法中使用的電流相對較小，僅為幾A ，為大電流電網(wǎng)測量設(shè)計的sagnac干涉型光纖電流傳感器的最小分辨能力有限[8]，設(shè)計了反射式偏振檢測型光纖電流傳感器，其光路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 反射式偏振檢測型光纖電流傳感器光路結(jié)構(gòu)

圖2中光源產(chǎn)生一束線偏振光，經(jīng)起偏器增強(qiáng)消光比后注入保偏環(huán)形器的1入口并從2出口射出，通過電控旋轉(zhuǎn)半波片，在傳感光纖環(huán)中受到待測電流磁致旋光效應(yīng)的影響，偏振方向發(fā)生改變，等效于在另一個正交的偏振模上產(chǎn)生一個較小的分量，被法拉第反射鏡反射后兩個偏振模方向互換，在傳感光纖環(huán)中二次受到待測電流的影響，正交偏振模上的較小分量加倍，返回保偏環(huán)形器從3出口射出，經(jīng)檢偏器進(jìn)入光電探測器，轉(zhuǎn)化為電信號濾波放大后輸出。在這種反射式偏振檢測型的結(jié)構(gòu)中，若光纖環(huán)中無待測電流，則無偏振分量進(jìn)入光電探測器，傳感器無輸出電壓。傳感器輸出電壓與光纖環(huán)中的法拉第磁光旋轉(zhuǎn)角，即進(jìn)入光電探測器的光強(qiáng)成正比。整個系統(tǒng)對應(yīng)的傳感器瓊斯矩陣模型如下：

光源、起偏器/檢偏器、保偏環(huán)形器的瓊斯矩陣S0、S1、S2分別為(此三種器件的尾纖均為保偏光纖，而保偏光纖的瓊斯矩陣為單位矩陣，故予以省略)

(1)

若半波片的主軸與保偏環(huán)形器慢軸之間的夾角為α，且α的默認(rèn)值為0，其瓊斯矩陣為

(2)

偏振光在入射時所光纖環(huán)的瓊斯矩陣為[9]

(3)

B、D分別為光纖環(huán)中的線性雙折射和圓雙折射，F(xiàn)為偏振光在光纖中受待測電流I影響產(chǎn)生的法拉第旋角，若光纖環(huán)圈數(shù)為N，光纖的Verdet常數(shù)為V，則F與I的關(guān)系為

F=NVI

(4)

法拉第反射鏡的瓊斯矩陣為

(5)

經(jīng)反射鏡反射，偏振光在反向通過光纖環(huán)時，光纖環(huán)的瓊斯矩陣為[6]

(6)

因此，進(jìn)入光電探測器的光強(qiáng)為各組件瓊斯矩陣倒序連乘的模量

J=Abs(S1S2S3SOUTSFMSINS3S2S1S0)

(7)

J是以B、D、I、α為變量的超越函數(shù)，若光電探測器的光電轉(zhuǎn)換效率和放大器的放大倍數(shù)合成增益系數(shù)為G，則傳感器輸出電壓U與傳感器對電流靈敏度S(簡稱靈敏度)關(guān)系為

U=G·J(B，D，I，α)=S·I

(8)

在實驗室中對設(shè)計的傳感器進(jìn)行了測試，測試環(huán)境20～35 ℃，傳感光纖環(huán)使用G652D-E型單模光纖繞制，纖芯直徑300 μm，圈數(shù)為100圈，光源使用超輻射發(fā)光二極管，型號為SLD1018P，產(chǎn)生30 mW的慢軸線偏振光，中心波長1 310 nm。測試電流頻率為10 Hz，從0A增加至10.5 A，記錄不同環(huán)境下的傳感器的輸出電壓，結(jié)果如圖3所示，在單次測量中傳感器呈現(xiàn)較好的線性度，UH、UM、UL的擬合度R2為0.999 95、0.999 86和0.978 70。但在外界環(huán)境的影響下，重復(fù)測量的S呈現(xiàn)較大范圍的波動，如傳感器在最佳狀態(tài)時的UH所對應(yīng)的靈敏度為0.562 7 V/A，最差情況下UL所對應(yīng)的靈敏度僅為0.020 2 V/A，不足最佳狀態(tài)的4%。

