CN109164364B - 一种用于监测液固复合绝缘电力设备局部放电的空间全角度超声波光纤法-珀传感器 - Google Patents
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Abstract
一种用于监测液固复合绝缘电力设备局部放电的空间全角度超声波光纤法‑珀传感器，涉及一种超声波光纤法‑珀传感器。目的是解决非本征光纤法‑珀传感器无法检测多个方向的超声波的问题。传感器包括基础支撑体、平面光纤尾纤第一45度倾斜角尾纤、第二45度倾斜角尾纤、第一传感膜片、第二传感膜片和第三传感膜片；平面光纤尾纤的平面端与第三传感膜片构成光学法‑珀腔，第一45度倾斜角尾纤的45°斜面与第一传感膜片构成光学法‑珀腔，第二45度倾斜角尾纤的45°斜面与第二传感膜片构成光学法‑珀腔。本发明够同时检测三维空间六个方向超声波信号，提高了测试设备绝缘发生局部放电机会，检测灵敏度高。本发明传感器适用于监测电力设备局部放电。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声波光纤法-珀传感器。
背景技术
用于大型电力设备局部放电超声波检测的非本征光纤法-珀传感器在国内外已被研究多年并取得诸多成果。目前用于局部放电超声波检测的光纤法-珀传感器多采用传感膜片与光纤尾端平行放置方式；但根据弹性力学原理，膜片法向方向与超声波传播方向在同一直线上时才可得到最佳耦合效率，此时传感器具有最大灵敏度。实验研究也证明对于相同频率和强度的超声波信号，在光纤法-珀传感器膜片法向方向时的检测信号强度最大，而声信号源在同膜片法向呈90度方向时检测信号强度最小，且前者是后者强度的2倍以上。
由于电力设备内部局部放电发生的随机性和复杂结构导致的声传播方向不确定性，现有的具有明确探测方向的非本征光纤法-珀传感器在局部放电声信号检测时，检测范围仅限于同膜片法向呈0°～180°之间的声信号，其中在0°～180°方向具有最大灵敏度，无法检测多个方向的超声波信号。
发明内容
本发明为了解决现有的具有明确探测方向的非本征光纤法-珀传感器无法检测多个方向的超声波信号的问题，利用平面光纤尾纤和45度倾斜角尾纤相结合，提出一种用于监测液固复合绝缘电力设备局部放电的空间全角度超声波光纤法-珀传感器。
本发明用于监测液固复合绝缘电力设备局部放电的空间全角度超声波光纤法-珀传感器由基础支撑体、平面光纤尾纤第一45度倾斜角尾纤、第二45度倾斜角尾纤、第一传感膜片、第二传感膜片和第三传感膜片构成；
所述基础支撑体为长方体形，基础支撑体中设置有竖向的一字形通孔，一字形通孔上端为截面为梯形的圆形沉孔，沉孔外端面覆盖有第三传感膜片；第一L形通孔由竖向盲孔和横向盲孔构成，第一L形通孔中竖向盲孔平行于一字形通孔设置，第一L形通孔中横向盲孔的孔口为截面为梯形的圆形沉孔，第一L形通孔中沉孔外端面覆盖有第一传感膜片；第二L形通孔由竖向盲孔和横向盲孔构成，第二L形通孔中竖向盲孔平行于一字形通孔设置，第二L形通孔中横向盲孔的孔口为截面为梯形的圆形沉孔，第二L形通孔中沉孔外端面覆盖有第二传感膜片；第一L形通孔中横向盲孔、第二L形通孔中横向盲孔、一字形通孔中任意两个相互垂直；
平面光纤尾纤由跳线接头和光纤段构成，光纤段一端与跳线接头连接，光纤段另一端的端部为平面；第一45度倾斜角尾纤和第二45度倾斜角尾纤由跳线接头和光纤段构成，光纤段一端与跳线接头连接，光纤段另一端的端部为45°斜面；
平面光纤尾纤的光纤段设置在一字形通孔内，平面光纤尾纤的光纤段的端部伸入至沉孔与一字形通孔连接处；第一45度倾斜角尾纤设置在第一L形通孔中竖向盲孔内，第一45度倾斜角尾纤的端部伸入至竖向盲孔底部，第一45度倾斜角尾纤端部的45°斜面朝向第一L形通孔中横向盲孔底部设置；第二45度倾斜角尾纤设置在第二L形通孔竖向盲孔内，第二45度倾斜角尾纤的端部伸入至竖向盲孔底部，第二45度倾斜角尾纤端部的45°斜面朝向第二L形通孔中横向盲孔底部设置；
