CN103487129B - 点接触式光纤超声波传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于光纤光栅技术的点接触式超声波传感器。该传感器包括核心部分和封装外壳。所述核心部分由光纤超声波敏感元件构成；所述封装外壳为电绝缘外壳；所述光纤超声波敏感元件封装在所述电绝缘外壳内，构成单体式传感器。该传感器具有体积小，无任何金属部件，对被测点表面的平整度要求不高，可实现点接触测量，特别适合于对高电压传输变压器、气体绝缘开关柜（GIS）等高电压设备内，局部放电所产生的高频超声波信号的检测，是一种新型的光纤超声波传感器。

Description

点接触式光纤超声波传感器

技术领域

本发明属于测量领域，尤其涉及一种对固体表层传播的高频超声波振动检测的点接触光纤超声波传感器。

技术背景

在工业领域，长期以来主要依靠传统的、基于压电效应的压电陶瓷超声波传感器对金属等固体物体内或其表层传播的超声波信号进行测量。但压电陶瓷超声波传感器对固体表面接触部分的平整度要求很高，对于一些不规则表面，如弧形表面则不能直接使用。另一方面，为了得到高的检测灵敏度，需要保持传感器表面与固体表面的良好接触。使用时常常需要在两接触面之间涂敷声波耦合介质，如硅脂等耦合液，以减小声场界面耦合损失。这导致操作手续繁琐。

另一方面，在高电压设备场合，如高压电力传输变压器，往往不容许外部金属导体部件导入其中，以防止高压电产生爬电现象。压电陶瓷类型的超声波传感器属于电传感器，探头与测量装置需通过电气线路相连接，因此在高电压设备场合，严格限制了压电陶瓷类型的超声波传感器的使用。

在电力行业，在如高压电力传输变压器，气体绝缘开关柜（GIS）等高电压设备内，由于局部放电的产生，往往容易导致设备的毁坏或火灾的发生。因此对这些高压设备内部的局部放电的实时监测是一项维护设备安全，防止灾难发生的重要工作。对于电力设备内部的局部放电进行测量的主要方法之一，是对由局部放电所产生出的微弱高频超声压力波信号进行测量。由局部放电所产生的微弱高频超声波信号其频率分布大致在20kHz到300kHz之间，因此要求传感器应同时具备有良好的高频响应特性以及对微弱振动的反应灵敏度。

随着光纤制造、测量技术的不断完善，人们对光纤传感方面的研究变得更加深入和广泛。目前以光纤、光纤光栅为基础的光纤传感器的研究，正成为光纤传感器研究领域的一大热点。同传统的电传感器相比，光纤传感器所具有明显的技术优势在于：

1.作为传感元件，光纤的主要成分为二氧化硅（SiO₂），为不导电材料，因此不会产生高压电爬电现象；

2.光纤传感器采用的是全光测量，能够实现远距离的测量，并易于级联实现准分布式传感网络；

3.具有小的尺寸和低的制造成本。能嵌入或埋入到各类材料之中进行实时、安全监测。

由于这些技术优势，使得光纤传感器的应用范围非常之广，在电力工业，桥梁、建筑、海洋石油勘探、油井及航空、大坝等工程等方面，实现对结构，材料的健康状态无源、实时监测。

利用光干涉技术、光纤光栅技术等构成的光纤超声波传感器是最新发展起来的。在众多类型的光纤传感器之中，该类型的传感器具有结构简单，尺寸小，对外界扰动非常敏感等优点。但目前所研究开发出来的光纤超声波传感器，由于光纤细长结构的限制，对高频超声波的响应特性并不太理想。目前大多数超声波传感器的最高响应频率仅仅停留在几十kHz到百kHz之间，难于覆盖由局部放电所产生的高频超声波的频谱范围。另一方面，目前大多数类型光纤超声波传感器还属于面接触型，因此对所接触固体表面的平整度还有一定的要求。常常由于表面耦合状态不理想，以及时常变化导致传感器灵敏度大大降低，并且给测量过程带来许多不确定的因素。

利用基于光纤光栅技术的光纤F-P传感器，采用预拉力结构使光纤F-P谐振腔体绷直，以改善光纤F-P谐振腔体对高频振动的响应特性，并通过面垂直、点接触方式将超声波在固体表层面内传播时所产生的微小振动直接传递给光纤F-P谐振腔，以减小振动能量的传递损失，实现宽频带、高灵敏、全光纤超声波传感器，是针对目前传统的压电陶瓷类型的超声波传感器以及其他类型光纤超声波传感器存在的各类问题的解决方案之一。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术存在的缺陷，提供一种基于光纤光栅技术的点接触式光纤超声波传感器，减小振动能量的传递损失，实现宽频带、高灵敏、全光纤超声波传感。