圖3 光纖電流傳感器的實驗室測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，傳感器能夠在較短時間(UH的測量時間為5 min)內(nèi)保持相對穩(wěn)定，如UHUMUL的擬合曲線都未受靈敏度漂移的影響，保持了較好的線性度，但傳感器的魯棒性較差，外界環(huán)境的擾動和光纖環(huán)的狀態(tài)都會導(dǎo)致靈敏度的漂移，這種漂移隨時間的增長逐漸累積，不僅多次測量結(jié)果無法保持穩(wěn)定，而且靈敏度可能降到極低，傳感器近似失效。

1.2 基于旋轉(zhuǎn)半波片的靈敏度降低調(diào)節(jié)提升方法

理論分析表明，傳感器的失效是由于光纖環(huán)中不斷改變的線性雙折射B剛好滿足某特定條件所導(dǎo)致的，根據(jù)式(9)有

(9)

J=0

(10)

因在實際中k2π2?F2，故J近似以B=2kπ為周期重復(fù)歸零，曲線呈現(xiàn)一種波浪形，仿真曲線如圖4所示。在實際中，外界的沖擊和側(cè)壓都會導(dǎo)致線性雙折射B的變化，使得靈敏度無法穩(wěn)定，且有可能落入零點，造成傳感器的失效。圖4中曲線還表明，當(dāng)光纖內(nèi)的圓雙折射D不為零時，曲線的位置會有變動，但波浪形狀和失效點的性質(zhì)是不變的。

圖4 靈敏度隨雙折射的變化曲線圖

根據(jù)對瓊斯矩陣模型的分析，可以證明在光路中插入一個半波片，通過DA轉(zhuǎn)換器控制旋轉(zhuǎn)該半波片的主光軸方向角α，能夠在光路中產(chǎn)生一個特定大小的雙折射，提高傳感器在失效點時的靈敏度。根據(jù)式(7)有：

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

圖5 旋轉(zhuǎn)半波片獲得的最大靈敏度集合曲線與原靈敏度曲線對比圖

顯然除了零點外，Jmax>J。當(dāng)I=10 A，D=π/3 rad時，Jmax和J關(guān)于B的仿真曲線如圖5所示。由圖5可見，Jmax曲線總在J上方，且當(dāng)J落入失效點時，Jmax不為零。表明當(dāng)B滿足失效條件時，仍能通過旋轉(zhuǎn)半波片使靈敏度達(dá)到Jmax，提高傳感器的靈敏度。例如，當(dāng)B=6π時，J落入失效點，傳感器無輸出，此時通過旋轉(zhuǎn)半波片，改變α，能夠增強(qiáng)系統(tǒng)輸出至Jmax，J在B為6π時隨α變化曲線如圖6所示。故旋轉(zhuǎn)光路中的半波片能夠解決靈敏度落入失效點的問題。

1.3 基于交替電流測量的靈敏度漂移補(bǔ)償方法

旋轉(zhuǎn)半波片可以提升靈敏度，但這種調(diào)節(jié)并不需頻繁進(jìn)行，僅在靈敏度降低到某一閾值以下時才有必要，而在兩次調(diào)節(jié)之間，靈敏度仍然在緩慢漂移，為此我們設(shè)計了基于交替電流測量的靈敏度緩慢漂移補(bǔ)償方案，交替電流法具體實施方法如圖7所示。

在開始時刻，繼電器位于1位置，恒流源I以刀盤為施加點向地質(zhì)體內(nèi)輸送電流，一部分電流直接流向前方為探測電流Id，另一部分電流經(jīng)主驅(qū)動軸承反向穿過光纖環(huán)，以護(hù)盾為電極流向側(cè)方充當(dāng)保護(hù)電流Ig，假設(shè)此時傳感器靈敏度為St，對應(yīng)傳感器輸出電壓Ug為