所述基础支撑体的材质为石英玻璃；
所述第一传感膜片、第二传感膜片和第三传感膜片为圆片状石英玻璃，圆片状石英玻璃中朝向基础支撑体的表面镀有全电介质反射膜；全电介质反射膜的材质为Ta2O3；全电介质反射膜的反射率为50％；
所述第一L形通孔中横向盲孔的孔口的圆形沉孔、第二L形通孔中横向盲孔的孔口的圆形沉孔和一字形通孔上端的圆形沉孔的外端面直径为1.8mm。
本发明原理及有益效果为：
1、本发明传感器中，平面光纤尾纤的平面端与第三传感膜片构成光学法-珀腔，第一45度倾斜角尾纤端部的45°斜面与第一传感膜片构成光学法-珀腔，第二45度倾斜角尾纤端部的45°斜面与第二传感膜片构成光学法-珀腔；其中，第一45度倾斜角尾纤和第二45度倾斜角尾纤的中光的干涉原理为：激光器产生的激光经光纤入射到达光纤45°的倾斜面，激光在光纤45°的倾斜面发生90度反射，激光继续传播至光纤边界，一部分光发生反射，另一部分光穿过光纤边界；发生反射的激光反方向传播返回到光纤中，并在光纤45°的倾斜面发生90度反射，构成第一反射光a；穿过光纤边界的激光到达传感膜片后经由全电介质反射膜反射传播返回到光纤中并在光纤45°的倾斜面发生90度反射，构成第二反射光b；第一反射光a和第二反射光b在光纤中形成干涉；超声波信号经传感器周围液体介质传播至传感器的传感膜片后驱动膜片振动，导致光学法-珀腔腔长呈与超声波同频率的周期变化，进而调制第一反射光a和第二反射光b形成的干涉光谱，使干涉谱线周期性变化。通过光学法-珀腔强度解调仪解调第一反射光a和第二反射光形成的干涉谱线，便可获得被测超声波的强度、频率等信息；
由于第一L形通孔中横向盲孔、第二L形通孔中横向盲孔、一字形通孔中任意两个相互垂直，因此第一传感膜片、第二传感膜片和第三传感膜片的法线方向两两垂直，根据声波在薄板结构中传播原理，当薄板结构厚度小于声波波长1/4时，声波可无衰减穿过固体介质，传感器支撑体尺寸远小于50-150kHz超声波波长，所以超声波经过传感器基础支撑体耦合后，后方超声波驱动传感膜片振动响应强度与前向超声波直接驱动时传感膜片振幅相当，因此本发明传感器能够同时检测到传感膜片前方和后方的超声波信号，进而实现了三维空间六个方向的超声波信号产生响应；
2、本发明传感器中基础支撑体的三个相邻的表面分别设置有第一传感膜片、第二传感膜片和第三传感膜片，因此本发明传感器具有三个方向的传感膜片，为三面膜片结构，能够对360度方向的声信号具有相同的检测灵敏度；在电力设备内安置使用时无需考虑传感器安装角度，提高了测试设备绝缘发生局部放电的机会；
3、本发明传感器中，第一L形通孔中横向盲孔的孔口的圆形沉孔、第二L形通孔中横向盲孔的孔口的圆形沉孔和一字形通孔上端的圆形沉孔的外端面直径为1.8mm，该尺寸的圆形沉孔能够控制传感膜片的本征振动频率为50kHz～150kHz，本征振动频率为50kHz～150kHz局部放电声辐射能量丰富的频段对应，提高了传感器的检测灵敏度。
附图说明
图1为用于液体介质的空间全角度超声波光纤法-珀传感器的结构示意图；
图2为图1的A-A向剖视图；
图3为图1的B-B向剖视图；
图4为第一45度倾斜角尾纤3和第二45度倾斜角尾纤4的中光的干涉原理图；
图5为实施例1中PZT压电陶瓷放置位置示意图；
图6为实施例1中实验平台连接示意图；
图7为实施例1中PZT压电陶瓷放置在第三传感膜片5前方时示波器所得的信号图；
图8为实施例1中PZT压电陶瓷放置在第三传感膜片5后方时示波器所得的信号图；
图9为实施例1中PZT压电陶瓷放置在第一传感膜片6前方时示波器所得的信号图；
图10为实施例1中PZT压电陶瓷放置在第一传感膜片6后方时示波器所得的信号图；
图11为实施例1中PZT压电陶瓷放置在第三传感膜片5前方时示波器所得的信号图；
图12为实施例1中PZT压电陶瓷放置在第三传感膜片5后方时示波器所得的信号图。
具体实施方式：
