CN106932083B - 一种基于强磁场背景的光纤无线振动传感器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于强磁场背景的光纤无线振动传感器装置，包括与待检测传感光纤相连的传感光纤、经第一起偏器连接至环形器的调制器、经第二耦合器连接至环形器的第二起偏器、分别与调制器与第二起偏器相连的第一耦合器；第二耦合器分别与环形器以及光电探测器相连；经AD转换器与光电探测器相连的嵌入式计算机；该嵌入式计算机还与激光器相连；激光器与第一耦合器相连。本发明提出的装置可以非常方便实现对各种结构、器型的变压器实现绕组变形在线测量及计算，通过监测机分析运行中铁芯、绕组的振动信号，分析变压器铁芯及绕组的当前状态，为生产提供参考指导。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备状态检测领域，特别是一种基于强磁场背景的光纤无线振动传感器装置。
背景技术
目前对变压器运行中的绕组状态监测，缺乏一种成熟可靠的检测方法。同时不同厂家变压器在结构、绕组数目、铁芯与绕组布局关系、材料、工艺等方面有很大的差异。甚至是同一个厂家的不同系列也存在很大的区别。经过检索，国内还没有发现专门用来测量不同结构及器型变压器绕组变形在线检测方法或设备，更谈不上具备投入到市场的稳定可靠检测系统。
在和南网及国网的一线技术人员沟通过程中，由于目前没有专用的绕组状态在线测试系统，无法实时把握绕组状态，只能做事后检测或定期的FRA检测。给日常工作带来很大的不便。实时掌握绕组的运行状态，做到及早预防，避免事故发生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于强磁场背景的光纤无线振动传感器装置，以克服现有技术中存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于强磁场背景的光纤无线振动传感器装置，包括一与待检测变压器绕组匹配的传感光纤、第一端与所述传感光纤相连的环形器、输出端与所述环形器第二端相连的第一起偏器、输出端与所述第一起偏器相连的调制器、、输出端与所述调制器输入端相连的第一耦合器、与所述第一耦合器输入端相连的激光器、输入端与所述第一耦合器输出端相连的第二起偏器、第一输入端与所述第二耦合器输出端相连且第二输入端与所述环形器第三端相连的第二耦合器、输入端与所述第二耦合器输出端相连的光电探测器以及经AD转换器与所述光探测器相连的嵌入式计算机；所述嵌入式计算机还与所述激光器相连。
在本发明一实施例中，所述激光器的光源中心工作波长为1550nm，带宽为0.lnm，功率为10mW；所述激光器内设置有温控单元，该温控单元包括用于检测激光器工作温度的温度传感器以及用于调整激光器温度的制冷器。
在本发明一实施例中，所述调制器采用铌酸锂可调电光调制器；当所述调制器外加偏置电压和触发脉冲信号时，所述调制器就打开，产生调制后的光脉冲；所述调制器上还设有用以选择不同调制脉冲宽度的脉冲选择开关。
在本发明一实施例中，所述调制器输出的光信号经第一起偏器，并经所述环形器的第二端进入所述环形器，并从所述环形器第一端进入所述传感光纤，且所述第二端接收所述传感光纤的后向散射光，并经所述第三端进入所述第二耦合器。
在本发明一实施例中，所述环形器的偏振模色散小于0.05ps。
在本发明一实施例中，所述第一耦合器为一1x2的光纤耦合器，分光比为10%：90%，工作波长为1510nm，附加损耗为0.25dB，入光口的插入损耗为0.5dB，分光比为10%的出光口的插入损耗为10dB，分光比为90%的出光口的插入为0.5dB；所述第二耦合器为一个分光比为50%:50%的1x2的光纤耦合器，工作波长为1510nm，两个输出端口的耦合率分别为49.2%和50.8%，插入损耗分别为3.12dB和2.98dB。