Ug=StIg

(17)

5 s后繼電器切換到2位置，以護(hù)盾為施加點，一部分電流由護(hù)盾流向側(cè)方為Ig，另一部分電流經(jīng)主驅(qū)動軸承正向穿過光纖環(huán)到達(dá)刀盤，為Id，由于切換時間較短，可認(rèn)為靈敏度尚未發(fā)生較大變化，仍近似為St，此時傳感器輸出電壓Ud為

Ud=StId

(18)

定義Id與Ig的比值為K

(19)

可見其等同于Ud比Ug。又有恒流關(guān)系：

I=Id+Ig

(20)

聯(lián)立式(19)與式(20)，t時刻下的Id與Ig可被表達(dá)出來。

交替電流測量的實現(xiàn)需要在較短時間內(nèi)傳感器靈敏度保持相對穩(wěn)定，這種短時間內(nèi)的穩(wěn)定狀態(tài)已由上文中的傳感器測試實驗中得到驗證。由于運(yùn)用了比例運(yùn)算，靈敏度在計算中被約去，因此，交替電流測量法消除了靈敏度緩慢漂移對測量精度的影響。

2 實驗與分析

2.1 實驗室實驗

在實驗室中，對旋轉(zhuǎn)半波片提升傳感器在失效點時的靈敏度進(jìn)行了實驗驗證。將光纖纏繞在直徑為140 mm的環(huán)形塑料薄板上，使用光纖環(huán)擠壓器的兩個長螺栓連續(xù)推動擠壓板擠壓光纖環(huán)，光纖環(huán)的連續(xù)徑向形變將誘發(fā)內(nèi)部線性雙折射B的連續(xù)變化，實驗裝置如圖8所示。

在實驗中，測試電流保持為10 A，10 Hz，擠壓器的推進(jìn)距離從0 mm開始，以1 mm的步長擠壓光纖環(huán)，在每一步中，傳感器中的半波片都進(jìn)行了一次0～π的旋轉(zhuǎn)，得到當(dāng)前步數(shù)下傳感器輸出電壓U與半波片轉(zhuǎn)角的對應(yīng)曲線，記錄U的極大值Umax，最后復(fù)位α至0，推進(jìn)擠壓器到下一個位置，重復(fù)這個測量過程直到推進(jìn)到55 mm為止，對應(yīng)無半波片下傳感器輸出電壓U和使用半波片獲得的Umax的集合曲線如圖9所示。

圖9 光纖環(huán)擠壓器的位置與傳感器輸出曲線

將圖9與仿真曲線圖4、圖5相對比可以得到如下結(jié)論：

(1)與圖4一致，擠壓器產(chǎn)生的應(yīng)力誘導(dǎo)雙折射B影響傳感器的輸出電壓U，使得它的曲線呈現(xiàn)出波浪形，并出現(xiàn)周期性趨零的失效點。

圖10 半波片轉(zhuǎn)角與傳感器輸出曲線

2.2 現(xiàn)場實驗

現(xiàn)場實驗位于隸屬鄂北地區(qū)水資源配套工程的南段寶林隧洞，使用直徑4 m的TBM“寶林號”施工，也是本次現(xiàn)場實驗的載體。地質(zhì)超前探測光纖電流傳感器的傳感光纖環(huán)纏繞完畢后，在TBM運(yùn)抵現(xiàn)場進(jìn)行組裝時完成安裝，光纖環(huán)的繞制和安裝分別如圖11(a)(b)所示，光纖環(huán)被放置于厚橡膠軟管中進(jìn)行保護(hù)，厚橡膠軟管套在TBM刀盤后方的主驅(qū)動軸承外邊緣，確保由護(hù)盾流向刀盤的電流全部穿過光纖環(huán)，光纖環(huán)的尾纖同樣穿過厚橡膠管，引至TBM的主控室。探測電源輸出固定為10 A，10 Hz的正弦波，通過繼電器切換交替施加在TBM的刀盤和護(hù)盾上，原理圖與圖9一致。施加在刀盤上的探測電流線被連接在刀盤內(nèi)部的回轉(zhuǎn)接頭上，保證刀盤工作旋轉(zhuǎn)時探測電纜不會被扭斷，保護(hù)電流線被焊接在護(hù)盾內(nèi)側(cè)，分別如圖11(c)、(d)所示。探測電源的地端安裝在位于TBM后方300 m遠(yuǎn)的打入巖層中的錨桿上。