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：结合图1～4说明本实施方式，本实施方式用于监测液固复合绝缘电力设备局部放电的空间全角度超声波光纤法-珀传感器由基础支撑体1、平面光纤尾纤2第一45度倾斜角尾纤3、第二45度倾斜角尾纤4、第一传感膜片6、第二传感膜片7和第三传感膜片5构成；
所述基础支撑体1为长方体形，基础支撑体1中设置有竖向的一字形通孔，一字形通孔上端为截面为梯形的圆形沉孔，沉孔外端面覆盖有第三传感膜片5；第一L形通孔由竖向盲孔和横向盲孔构成，第一L形通孔中竖向盲孔平行于一字形通孔设置，第一L形通孔中横向盲孔的孔口为截面为梯形的圆形沉孔，第一L形通孔中沉孔外端面覆盖有第一传感膜片6；第二L形通孔由竖向盲孔和横向盲孔构成，第二L形通孔中竖向盲孔平行于一字形通孔设置，第二L形通孔中横向盲孔的孔口为截面为梯形的圆形沉孔，第二L形通孔中沉孔外端面覆盖有第二传感膜片7；第一L形通孔中横向盲孔、第二L形通孔中横向盲孔、一字形通孔中任意两个相互垂直；
平面光纤尾纤2由跳线接头和光纤段构成，光纤段一端与跳线接头连接，光纤段另一端的端部为平面；第一45度倾斜角尾纤3和第二45度倾斜角尾纤4由跳线接头和光纤段构成，光纤段一端与跳线接头连接，光纤段另一端的端部为45°斜面；
平面光纤尾纤2的光纤段设置在一字形通孔内，平面光纤尾纤2的光纤段的端部伸入至沉孔与一字形通孔连接处；第一45度倾斜角尾纤3设置在第一L形通孔中竖向盲孔内，第一45度倾斜角尾纤3的端部伸入至竖向盲孔底部，第一45度倾斜角尾纤3端部的45°斜面朝向第一L形通孔中横向盲孔底部设置；第二45度倾斜角尾纤4设置在第二L形通孔竖向盲孔内，第二45度倾斜角尾纤4的端部伸入至竖向盲孔底部，第二45度倾斜角尾纤4端部的45°斜面朝向第二L形通孔中横向盲孔底部设置。
本实施方式原理及有益效果为：
1、本实施方式传感器中，平面光纤尾纤2的平面端与第三传感膜片5构成光学法-珀腔，第一45度倾斜角尾纤3端部的45°斜面与第一传感膜片6构成光学法-珀腔，第二45度倾斜角尾纤4端部的45°斜面与第二传感膜片7构成光学法-珀腔；其中，第一45度倾斜角尾纤3和第二45度倾斜角尾纤4的中光的干涉原理为：激光器产生的激光经光纤入射到达光纤45°的倾斜面，激光在光纤45°的倾斜面发生90度反射，激光继续传播至光纤边界，一部分光发生反射，另一部分光穿过光纤边界；发生反射的激光反方向传播返回到光纤中，并在光纤45°的倾斜面发生90度反射，构成第一反射光a；穿过光纤边界的激光到达传感膜片后经由全电介质反射膜反射传播返回到光纤中并在光纤45°的倾斜面发生90度反射，构成第二反射光b；第一反射光a和第二反射光b在光纤中形成干涉；超声波信号经传感器周围液体介质传播至传感器的传感膜片后驱动膜片振动，导致光学法-珀腔腔长呈与超声波同频率的周期变化，进而调制第一反射光a和第二反射光b形成的干涉光谱，使干涉谱线周期性变化。通过光学法-珀腔强度解调仪解调第一反射光a和第二反射光形成的干涉谱线，便可获得被测超声波的强度、频率等信息；
由于第一L形通孔中横向盲孔、第二L形通孔中横向盲孔、一字形通孔中任意两个相互垂直，因此第一传感膜片6、第二传感膜片7和第三传感膜片5的法线方向两两垂直，根据声波在薄板结构中传播原理，当薄板结构厚度小于声波波长1/4时，声波可无衰减穿过固体介质，传感器支撑体1尺寸远小于50-150kHz超声波波长，所以超声波经过传感器基础支撑体1耦合后，后方超声波驱动传感膜片振动响应强度与前向超声波直接驱动时传感膜片振幅相当，因此本实施方式传感器能够同时检测到传感膜片前方和后方的超声波信号，进而实现了三维空间六个方向的超声波信号产生响应；
2、本实施方式传感器中基础支撑体1的三个相邻的表面分别设置有第一传感膜片6、第二传感膜片7和第三传感膜片5，因此本实施方式传感器具有三个方向的传感膜片，为三面膜片结构，能够对360度方向的声信号具有相同的检测灵敏度；在电力设备内安置使用时无需考虑传感器安装角度，提高了测试设备绝缘发生局部放电的机会；
