CN109916500A - 局部放电光纤efpi传感器的非密封式法珀腔探头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种局部放电光纤EFPI传感器的非密封式法珀腔探头，包括敏感膜片、套管、固定护套、压力平衡孔、光纤，所述的敏感膜片安装在套管一端，所述的固定护套插入套管另一端，所述的光纤插入固定护套中，所述的光纤、固定护套、套管和敏感膜片连接后形成非密封式法珀腔，所述的压力平衡孔设在固定护套中并与非密封式法珀腔连通。与现有技术相比，本发明具有性能更加稳定等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种，尤其是涉及一种局部放电光纤EFPI传感器的非密封式法珀腔探头。
背景技术
大量的研究资料表明，基于光纤耦合技术的光纤传感器，在电工设备局部放电(PD)超声波、光信号和脉冲电流检测中具有很好的应用前景。经过多年相关技术的发展和探索，采用非本征型法珀干涉仪(Extrinsic Fabry-Perot Interferometer,EFPI)传感器法即光纤EFPI传感器，被广泛研究和应用于电工设备如变压器和气体绝缘组合电器等设备局部放电的超声波信号检测。
光纤EFPI传感器是一套使用敏感膜片结构将超声波转换为机械振动，再利用法珀干涉技术将机械振动转化为光学参量变化，最终被光电探测器等相关仪器转化、采集、解调的高性能声超波检测系统。其系统原理图如图1所示，光源发出的光经过光纤和耦合器(环形器)进入由光纤端面和敏感膜片结构组成的法珀腔，在法珀腔发生法珀干涉后反射回光纤，最终再经过光纤耦合器被光电探测器转换成电信号，并高速数据采集装置采集后存储、分析和显示。当敏感膜片结构被超声波激励振动时，会引起法珀腔长的改变，最终导致法珀干涉光强的改变或干涉峰值波长的偏移，通过采集光强的改变或峰值波长的偏移可最终复原声波信号。
工作环境压力是影响EFPI传感器法珀腔敏感膜片工作的首要因素。能够安装PD检测用光纤EFPI传感器的变压器，其在注油前需要抽真空，EFPI传感器安装在变压器箱体内，承受抽真空和油面高度(最高约5米)带来的压力。压力会引起EFPI传感器法珀腔膜(图2)敏感膜片发生凸凹形变引起干涉工作点相位的变化外，甚至存在破坏膜片的风险。另外，如果将EFPI传感器用于气体绝缘组合电器设备PD超声波信号的在线监测或带电检测，0.5MPa的SF6气体压力比变压器的工作环境压力更严酷。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种局部放电光纤EFPI传感器的非密封式法珀腔探头。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种局部放电光纤EFPI传感器的非密封式法珀腔探头，包括敏感膜片、套管、固定护套、压力平衡孔、光纤，所述的敏感膜片安装在套管一端，所述的固定护套插入套管另一端，所述的光纤插入固定护套中，所述的光纤、固定护套、套管和敏感膜片连接后形成非密封式法珀腔，所述的压力平衡孔设在固定护套中并与非密封式法珀腔连通。
优选地，所述的探头的机械工作特性由敏感膜片等效长度2a和膜片厚度h、以及电工设备绝缘介质特性决定。
优选地，与所述的敏感膜片相对的光纤端面上设有反射端面1，所述的敏感膜片对应位置设有反射端面2。
优选地，所述的探头的光转换工作特性由光源特性、光纤工作波长λ、法珀腔长l、以及光纤端面决定的反射端面1和敏感膜片内侧面决定的反射端面2两者的反射率决定。
优选地，所述的反射端面2设有镀金。
优选地，所述的敏感膜片选择硅或者二氧化硅材料。
优选地，所述的光纤为单模光纤，芯径8～10μm，工作波长λ区域为1300～1600nm。
优选地，所述的压力平衡孔，对固定护套进行通孔处理，孔径R选择敏感膜片等效长度2a的1/10～1/8。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、采用压力平衡孔后法珀腔探头为非密封式，装置在变压器和气体绝缘组合电器设备后，不受设备运行环境压力影响，可以在安装后的设备中稳定工作；
