CN105222881A - 一种基于外差法的多通道光纤环声发射探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于外差法的多通道光纤环声发射探测系统，属于无损检测领域的声发射探测技术，包括分布反馈式窄带激光器(1)、声光调制器(2)、第一光纤耦合器组(3)、光纤环传感器组(4)、参考光纤环传感器(5)、第二光纤耦合器组(6)、干涉耦合器组(7)、平衡探测器组(8)、混频器组(9)、解调系统(10)。本发明可以在线实时测量变压器的局部放电，解决了大部分传统电学传感器的缺陷。

Description

一种基于外差法的多通道光纤环声发射探测系统

技术领域

本发明技术属于无损检测领域的声发射探测技术，主要涉及了一种基于外差法的光纤环声发射探测系统，用于测量电力变压器的局部放电声发射信号。

背景技术

局部放电，简称为局放，其英文简称为PD(PartialDischarge)；是指在高压设备中，当外加电压在电气设备中产生的场强足以使绝缘部分区域发生放电，但在放电区域内未形成固定放电通道的一种放电现象。一般伴随着局部放电会发出微弱的声信号，称之为声发射信号，通过对声发射信号的检定即可完成对局部放电的判断。

电力系统中的变压器是一种非常重要的电力设备，变压器安全持续不发生故障的运行决定着变电站整体的运行效率。变压器的故障大多数是由于绝缘失效引起的：在足够强的的电场作用下，局部范围内会发生放电。每一次局部放电对绝缘介质都会造成一些影响，如果局部放电较为轻微，则对绝缘介质的影响较小，如果局部放电较为强烈，则会使得绝缘介质的强度迅速下降。故而局部放电就成为了变压器绝缘损坏的一种重要因素。

由于变压器在运行过程中，处于强电磁干扰的的内部环境，这直接导致了基于电运行的设备由于强烈的电磁场干扰无法合理运作，所以传统局部放电方式有以下的几种主要缺陷：(1)因为变压器在运行过程中处于强烈的电磁场中，故而无法在运行时对变压器的各种情况进行测量，这使得实验环境与运行环境不同，所以实验得到的变压器的结果无法最贴近真实的结果。(2)虽然微弱的局部放电会造成绝缘介质缓慢的变化，但是仍然有很多的损坏是由于单次的，强烈的局部放电造成的，基于电的监测方法无法实时的监测，导致无法及时的修复错误。(3)传统的定期的维修和绝缘预防性质的试验需要停电后离线进行试验，这加长了试验时间，加大的多余的工作，频繁的停电也会对其他设备造成不可预知的损害。

目前来看，对声发射信号进行探测的检定方法主要有以下几种：

第一种：利用压电陶瓷的压电效应，对声发射信号进行检测，这种原理的监测方法的优点在于它的灵敏度比较高，发展时间比较长，技术比较成熟，同时也易于组网进行多点的监测，可对声发射源进行定位监测，但由于是电学传感器，所以他不具备抗电磁干扰的能力，只能安装于变压器的外部，所以无法鉴定微弱的声发射信号，限制了它的应用。

第二种：使用光学的F-P腔作为传感器进行测量和使用光纤光栅作为传感器进行测量，这两种测量方式虽然是基于光学的传感器，但是因为其传感原理导致其系统构成成本比较高，不便于组网、构成多通道、多点测量，不易定位声发射源。

发明内容

本发明的目的在于解决现有声发射探测技术的缺陷，提供一种基于外差法的多通道光纤环声发射探测系统，用于电力变压器局部放电检测。并且本发明构成简单，成本比较低，精度以及灵敏度高，可以放在变压器内部进行在役实时和连续监测。局部放电检出率高，灵敏度高，稳定性好，抗电磁干扰能力强，受温度影响小，检测精度高，灵活度强。

本发明采用的一种基于外差法的多通道光纤环声发射探测系统，包括：分布反馈式窄带激光器(1)、声光调制器(2)、第一光纤耦合器组(3)、光纤环传感器组(4)、参考光纤环传感器(5)、第二光纤耦合器组(6)、干涉耦合器组(7)、光电转换组(8)、混频器组(9)、解调系统(10)。；

分布反馈式激光器(1)发出的光首先分为相同的两路，其中一路进入声光调制器(2)使得此路的光频率发生偏移，将偏移后的光送入第一光纤耦合器组(3)将此光路分为相同的N路，然后将输出送入光纤环传感器组(4)，使其感受外部信号，光纤环内传播光的相位；分布反馈式激光器(1)分出的第二路光则进入参考光纤环传感器(5)，并将输出进入第二光纤耦合器组(6)分光，也将此路光分为N路，而后将光纤环传感器组(4)，第二光纤耦合器组(6)的输出送入干涉耦合器组(7)将两组光路进行干涉，干涉后的结果送入光电转换器组(8)进行光电转换，将转换后的电信号送入混频器组(9)进行降频，最后送入解调系统(10)进行解调。