3、本实施方式传感器中，第一L形通孔中横向盲孔的孔口的圆形沉孔、第二L形通孔中横向盲孔的孔口的圆形沉孔和一字形通孔上端的圆形沉孔的外端面直径为1.8mm，该尺寸的圆形沉孔能够控制传感膜片的本征振动频率为50kHz～150kHz，本征振动频率为50kHz～150kHz局部放电声辐射能量丰富的频段对应，提高了传感器的检测灵敏度。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述第一传感膜片(6)、第二传感膜片(7)和第三传感膜片(5)为圆片状石英玻璃，圆片状石英玻璃中朝向基础支撑体(1)的表面镀有全电介质反射膜。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述全电介质反射膜的反射率为50％。其他步骤和参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述第一L形通孔中横向盲孔的孔口的圆形沉孔的外端面直径为1.8mm。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：第二L形通孔中横向盲孔的孔口的圆形沉孔的外端面直径为1.8mm。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述一字形通孔上端的圆形沉孔的外端面直径为1.8mm。其他步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：
本实施例用于监测液固复合绝缘电力设备局部放电的空间全角度超声波光纤法-珀传感器由基础支撑体1、平面光纤尾纤2第一45度倾斜角尾纤3、第二45度倾斜角尾纤4、第一传感膜片6、第二传感膜片7和第三传感膜片5构成；
所述基础支撑体1为长方体形，基础支撑体1中设置有竖向的一字形通孔，一字形通孔上端为截面为梯形的圆形沉孔，沉孔外端面覆盖有第三传感膜片5；第一L形通孔由竖向盲孔和横向盲孔构成，第一L形通孔中竖向盲孔平行于一字形通孔设置，第一L形通孔中横向盲孔的孔口为截面为梯形的圆形沉孔，第一L形通孔中沉孔外端面覆盖有第一传感膜片6；第二L形通孔由竖向盲孔和横向盲孔构成，第二L形通孔中竖向盲孔平行于一字形通孔设置，第二L形通孔中横向盲孔的孔口为截面为梯形的圆形沉孔，第二L形通孔中沉孔外端面覆盖有第二传感膜片7；第一L形通孔中横向盲孔、第二L形通孔中横向盲孔、一字形通孔中任意两个相互垂直；
平面光纤尾纤2由跳线接头和光纤段构成，光纤段一端与跳线接头连接，光纤段另一端的端部为平面；第一45度倾斜角尾纤3和第二45度倾斜角尾纤4由跳线接头和光纤段构成，光纤段一端与跳线接头连接，光纤段另一端的端部为45°斜面；
平面光纤尾纤2的光纤段设置在一字形通孔内，平面光纤尾纤2的光纤段的端部伸入至沉孔与一字形通孔连接处；第一45度倾斜角尾纤3设置在第一L形通孔中竖向盲孔内，第一45度倾斜角尾纤3的端部伸入至竖向盲孔底部，第一45度倾斜角尾纤3端部的45°斜面朝向第一L形通孔中横向盲孔底部设置；第二45度倾斜角尾纤4设置在第二L形通孔竖向盲孔内，第二45度倾斜角尾纤4的端部伸入至竖向盲孔底部，第二45度倾斜角尾纤4端部的45°斜面朝向第二L形通孔中横向盲孔底部设置；
所述基础支撑体1的材质为石英玻璃；所述第一传感膜片6、第二传感膜片7和第三传感膜片5为圆片状石英玻璃，圆片状石英玻璃中朝向基础支撑体1的表面镀有全电介质反射膜；全电介质反射膜的材质为Ta2O3；全电介质反射膜的反射率为50％；所述第一L形通孔中横向盲孔的孔口的圆形沉孔、第二L形通孔中横向盲孔的孔口的圆形沉孔和一字形通孔上端的圆形沉孔的外端面直径为1.8mm。