在本发明一实施例中，所述光电探测器采用InGaAs平面结构PIN探测器。
在本发明一实施例中，所述嵌入式计算机搭载一数据采集系统，该数据采集系统包括一解调系统以及信号处理系统。
在本发明一实施例中，所述解调系统中采样长度为32KSa，DAQ-2005数据采集卡采样率为500KSps，FIFO读取以1KSa为单位，通过32次循环将数据全部读出；令循环次数为32，并建立一个长度为32K的一维零数组作为初始数组送入读数循环；确定取数结点的外部参数，令每次读IKSample，采样通道为CH1，再利用循环体变量I在每次循环中移动1K单位的FIFO的读数指针，从而每次从取数结点读出IKSa个数据之后，循环按顺序替换对应位置的初始零数组，待全部循环完成之后，即得到32KSa的一维数据数组跳出循环；最后把数组的数据按0.1微秒的时间间隔和起始的零时刻一同构成波形簇数据，送入波形窗waveform显示。
在本发明一实施例中，所述信号处理系统读取两组数据，对于每一组数据后项减前项再比上前一向的值，结果存放到前向的存储空间，再多次采样取平均，把两组处理后的数据相减。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提出一种基于强磁场背景的光纤无线振动传感器装置，可以非常方便实现对各种结构、器型的变压器实现绕组变形在线测量及计算，通过监测机分析运行中铁芯、绕组的振动信号，分析变压器铁芯及绕组的当前状态，为生产提供参考指导。
附图说明
图1为本发明中系统的原理框图。
图2为本发明中调制器的调制原理图。
图3为本发明中环形器的传输原理图。
图4为本发明中解调系统原理图。
图5为本发明中光纤耦合器的制备原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供一种基于强磁场背景的光纤无线振动传感器装置，如图1所示，包括与待检测变压器绕组匹配的传感光纤、第一端与所述传感光纤相连的环形器、输出端与环形器第二端相连的调制器、输出端与调制器输入端相连的第一耦合器、经起偏器与第一耦合器相连的激光器、第一输入端与第一耦合器输出端相连且第二输入端与环形器第三端相连的第二耦合器、输入端与第二耦合器输出端相连的光电探测器以及经AD转换器与光探测器相连的嵌入式计算机；嵌入式计算机还与激光器相连。
进一步的，在振动监测系统中，核心包括振动传感器和信号处理两个部分。为了避免目前传统传感器的缺陷，设计光纤耦合传感器。下面结合传感器装置中各个器件进行具体说明。
1.光源光功率的要求
根据设计的传感系统，计算出所需光源的最小光功率和探测器的灵敏度，为在后面合理的选择光源和探测器做准备工作。选择测量的传感距离约为5km左右，由三段光纤组成，中间一段是测试用光纤约有30m，与两边光纤熔接在一起。连接分布图1，圆形表示的是焊接点，三角形标注的是法兰盘连接点。
只考虑信号光路，估计每次熔接的平均损耗为0.02dB，系统中共有15个熔接点，总的熔接损耗约为0.3dB，连续光经过每个法拉盘的的损耗约为0.3dB,脉冲光经过每个法兰盘的损耗约为1.2dB，总共在经过法兰盘的损耗就约为0.3x3+1.2x2=3.3dB，信号光在光路中要经过调制器、环形器、起偏器和耦合器总损耗约为20dB，光在光纤中传输的损耗约为0.325dB/km，则有以下关系：
P-25dB-0.3dB-33dB-(0.325x-6)dB=P-30.55dB=1W(1-1)
式中P为经耦合1出来到调制器的功率，W为探测器的灵敏度，对于普通的探测器灵敏度为-45dB左右，则光源的最小光功率约-15dBm。
2.光源的最大脉宽
大的动态范围和高的分辨率、小的盲区对于脉宽的选择是相互矛盾的，所以在实际使用时就要求根据不同的需求选择合适的脉冲宽度。已知两点分辨率和脉冲宽度有如下关系：
r=2k/vg（1-2）