进一步的，系统使用的激光器为DFB分布反馈式激光器(1)，这种激光器为窄带激光器，其带宽非常小，相干性好，运行稳定；运行时的波长、功率稳定性强，并且DFB式的激光器其输出激光为部分偏振光，可以通过在光路中外加其他偏振器件比如三环偏振控制器或光纤起偏器等方式改善干涉结果，使得干涉结果更为稳定，受偏振态变化的影响更小。其中心波发射的光波波长为1550nm的偏振光，所述分布反馈式窄带激光器(1)的分布反馈式激光器(DFB)的中心波发射的光波波长为1550nm的偏振光，带宽小于200kHz，输出功率≥100mW，输出光波长稳定性在+1pm，功率稳定性在+0.01dB。

进一步的，本发明所述的声光调制器不同于市面上大部分的自由空间声光调制器，本发明所述为光纤耦合式声光调制器，此器件将接入可使接入光路产生40MHz的频率偏移，也可选择80MHz或更高的频率偏移，因为产生的频偏越高，则探测系统会对周围的噪声、温度漂移、光路长度差的因素产生较强的过滤能力，但频率的选择不能过高，因为后端的解调设备为数字解调设备，过高的频率无法被设备合理的解调，所以一般选择40M即可获得较好的结果，如果有更高的精度要求，则可选择80M的频移。

进一步的，所述光纤环传感器使用时一般应浸润于绝缘油中，结构为为将传播波长为1550nm的单模光纤绕制成规律的环形并紧密排列，形状类似为空心的圆柱体，光纤所绕层数可根据具体的使用情况而定；光纤环内径不得小于30mm，光纤总长度大于60M，可视使用精度要求延长光纤长度，层与层之间用特定的耦合粘剂进行粘合，要求通过光纤环的光衰减不得大于0.2dBm。倘若使用环境较严苛，无法直接将传感器浸润于绝缘油中，则需将其封装于某种对声信号敏感的介质中，比如有机玻璃等材质中，将光纤环贴于变压器的外壳而进行信号的探测。

本发明与现有的声发射探测技术相比，具有以下的优点：相比较于压电陶瓷式电学系统，本发明所述系统的光学系统具备很好的抗电磁干扰能力，能够实现变压器的实时、在线监测，无需设备停止运行，大大减小了维护成本。相比较于F-P腔作为传感器构成的传感器系统，本发明所述系统其成本低廉，构成简单，具备组网的实用性，可对声信号进行定位。相比较于使用光纤光栅作为传感器构成的声发射探测器，本系统具备多点测量以及定位声发射源的能力。并且本发明所述的系统由于采用外差法，故而具有更高的信噪比，更低廉的成本，对微弱局部放电信号检出率更好。而且本发明可以在线，实时的测量变压器的局部放电，解决了大部分传统电学传感器的缺陷。

附图说明

图1为本发明结构框图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，本发明包括：分布反馈式窄带激光器1、声光调制器2、第一光纤耦合器组3、光纤环传感器组4、参考光纤环传感器5、第二光纤耦合器组6、干涉耦合器组7、光电转换组8、混频器组9、解调系统10。

分布反馈式激光器1发出的光首先分为相同的两路，其中一路进入声光调制器2使得此路的光频率发生偏移，将偏移后的光送入第一光纤耦合器组3将此光路分为相同的N路，然后将输出送入光纤环传感器组4，使其感受外部信号，光纤环内传播光的相位；分布反馈式激光器1分出的第二路光则进入参考光纤环传感器5，并将输出进入第二光纤耦合器组6分光，也将此路光分为N路，而后将光纤环传感器组4，第二光纤耦合器组6的输出送入干涉耦合器组7将两组光路进行干涉，干涉后的结果送入光电转换器组8进行光电转换，将转换后的电信号送入混频器组9进行降频，最后送入解调系统10进行解调。分布反馈式窄带激光器1发出的光经过分光耦合器1，分为相同的两束光，其中一路通过B口进入传感臂，另一路通过C口进入参考臂，进入传感臂的光首先被声光调制器调制2，其频率发生偏移，进入第一分光耦合器组3的入口D处，被第一耦合器组3分为需求的若干组光路，并分别接入光纤环传感器组4从G口输出，而进入参考臂的C口的光路则只接入一个光纤环传感器4，而后通过E^‘输出至第二耦合器组5，将参考臂的光路分为与参考臂光路数量相同的光路，并在H口进入干涉耦合器组6，使得每一路参考臂的光都与传感臂的光进行干涉，输出的光路进入平衡探测器组7进行光电转换并进行差分运算，而后输出至降频器组8进行降频，后进入放大滤波器组9对信号做初步的处理，而后送入解调系统10对信号进行解调就能得到变压器局部放电声发射信号的具体内容。

本发明的光源选择十分重要，因为此系统的传感主要依靠干涉输出，所以要求光源输出线宽很窄，并且要求光源的波长稳定性，功率稳定性以及输出具有偏振或部分偏振光。分布反馈式窄带激光器的中心波发射的光波波长为1550nm的偏振光，带宽小于200kHz，输出功率≥100mW，输出光波长稳定性在+1pm，功率稳定性在+0.01dB这使得输出结果稳定，信噪比高。

