地鐵雜散電流光纖傳感理論及方法研究.pdf

1、地鐵系統(tǒng)立足于城市客運交通，能夠有效緩解城市交通矛盾，保障其安全穩(wěn)定地運營對城市居民的日常出行乃至城市經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展都具有重要意義。地鐵埋地金屬管線已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)存在著嚴(yán)重的雜散電流腐蝕，其腐蝕危險性的常規(guī)評估方法具有長期準(zhǔn)確度不高的問題。為此，本文以地鐵埋地金屬管線雜散電流為研究對象，開展用于雜散電流測量的光纖傳感理論及方法研究。
　　分析地鐵埋地金屬管線雜散電流的形成原因、腐蝕機(jī)理及腐蝕特征，在此基礎(chǔ)上，研究基于埋地金屬管線極化電

2、位偏移值測量的雜散電流腐蝕危險性常規(guī)評估方法，從參比電極的固有屬性和測量原理等角度，揭示這種常規(guī)評估方法長期準(zhǔn)確度不高的根本原因，進(jìn)一步研究測量埋地金屬管線雜散電流以評估其腐蝕危險性的可行性，從埋地金屬管線雜散電流的分布量值及動態(tài)特征兩個方面證明光纖電流傳感技術(shù)為其適用的直接測量方法。
　　根據(jù)法拉第旋光效應(yīng)、偏振光波理論和瓊斯矩陣分析方法，構(gòu)建埋地金屬管線雜散電流光纖傳感測量系統(tǒng)及其光路模型，提出基于S-D測量法的系統(tǒng)輸出信號解

3、算方法，以外差測量法作為參照，研究S-D測量法在系統(tǒng)靈敏度提升和保偏光纖起偏器消光比誤差抑制等方面的作用，進(jìn)一步研究偏振器件對軸誤差對系統(tǒng)輸出的作用規(guī)律，提出基于偏振控制器調(diào)制的對軸誤差消除方法，仿真結(jié)果證明了這種消除方法的可行性，完成了實際測量系統(tǒng)的搭建并進(jìn)行靈敏度測試，結(jié)果表明，測量系統(tǒng)的靈敏度約為0.0261/A，結(jié)合零點位置的測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)偏振控制器的調(diào)制誤差在采用S-D測量法的測量系統(tǒng)中可以忽略。
　　根據(jù)光彈效應(yīng)理論和

4、彈性力學(xué)理論，研究變溫環(huán)境下敏感光路溫度致線性雙折射的計算方法，提出一種基于法拉第旋轉(zhuǎn)器的幾何線性雙折射測試方法，在此基礎(chǔ)上，建立測量系統(tǒng)輸出誤差模型，研究敏感光路線性雙折射及其圓雙折射對測量系統(tǒng)輸出誤差的作用機(jī)理，進(jìn)一步提出基于圓柱螺旋光纖的圓雙折射引入方法，根據(jù)幾何旋光效應(yīng)建立敏感光路圓雙折射與圓柱螺旋光纖特征參數(shù)的映射關(guān)系，以測量系統(tǒng)輸出誤差最小為具體目標(biāo)，確定圓柱螺旋光纖的特征參數(shù)值并闡述圓柱螺旋光纖的制作方法，開展敏感光路的變

5、溫試驗，結(jié)果表明，基于圓柱螺旋光纖引入的圓雙折射能夠有效地抑制變溫環(huán)境產(chǎn)生的線性雙折射誤差。
　　比較研究不同子集分割方式下測量系統(tǒng)隨機(jī)噪聲 Allan方差的計算精度及效率，確定測量系統(tǒng)隨機(jī)噪聲Allan方差的計算方法，進(jìn)一步研究測量系統(tǒng)隨機(jī)噪聲Allan方差與其功率譜密度的定量關(guān)系，據(jù)此揭示測量系統(tǒng)隨機(jī)噪聲的統(tǒng)計特性，分析 Allan方差理論的傳統(tǒng)辨識方法（最小二乘法）在測量系統(tǒng)隨機(jī)噪聲辨識中存在的不足，在此基礎(chǔ)上，提出基于遺傳

6、算法的隨機(jī)噪聲辨識新方法，以最小二乘法作為參照，研究遺傳算法對不同隨機(jī)噪聲序列的辨識精度，最終將其應(yīng)用于測量系統(tǒng)隨機(jī)噪聲的辨識研究。
　　開展測量系統(tǒng)的性能參數(shù)測試，結(jié)果表明：重復(fù)性誤差約為0.367％，對于4A和8A的測試電流，測量精度≤0.4%，對于12A的測試電流，測量精度≤0.35%，對于16A和20A的測試電流，測量精度≤0.3%，隨著SLD光源功率的衰減，測量系統(tǒng)隨機(jī)誤差對系統(tǒng)性能的作用將會凸顯，由此導(dǎo)致的輸出光波中心