式中，K为两点分辨率，r为脉冲宽度,vg为光的传播速度2.0X108米/秒。通过上式可以看出，要达到5m的两点分辨率脉冲宽度应不高于10ns。
3.光路中的主要器件
系统要达到一定的指标对器件的要求也是不容忽视的一个问题，它们是关系系统性能的决定性因素，下面就分别对本系统中要用到的器件进行介绍。
3.1激光器
光源是光学系统中非常重要的器件，对于相干检测，光源更显得尤为重要，首先，光源线宽要足够窄，相干性要足够好，而且还要有很好的频率稳定性。用到的光源中心工作波长为1550nm，带宽只有O.lnm，功率为10mW的连续激光器，使用外调制的方式，把连续光调制成脉冲光。
光源的稳定度对系统测量精度影响很大，传感系统尤为明显。较佳的，用温控保证光源输出功率的稳定度，温控是利用封装在激光器中的温度传感器对工作温度进行测量，然后控制制冷器的工作电流，使激光器的工作温度维持在恒定的区域，若工作温度较高，会增大电流，降低转换效率。激光器参数表见表1。
表1
3.2调制器
在本实施例中，选用了铌酸锂可调电光调制器来调制输出激光，使输出的连续光得到合适的脉冲光。图2为脉冲产生的原理图。图中调制器有两个传输端，分别为激光输入和激光输出。调制器在其中就相当于光开关，当外加偏置电压和触发脉冲信号时，光开关就打开，可以产生调制后的光脉冲。调制器上还设有脉冲选择开关，可以根据需要选择不同的调制脉冲宽度。
3.3起偏器
由于传感器系统主要就是通过检测偏振态的变化来测算出外界变化量，信号光必须是线偏振光，所以起偏器是传感器系统中不可缺少的主要器件之一。主要用途就是经过它的光变为有单一振动方向的线偏振光，本系统中用到了两个起偏器，如前面的原理图，起偏器1和起偏器2,由于信号光路的损耗要大，受到的影响要复杂，选择时起偏器1比起偏器2要稍好一些，消光比大于60dB。
3.4环行器
环行器是一种使光信号只能沿规定的端口顺序传输的器件，a光信号从指定的端口输入，在器件中就会沿着规定的顺序传输，如果信号的传输顺序改变，就会产生很大的损耗，达到信号隔离的目的。本系统使用的是3端口环形器，传输光从1端口进环形器，只能从2端口输出进入待测光纤部分，2端口的后向散射光只能进入3端口。环形器在本实验中起着引导光束传输的重要作用，它的主要参数有隔离度、串音、插入损耗、回波损耗和偏振模色散，系统选用的环形器偏振模色散小于0.05ps。见图3。
3.5耦合器
本系统中两处用到了耦合器，但它们所体现出的功能和作用却完全不一样。如图1中，耦合器1是一个1x2的光纤耦合器，分光比为10%：90%，工作波长为1510nm，附加损耗：0.25dB,入光口的插入损耗为0.5dB，分光比为10%的出光口的插入损耗为10dB，另一端为0.5dB，该耦合器在光路中起着分光的作用，分光比高的一端连接信号光路，分光比低的一端连接本振光路，因为信号光要外接光纤，损耗会很大，这么连接可以起到平衡光功率的目的。
耦合器2使用的是一个分光比为50%:50%的1x2的光纤耦合器，工作波长为1510nm,两个输出端口的耦合率分别为49.2%和50.8%，插入损耗分别为3.12dB和2.98dB，该耦合器在光路中起着合光的作用。
3.6光电探测器
光探测器的任务是实现光电的转换。对于系统中用到的相干外差检测系统，光探测器首先把信号光电场分量与本振光电场分量之积转换为电流，从其中电流的变化规律推测信号光频率和相位的变化。在评价一个光电探测器时主要都会从以下几个方面考虑:(1)探测灵敏度；（2)在工作的波段内是否有很高的响应度;(3)在光电转换中应尽量减小引入的噪声；（4)性能稳定性，可靠性高，适应环境条件的变化等也都是主要考虑的因素。
本系统中光电探测功能是由单模高灵敏度接收组件来完成的，高灵敏度光接收组件集成了InGaAs平面结构探测器和低噪声互阻抗放大器，产品是InGaAs平面结构PIN探测器，具有固定跨阻抗，混合集成电路，标准14脚双列直插封装，具有灵敏度高、噪声低、体积小等特点。
4.数据采集系统设计