圖11 現(xiàn)場實驗設(shè)備的安裝和主要電極連接點

為測量傳感器靈敏度隨時間的漂移，需要在一段時間內(nèi)Id和Ig保持相對不變，因此測試時間均選擇在每日的7:00～12:00之間，此時的TBM進(jìn)行每日例行維護(hù)不再掘進(jìn)，地質(zhì)體無變化，理論上Id和Ig保持恒定，K值不變，以便計算傳感器的漂移。在測量中，繼電器以0.2 Hz的頻率切換待測電流，截取其中一段50 s長的實驗數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖12所示。其中，以10 s為一個測量周期，每個測量周期的K值是當(dāng)前測量周期下Ud與Ug之商。

在TBM停機(jī)檢修時，進(jìn)行了一段持續(xù)4 h的交替電流測量，傳感器輸出電壓曲線如圖13所示。

圖12 50 s內(nèi)的傳感器輸出電壓與K值

圖13 4 h中傳感器輸出電壓與K值

由圖13可知，在長時間的測量中，即使待測電流保持不變，傳感器的輸出電壓依然出現(xiàn)較大漂移。在測量開始前的設(shè)備調(diào)試中，設(shè)定Ud低于0.2 V同時Ug低于0.8 V時為傳感器臨近失效，在圖12中于115 min和237 min中兩次接近失效點，傳感器啟動了波片成功地恢復(fù)了系統(tǒng)靈敏度。

盡管傳感器輸出電壓無法在長時間的測量中維持穩(wěn)定，Ud與Ug的離散系數(shù)分別達(dá)到了31.80%和31.84%，靈敏度呈現(xiàn)出極大的漂移，但采用交替電流測量的算出的比例系數(shù)K的離散系數(shù)僅為1.39%。證明交替電流法能夠抵消傳感器靈敏度漂移對測量的不利影響。

3 結(jié)束語

在隧道超前探測聚焦電流法使用光纖電流傳感器對探測電流的測量過程中，由于環(huán)境的變化導(dǎo)致傳感器靈敏度隨時間產(chǎn)生較大漂移，且有可能落入失效點阻礙測量的進(jìn)行，為提高傳感器在失效點時的靈敏度，在光路中加入了半波片，通過控制半波片旋轉(zhuǎn)，能夠產(chǎn)生特定大小的雙折射提高傳感器在失效點時的靈敏度，并在理論分析和實驗中得到了驗證，實驗得到的數(shù)值曲線與仿真曲線相吻合，當(dāng)外界環(huán)境變化導(dǎo)致傳感器二次落入失效點時，半波片都能提高傳感器在失效點的靈敏度，保障了測量的正常進(jìn)行。針對靈敏度漂移的問題，設(shè)計了交替電流測量的方案，通過比例運(yùn)算的方法排除了傳感器靈敏度緩慢漂移的影響，在現(xiàn)場實驗中，交替電流測量算得的比例系數(shù)K的離散系數(shù)遠(yuǎn)小于傳感器原始輸出的離散系數(shù)，滿足隧道超前探測-聚焦電流法對電流的測量要求，同時，在現(xiàn)場實驗中遇到了兩次傳感器失效的情況，系統(tǒng)均成功地進(jìn)行了自動補(bǔ)償，證明了旋轉(zhuǎn)半波片和交替電流測量相結(jié)合的工作模式能夠應(yīng)對復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境，具備實用價值。