为达到上述目的，本发明的构思是：

在一根单模光纤上写入一个低反射率的光栅，相隔一定长度后再写入相同波长、相同反射率的光栅，在光纤内部形成一对光栅波长反射镜，由此构成一个双光栅光纤F-P谐振腔。同样，在光纤F-P谐振腔的光纤外层涂敷高分子的聚酰亚胺树脂薄膜，以加强光纤F-P谐振腔的拉伸强度和硬度，改善其对高频振动的响应特性。

在光纤头部，接近光纤F-P谐振腔处，将光纤插入到一个作为传感触头的陶瓷插芯内并胶合在一起，以此构成一个光纤超声波敏感元件。

将光纤超声波敏感元件，封装到一根电绝缘外壳内，并在封装外壳上端，光纤出口处采用环氧树脂将光纤与外壳粘合住，并在陶瓷插芯上部与封装外壳内的内孔之间，安装一根微型塑料弹簧。通过塑料弹簧的弹力，对封装外壳内部的光纤形成一个预拉力，使光纤始终保持伸直绷紧状态，并使陶瓷插芯稍微露出绝缘外壳以方便与固体表面相接触，由此构成一种点接触式光纤超声波传感器。

在具体超声波传感应用中，点接触类型光纤超声波传感器通过连接光纤与激光振动测量仪相连接，可以构成光纤超声波测量系统。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种点接触式光纤超声波传感器，包括核心部分和封装外壳，其特征在于：所述核心部分由光纤超声波敏感元件构成；所述封装外壳为电绝缘外壳；所述光纤超声波敏感元件封装在所述电绝缘外壳内，构成单体式传感器。

所述光纤超声波敏感元件由一根表面涂覆聚酰亚胺树脂薄膜的单模光纤上有两个间隔的光纤光栅形成的光纤F-P谐振腔和一个与单模光纤头部胶合在一起的陶瓷插芯构成。

所述的点接触式光纤超声波传感器，所述光纤传感器敏感元件封装在电绝缘外壳内的封装结构预先对光纤F-P谐振腔施加有效的应力，使传感器具备对高频超声波传感功能。

所述陶瓷插芯内端面有一个塑料弹簧支承，该塑料弹簧处于压缩状态安装在封装外壳的内孔之中，预先对光纤F-P谐振腔施加有效的应力。

本发明的点接触式光纤超声波传感器，最好与固体表面垂直接触，以获得最大传感灵敏度。

本发明的点接触式光纤超声波传感器，需通过单模光纤与激光振动测量仪相连接。这里，从激光振动测量仪的光输入/输出端口送出的传感光，并通过连接单模光纤入射到本发明的点接触类型光纤超声波传感器中。

从本发明的点接触式光纤超声波传感器的光纤F-P谐振腔中的第一个光纤光栅反射回来的传感光，与从第二个光纤光栅反射回来的传感光，通过连接单模光纤返回到激光振动测量仪的光输入/输出端口，并在该激光振动测量仪的受光部形成光干涉信号，转换成电信号后，由激光振动测量仪中的信号处理模块完成超声波信号的测量。

使用本发明的点接触式光纤超声波传感器进行超声波测量的工作原理，具体描述如下：将光纤超声波传感器的陶瓷插芯垂直接触被测固体表面。通过陶瓷插芯将由超声波所引起的固体表层面的机械振动，直接传递给传感器内部的光纤F-P谐振腔，导致施加在光纤F-P谐振腔的纵向应力发生与固体表层面的振动相一致的变化。这种时变的应力最终导致F-P谐振腔体的光学参数发生改变，使光干涉信号强度发生变化。超声波强度越强，光纤F-P谐振腔体上的应力变化幅度就越大，因此光干涉信号强度也就越强。由于预拉力作用使光纤F-P谐振腔体始终处于一种绷紧状态，其结果提升了传感器对高频段超声波信号的响应能力。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：