经过光电转换和放大滤波处理后连续的模拟信号是无法直接由计算机处理的。只有把模拟信号进行一定频率的离散化采样处理并形成数字信号，才能被计算机识别。数据采集就是将模拟信号变成计算机所能接受和处理的数字信号的过程。
4.1软件解调系统设计
单通道（通道1)数据采集显示的LabVIEW程序图4所示。采样长度设为32KSa，DAQ-2005数据采集卡采样率为500KSps，FIFO读取以1KSa为单位，即每次只能读取1K个采样数据,所以必须通过32(32K/1K)次循环才能将数据全部读出。
进一步的，程序基本流程：首先指定循环次数为32,并在循环体左侧部分，建立一个长度为32K的一维零数组作为初始数组送入读数循环；其次确定取数结点的外部参数，指定其每次读IKSample,指定采样通道为CH1,再利用循环体变量I(0〜31)在每次循环中移动1K单位的FIFO的读数指针，从而每次从取数结点读出IKSa个数据之后，循环按顺序替换对应位置的初始零数组，待全部循环完成之后，即得到32KSa的一维数据数组跳出循环；最后把数组的数据，0.1微秒的时间间隔（1/lOMHz，作为采样时间间隔）和起始的零时刻一同构成波形簇数据，送入波形窗waveform显示。
4.2.解调后信号处理
Fourier变换是信号分析领域应用最广泛地一种分析手段，但Fourier变换是一种纯频域的分析方法，它在频域的定位非常准确，但在时域无任何定位功能。然而大部分的振动信号其频域特性都是随时间而变化的，对这一类信号采用傅立叶变化进行分析，不能提供完全的信息，也即通过傅里叶变换可以知道信号所含有的频率信息，但并不能知道这些频率信息究竟出现在那些时间段上。为了研究信号在局部范围内的频率特性，1946年Garbor提出了加窗Fourier变换，基本思想是取时间函数g(t)作为窗口函数，用g(t-r)同待分析函数相乘，然后在进行Fourier变换，可以反映出一个信号在任意局部范围的频域特征。
但是由于窗口傅立叶变换的时间-频率窗宽度是固定不变的，虽然可以选择不同类型的窗函数，或者调整窗函数的参数来选择时间-频率的宽度。但是一旦窗函数的类型及参数确定之后，唯一可以调整的就是平移量T，而变量只能改变窗沿时间轴的位置，不能改变时间-频窗的宽度，这对于分析时变信号是不利的。因为高频信号一般持续时间很短，而低频信号持续时间较长，期望对于高频信号采用小时窗，对于低频信号则采用大时窗进行分析。这种变时窗的要求与窗口傅立叶变换的固定时窗的特性是矛盾的，使得窗口Fourier变换不能适应许多复杂的信号分析和处理。而且在对信号进行分析过程中，每次采样的时域信号两端都被截断，采用FFT算法计算频谱又会产生栅栏效应，为了解决这个问题，在本实施例中，系统根据业务特点，采用下面提到的算法。
4.3数据处理
在本实施例中，该系统采用到了下面的数据处理方法：
两组信号做比值再相减：读取两组数据，对于每一组数据后项减前项再比上前一向的值，结果存放到前向的存储空间，再多次采样取平均。把两组处理后的数据相减。
这种方法用到了数据平均，是由于采用平均计算的方法对滤除随机噪声有很好的效果，能降低系统的噪声，提高系统的信噪比。如果对数据平均n次，信噪比就会提高n1/2倍,平均时间越长，动态范围就越大，信噪比改善越大，但超过一定的测量时间对信噪比的改善就不会再很明显了，所以测试时间一般控制在3分钟以内。
5.传感器加工工艺
在本实施例中，用作光纤振动传感单元的光纤耦合器制作过程跟普通单模耦合器的制作过程相类似，将两根相同的单模光纤中部长约30mm的涂覆层剥去，清洗干净，平行置于熔融拉锥机中，如图5所示，放在高温下进行加热熔融,同时通过夹具向光纤的两端拉伸，当拉伸达到一定长度，两光纤之间就会发生能量的交换，最终在光纤的加热区形成双锥形式的特殊波导结构。