为了检测传感器各个方向灵敏度，将本实施例传感器置于电力设备内部绝缘油内，以DFB激光器为激励光源，PZT压电陶瓷作为激励声源，以本实施例传感器作为接收源，将调频信号发生器与PZT压电陶瓷连接，将示波器的信号输入端与光电转换器的信号输出端连接，光电转换器的信号输入端与光纤耦合器的信号输出端连接，DFB激光器的光源输出端与光纤耦合器的光源输入端连接，将本实施例传感器中平面光纤尾纤2第一45度倾斜角尾纤3、第二45度倾斜角尾纤4分别与光纤耦合器连接，构成实验平台。
首先依次将PZT压电陶瓷分别放置于第一传感膜片6前方、第一传感膜片6后方、第二传感膜片7前方、第二传感膜片7后方、第三传感膜片5前方、第三传感膜片5后方，并且保证超声波波矢方向与传感膜片法向垂直，图5为实施例1中PZT压电陶瓷放置位置示意图；图中c为放置在第三传感膜片5前方的PZT压电陶瓷，图中d为放置在第三传感膜片5后方的PZT压电陶瓷，图中e为放置在第一传感膜片6前方的PZT压电陶瓷，图中f为放置在第一传感膜片6后方的PZT压电陶瓷；
利用示波器获取响应信号的信号图，如图7～12所示，由图7～12可知，本实施例传感器三个接收面两侧的响应灵敏度基本一致，能够实现对三维空间六个方向的超声波信号均具有相同的响应灵敏度。
Claims (1)
1.一种用于监测液固复合绝缘电力设备局部放电的空间全角度超声波光纤法-珀传感器，其特征在于：该传感器由基础支撑体(1)、平面光纤尾纤(2)第一45度倾斜角尾纤(3)、第二45度倾斜角尾纤(4)、第一传感膜片(6)、第二传感膜片(7)和第三传感膜片(5)构成；
所述基础支撑体(1)为长方体形，基础支撑体(1)中设置有竖向的一字形通孔，一字形通孔上端为截面为梯形的圆形沉孔，沉孔外端面覆盖有第三传感膜片(5)；第一L形通孔由竖向盲孔和横向盲孔构成，第一L形通孔中竖向盲孔平行于一字形通孔设置，第一L形通孔中横向盲孔的孔口为截面为梯形的圆形沉孔，第一L形通孔中沉孔外端面覆盖有第一传感膜片(6)；第二L形通孔由竖向盲孔和横向盲孔构成，第二L形通孔中竖向盲孔平行于一字形通孔设置，第二L形通孔中横向盲孔的孔口为截面为梯形的圆形沉孔，第二L形通孔中沉孔外端面覆盖有第二传感膜片(7)；第一L形通孔中横向盲孔、第二L形通孔中横向盲孔、一字形通孔中任意两个相互垂直；
平面光纤尾纤(2)由跳线接头和光纤段构成，光纤段一端与跳线接头连接，光纤段另一端的端部为平面；第一45度倾斜角尾纤(3)和第二45度倾斜角尾纤(4)由跳线接头和光纤段构成，光纤段一端与跳线接头连接，光纤段另一端的端部为45°斜面；
平面光纤尾纤(2)的光纤段设置在一字形通孔内，平面光纤尾纤(2)的光纤段的端部伸入至沉孔与一字形通孔连接处；第一45度倾斜角尾纤(3)设置在第一L形通孔中竖向盲孔内，第一45度倾斜角尾纤(3)的端部伸入至竖向盲孔底部，第一45度倾斜角尾纤(3)端部的45°斜面朝向第一L形通孔中横向盲孔底部设置；第二45度倾斜角尾纤(4)设置在第二L形通孔竖向盲孔内，第二45度倾斜角尾纤(4)的端部伸入至竖向盲孔底部，第二45度倾斜角尾纤(4)端部的45°斜面朝向第二L形通孔中横向盲孔底部设置；
所述第一传感膜片(6)、第二传感膜片(7)和第三传感膜片(5)为圆片状石英玻璃，圆片状石英玻璃中朝向基础支撑体(1)的表面镀有全电介质反射膜；
所述全电介质反射膜的反射率为50％；
所述第一L形通孔中横向盲孔的孔口的圆形沉孔的外端面直径为1.8mm；
所述第二L形通孔中横向盲孔的孔口的圆形沉孔的外端面直径为1.8mm；
所述一字形通孔上端的圆形沉孔的外端面直径为1.8mm。
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| 用于油中局部放电检测的Fabry-Perot光纤超声传感技术;王伟 等;《高电压技术》;20140331;第40卷(第3期);第814-821页 * |
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