在本发明的点接触式光纤超声波传感器和激光振动测量仪的频率响应范围内，所检测到的干涉信号能很好地反映出被测超声波声场的瞬时变化，如强度、相位和频率变化。

本发明的点接触式光纤超声波传感器可以作为一种轻便式超声波传感器，对被测固体内传播的超声波源实现无电源、远程、实时的监测。

附图说明

图1(a)为本发明有关的点接触式光纤超声波敏感元件的长度方向的剖视图。

图1(b)为本发明的点接触式光纤超声波传感器封装后的长度方向的剖视图。

图2(a)为本发明实施例有关的点接触式光纤超声波测量系统的示意图。

图2(b)为本发明实施例有关的点接触式光纤超声波测量实验平台的示意图。

图2(c)为本发明实施例有关的点接触式光纤超声波局部放电测量实验平台的示意图。

图3(a)为压电陶瓷超声波发生器在150kHz正弦信号驱动时，传感器输出信号的时间波形图。

图3(b)为压电陶瓷超声波发生器在150kHz正弦信号驱动时，传感器输出信号的频谱分布图。

图4(a)为压电陶瓷超声波发生器在300kHz正弦信号驱动时，传感器输出信号的时间波形图。

图4(b)为压电陶瓷超声波发生器在300kHz正弦信号驱动时，传感器输出信号的频谱分布图。

图5为局部放电的测量，当电荷量为45PC时，传感器输出信号的时间波形图。

图1(a)中，1-单模光纤，2,2a,2b-光纤光栅，3-聚酰亚胺树脂涂层，4-陶瓷插芯。

图1(b)中，5-粘合胶，6-塑料弹簧，7-传感器封装外壳。

图2(a)和图2(b)中，8-激光振动测量仪，9-连接单模光纤，10-光纤超声波传感器，11-连接电缆，12-数字示波器，13-金属平板，14-压电陶瓷超声波发生器，15-超声波驱动器。

图2(c)中，16-局部放电试验装置，17-高压控制器，18-高压引线，19-固定支架。

具体实施方式

现结合附图及优选实施例对本发明的细节作进一步地说明。

实施例一：

参见图1和图2，本点接触式光纤超声波传感器，包括核心部分和封装外壳，其特征在于：所述核心部分由光纤超声波敏感元件构成；所述封装外壳为电绝缘外壳；所述光纤超声波敏感元件封装在所述电绝缘外壳内，构成单体式传感器。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处是：

所述光纤超声波敏感元件由一根表面涂覆聚酰亚胺树脂薄膜的单模光纤上有两个间隔的光纤光栅形成的光纤F-P谐振腔和一个与单模光纤头部胶合在一起的陶瓷插芯构成。

所述光纤传感器敏感元件封装在电绝缘外壳内的封装结构预先对光纤F-P谐振腔施加有效的应力，使传感器具备对高频超声波传感功能。

所述陶瓷插芯内端面有一个塑料弹簧支承，该塑料弹簧处于压缩状态安装在封装外壳的内孔之中，预先对光纤F-P谐振腔施加有效的应力。

实施例三：

以下采用图2(a)所示的，与本发明实施例有关的光纤超声波测量系统为例，说明采用本发明的点接触式光纤超声波传感器实现对金属平板表层内传播的超声波信号的测量。

例如，采用图1(a)所示的光纤超声波敏感元件，以及采用图1(b)所示的传感器的封装结构，可构成点接触式光纤超声波传感器10。

例如，采用图1(a)所示的光纤超声波敏感元件，其中，两个光纤光栅2a和2b的中心波长为1552.3nm，线宽为1.8nm，反射率为10%，光纤F-P谐振腔长度L为20mm，表面涂敷单层聚酰亚胺树脂薄膜，陶瓷插芯为光纤连接器材料，外径为2.5mm，长度为10.5mm。

如图1(b)所示，光纤超声波敏感元件放入一个传感器封装外壳7内，例如，绝缘陶瓷管内。采用环氧树脂胶5将光纤超声波敏感元件的光纤一端与封装外壳粘合固定，在此之前光纤上套入一根内径略小于陶瓷插芯4外径的塑料弹簧6，弹簧6处于压缩状态安放在封装外壳7的内孔之中，以此构成点接触式光纤超声波传感器10。

根据本发明实施例有关的光纤超声波测量系统，其中，点接触式光纤超声波传感器10，与一定长度的，例如1km长的连接单模光纤9的一头相连接。连接方式可以采用光纤接头通过适配器相连接的方式，也可以采用通过放电进行熔接的方法，将两根光纤接合起来。连接单模光纤9与光纤超声波敏感元件所用的单模光纤1应为同种类型光纤，例如，同为SMF-28类型的光纤。