由于耦合器的参数如耦合比、附加损耗主要由双锥体的形状决定，而双锥体的形状主要由火焰形状、火焰移动范围、温度分布和拉伸速度来控制。在器件制作中必须优化设计和精确控制上述条件，获得最佳耦合长度、耦合横截面结构和能量转换周期等参数，设计不同的传感器封装结构，保证器件具有较高的灵敏度和较好的频谱响应。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于强磁场背景的光纤无线振动传感器装置，其特征在于，包括一与待检测变压器绕组匹配的传感光纤、第一端与所述传感光纤相连的环形器、输出端与所述环形器第二端相连的第一起偏器、输出端与所述第一起偏器相连的调制器、输出端与所述调制器输入端相连的第一耦合器、与所述第一耦合器输入端相连的激光器、输入端与所述第一耦合器输出端相连的第二起偏器、第一输入端与所述第二起偏器输出端相连且第二输入端与所述环形器第三端相连的第二耦合器、输入端与所述第二耦合器输出端相连的光电探测器以及经AD转换器与所述光探测器相连的嵌入式计算机；所述嵌入式计算机还与所述激光器相连；
其中，所述嵌入式计算机搭载一数据采集系统，该数据采集系统包括一解调系统以及信号处理系统；
其中，所述解调系统中采样长度为32KSa，DAQ-2005数据采集卡采样率为500KSps，FIFO读取以1KSa为单位，通过32次循环将数据全部读出；令循环次数为32，并建立一个长度为32K的一维零数组作为初始数组送入读数循环；确定取数结点的外部参数，令每次读IKSample，采样通道为CH1，再利用循环体变量I在每次循环中移动1K单位的FIFO的读数指针，从而每次从取数结点读出IKSa个数据之后，循环按顺序替换对应位置的初始零数组，待全部循环完成之后，即得到32KSa的一维数据数组跳出循环；最后把数组的数据按0.1微秒的时间间隔和起始的零时刻一同构成波形簇数据，送入波形窗waveform显示；
其中所述第一耦合器为一1x2的光纤耦合器，分光比为10%：90%，工作波长为1510nm，附加损耗为0.25dB，入光口的插入损耗为0.5dB，分光比为10%的出光口的插入损耗为10dB，分光比为90%的出光口的插入损耗为0.5dB；所述第二耦合器为一个分光比为50%:50%的1x2的光纤耦合器，工作波长为1510nm，两个输出端口的耦合率分别为49.2%和50.8%，插入损耗分别为3.12dB和2.98dB。
2.根据权利要求1所述的一种基于强磁场背景的光纤无线振动传感器装置，其特征在于，所述激光器的光源中心工作波长为1550nm，带宽为0.lnm，功率为10mW；所述激光器内设置有温控单元，该温控单元包括用于检测激光器工作温度的温度传感器以及用于调整激光器温度的制冷器。
3.根据权利要求1所述的一种基于强磁场背景的光纤无线振动传感器装置，其特征在于，所述调制器采用铌酸锂可调电光调制器；当所述调制器外加偏置电压和触发脉冲信号时，所述调制器就打开，产生调制后的光脉冲；所述调制器上还设有用以选择不同调制脉冲宽度的脉冲选择开关。
4.根据权利要求1所述的一种基于强磁场背景的光纤无线振动传感器装置，其特征在于，所述调制器输出的光信号经第一起偏器，并经所述环形器的第二端进入所述环形器，并从所述环形器第一端进入所述传感光纤，且所述第二端接收所述传感光纤的后向散射光，并经所述第三端进入所述第二耦合器。
5.根据权利要求4所述的一种基于强磁场背景的光纤无线振动传感器装置，其特征在于，所述环形器的偏振模色散小于0.05ps。
6.根据权利要求1所述的一种基于强磁场背景的光纤无线振动传感器装置，其特征在于，所述光电探测器采用InGaAs平面结构PIN探测器。
7.根据权利要求1所述的一种基于强磁场背景的光纤无线振动传感器装置，其特征在于，所述信号处理系统读取两组数据，对于每一组数据后项减前项得到的差再除以前一项的值，结果存放到前项的存储空间，再多次采样取平均，把两组处理后的数据相减。
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