系统的声光调制器件能将通过它的光进行调制，使其光频偏移固定频率，且其信号调制成为某种形式，本发明所使用的声光调制器可将通过的光路进行40MHz的频偏或者采用80MHz，并且将此光路的光调制成为标准的正弦波信号，这使得产生干涉的其中一路与另一路产生了较大的频率差，将两路频率不同的光进行干涉即称之为外差法；频偏使得传感臂处的信号中的缓慢变化的比如温度噪声，或者白噪声等信号被很好的滤除了，其抗噪能力强于不经过声光调制器直接将信号进行干涉，且外差法的解调范围广，受到两臂不等长的影响小。

当有声发射信号到来时，干涉仪的传感臂处的光纤环传感器组会接收声发射信号，到来的声信号是一种声波，它的声压会引起光纤的长度的微弱变化，从而间接改变光纤内传播的光的相位，所以相当于外界的声发射信号对传感臂内传播的光路进行了相位调制。当声压信号相同时，感受到声信号的光纤环长度越长则检测到的信号更强烈，当光纤环的长度到达一定长度其测量精度就能达到压电陶瓷的探测精度。并且本发明所用的传感器为光纤环传感器，其为将光纤进行均匀的缠绕，并将它们分为若干层数，这可以有效的减小传感器的体积，并使得声发射信号能够被所有的光纤所感受到，有效的增强了传感器的灵敏度。因为传感臂传播的光首先是被声光调制器进行了调制，所以当外界声信号到达后，会将传感臂中传播的光再次进行调制，通过与参考臂处的光路进行干涉后，会得到一种拍频信号，将输出的两路信号送入平衡探测器中，将得到的光信号进行光电转换并进行差分运算，便可以得到滤除过直流信号的载波信号，将信号经过放大滤波器进行放大以及初步滤波，送入计算机中对信号进行解调就可得到相应的声发射信号。

平衡探测器，其在本发明中的主要作用为将干涉耦合器组输出的光进行光电转换。因进入探测器的两路光相位差为π，且两路信号当中都包含了直流的无用信号，则通过平衡探测器进行差分互阻运算、滤除直流信号、并将信号进行滤除。因使用声光调制器缘故，所以要求平衡探测器转换速率高。除了完成光电转换外，平衡探测器本身不能产生过大的噪声，噪声过大则通过放大器后，信号与噪声同时被放大，严重影响了解调精度。

解调系统，因为本发明采用的是基于外差干涉技术的系统，所以在解调端则不能对输出的信号直接进行光强解调，还需要对解调得到的信号进行去直流、频域变换、贝塞尔滤波，希尔伯特变换等一系列数学处理方法对输出信号进行处理才可得到真实的声发射信号。

本发明未公开的技术内容属于本技术领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种基于外差法的多通道光纤环声发射探测系统，用于探测变压器的局部放电声发射信号，其特征在于：包括分布反馈式窄带激光器(1)、声光调制器(2)、第一光纤耦合器组(3)、光纤环传感器组(4)、参考光纤环传感器(5)、第二光纤耦合器组(6)、干涉耦合器组(7)、平衡探测器组(8)、混频器组(9)、解调系统(10)；

分布反馈式激光器(1)发出的光首先分为相同的两路，其中一路进入声光调制器(2)使得此路的光频率发生偏移，将偏移后的光送入第一光纤耦合器组(3)将此光路分为相同的N路，然后将输出送入光纤环传感器组(4)，使其感受外部信号，光纤环内传播光的相位；分布反馈式激光器(1)分出的第二路光则进入参考光纤环传感器(5)，并将输出进入第二光纤耦合器组(6)分光，也将此路光分为N路，而后将光纤环传感器组(4)，第二光纤耦合器组(6)的输出送入干涉耦合器组(7)将两组光路进行干涉，干涉后的结果送入平衡探测器组(8)进行光电转换，将转换后的电信号送入混频器组(9)进行降频，最后送入解调系统(10)进行解调。

2.根据权利要求1中所述的探测系统，其特征在于：所述分布反馈式窄带激光器(1)的分布反馈式激光器(DFB)的中心波发射的光波波长为1550nm的偏振光，带宽小于200kHz，输出功率≥100mW，输出光波长稳定性在±1pm，功率稳定性在±0.01dB。

3.根据权利要求1所述的探测系统，其特征在于：所述声光调制器(2)为光纤耦合式声光调制器，使传感臂产生40MHz，或者80MHz偏移，根据实际需求选择。

4.根据权利要求1所述的探测系统，其特征在于：所述光纤环传感器组(4)的结构为将传播波长为1550nm的单模光纤绕制成规律的多层光纤环，形状类似为空心圆柱体；光纤环内径不得小于30mm，光纤总长度大于60M，可视使用精度要求延长光纤长度，层与层之间用特定的耦合粘剂进行粘合，通过光纤环的光衰减不得大于0.2dBm；视不同应用环境可将光纤环封装于声信号敏感的波导中，贴于固体表面进行测量，可将光纤环封装与声信号敏感的波导中，然后粘贴于固体表面进行声发射信号的测量。

5.根据权利要求1所述的探测系统，其特征在于：所述声光调制器则由声光调制器驱动电路和信号发生器驱动运行。