连接单模光纤9的另一端为光纤接头，与激光振动测量仪8的光接口相连。激光振动测量仪8的光接口作为传感光的输入/输出端口。通过该端口，激光振动测量仪8发出光波长与点接触式光纤超声波传感器10的中心波长相匹配的传感光，例如1552.3nm波长的传感光，同时能接收来自点接触式光纤超声波传感器10反射回来的传感光。

激光振动测量仪8的输出电信号，通过连接电缆11输入到数字示波器12中，进行信号波形的显示和保存。

为完成该实施例，可以采用图2(b)所示的，为本发明实施例有关的光纤超声波测量实验平台，对实际的超声波声场进行测量。

其中，金属平板13采用了一块面积为30cmx70cm，厚度为2.5mm的平整铝板。金属平板13的一端安置压电陶瓷超声波发生器14。压电陶瓷超声波发生器14与金属平板接触面之间涂覆硅脂以减小声波界面耦合损失。压电陶瓷超声波发生器14通过连接电缆11与超声波驱动器15相连接。在金属平板13的另一端，相距压电陶瓷超声波发生器14的直线距离为50cm的地方垂直放置点接触式光纤超声波传感器10。

超声波驱动器15可以产生出幅度为70分贝，频率分别为30kHz、60kHz、150kHz和300kHz，码率为100pps，重复周期为10ms的脉动式正弦信号来驱动压电陶瓷超声波发生器14产生相对应的超声波信号。

图3(a)为所测得的超声波信号（激光振动测量仪8的输出电信号）的时间波形图。此时超声波频率为150kHz。

图3(b)为所测得的频率为150kHz时的超声波信号的频谱分布图。

图4(a)为所测得的超声波信号（激光振动测量仪8的输出电信号）的时间波形图。此时超声波频率为300kHz。

图4(b)为所测得的频率为300kHz时的超声波信号的频谱分布图。

实施例四：

例如，采用图2(a)所示的，与本发明实施例有关的点接触式光纤超声波测量系统，构成图2(c)所示的点接触式光纤超声波局部放电测量实验平台，实现对局部放电超声波信号的测量。

其中，局部放电试验装置16采用了油浸式电容钢珠放电方式作为局部放电源，通过高压引线18与高压控制器17相连。其中，与本发明实施例有关的点接触式光纤超声波传感器10通过固定支架19垂直固定在局部放电试验装置16的顶部电极平面上。

其中，点接触式光纤超声波传感器10，通过一定长度的连接单模光纤9与激光振动测量仪8的光接口相连。激光振动测量仪8的输出电信号，通过连接电缆11输入到数字示波器12中，进行信号波形的显示和保存。

其中，整个试验按照国家标准GBT7354-2003《局部放电测量》规定的试验程序进行。

图5为视在电荷量为45皮库（pC）时，检测到的局部放电超声波信号的时间波形图。

本发明的点接触式光纤超声波传感器，可以组合到各种结构固件中，或与其他类型的传感器组合构成复合型传感器，对被测超声波声场实现无电源、远程、实时的监测。

其他，在不脱离本发明的要点的范围内，传感器的封装结构与测量系统的设计，能够进行种种变更。

本发明能够应用在各种工业测量领域，特别适合于对高电压传输变压器内，气体绝缘开关柜内局部放电所产生的高频超声波信号的检测，是一种新型的光纤超声波传感器。

Claims (3)

1.一种点接触式光纤超声波传感器，包括核心部分和封装外壳（7），其特征在于：所述核心部分由光纤超声波敏感元件构成；所述封装外壳（7）为电绝缘外壳；所述光纤超声波敏感元件封装在所述电绝缘外壳内，构成单体式传感器；所述光纤超声波敏感元件由一根表面涂覆聚酰亚胺树脂薄膜的单模光纤（1）上有两个间隔的光纤光栅（2a，2b）形成的光纤F-P谐振腔和一个与单模光纤（1）头部胶合在一起的陶瓷插芯（4）构成。

2.根据权利要求1所述的点接触式光纤超声波传感器，其特征在于：所述光纤超声波敏感元件封装在电绝缘外壳内的封装结构预先对光纤F-P谐振腔施加有效的应力，使传感器具备对高频超声波传感功能。

3.根据权利要求1或2所述的点接触式光纤超声波传感器，其特征在于：所述陶瓷插芯（4）内端面有一个塑料弹簧（6）支承，该塑料弹簧（6）处于压缩状态安装在封装外壳（7）的内孔之中，预先对光纤F-P谐振腔施加有效的应力。