2、敏感膜片工作时两侧不同介质，变成了相同介质且不存在压力差，使得传感器检测特性固有频率、灵敏度等建模分析变的简单，而且性能更加稳定。
附图说明
图1为现有的光纤EFPI传感器的原理图；
图2为现有的光纤EFPI传感器采用的密封式法珀腔；
图3为本发明采用非密封式的法珀腔。
图4为本发明采用非密封式法珀腔的压力平衡孔布置方式，其中(a)为长方体法珀腔，(b)为圆柱体法珀腔。
图5为本发明采用非密封式法珀腔的光纤EFPI传感器在变压器油中检测到的超声波信号与特高频UHF电磁波信号的对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
一种局部放电光纤EFPI传感器的非密封式法珀腔探头，如图3所示，包括敏感膜片、套管、固定护套、压力平衡孔、光纤。
所述的非密封式法珀腔探头，其机械工作特性由敏感膜片等效长度2a和膜片厚度h、以及电工设备绝缘介质(变压器为绝缘油，气体绝缘组合电器设备为SF6气体)特性决定。
所述的非密封式法珀腔探头，其光转换工作特性由光源特性、光纤工作波长λ、法珀腔长l、以及光纤端面决定的反射端面1和敏感膜片内侧面决定的反射端面2两者的反射率决定。
所述的敏感膜片，可以选择硅或者二氧化硅材料，利用MEMS技术根据电工设备PD超声波信号的频率范围，加工至数μm至数十μm，其内侧决定的反射端面2选择镀金来提高反射率。
所述的套管和固定护套，由于EFPI传感器为内置式传感器，为避免对电工设备内部电场的影响，采用环氧树脂等绝缘材料。
所述的光纤为单模光纤，芯径8～10μm，工作波长λ区域：1300～1600nm。
所述的压力平衡孔，对固定护套进行通孔处理，孔径R选择敏感膜片等效长度2a(方形为边长、圆形为直径)的1/10～1/8，一般选择2个对称方式进行布置(见图4)，也可仅布置单个或多个。
图5为本发明采用非密封式法珀腔的光纤EFPI传感器在变压器油中检测到的超声波信号与特高频UHF电磁波信号的对比图。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种局部放电光纤EFPI传感器的非密封式法珀腔探头，其特征在于，包括敏感膜片、套管、固定护套、压力平衡孔、光纤，所述的敏感膜片安装在套管一端，所述的固定护套插入套管另一端，所述的光纤插入固定护套中，所述的光纤、固定护套、套管和敏感膜片连接后形成非密封式法珀腔，所述的压力平衡孔设在固定护套中并与非密封式法珀腔连通。
2.根据权利要求1所述的一种局部放电光纤EFPI传感器的非密封式法珀腔探头，其特征在于，所述的探头的机械工作特性由敏感膜片等效长度2a和膜片厚度h、以及电工设备绝缘介质特性决定。
3.根据权利要求1所述的一种局部放电光纤EFPI传感器的非密封式法珀腔探头，其特征在于，与所述的敏感膜片相对的光纤端面上设有反射端面1，所述的敏感膜片对应位置设有反射端面2。
4.根据权利要求3所述的一种局部放电光纤EFPI传感器的非密封式法珀腔探头，其特征在于，所述的探头的光转换工作特性由光源特性、光纤工作波长λ、法珀腔长l、以及光纤端面决定的反射端面1和敏感膜片内侧面决定的反射端面2两者的反射率决定。
5.根据权利要求3所述的一种局部放电光纤EFPI传感器的非密封式法珀腔探头，其特征在于，所述的反射端面2设有镀金。
6.根据权利要求1所述的一种局部放电光纤EFPI传感器的非密封式法珀腔探头，其特征在于，所述的敏感膜片选择硅或者二氧化硅材料。
7.根据权利要求1所述的一种局部放电光纤EFPI传感器的非密封式法珀腔探头，其特征在于，所述的光纤为单模光纤，芯径8～10μm，工作波长λ区域为1300～1600nm。
8.根据权利要求1所述的一种局部放电光纤EFPI传感器的非密封式法珀腔探头，其特征在于，所述的压力平衡孔，对固定护套进行通孔处理，孔径R选择敏感膜片等效长度2a的1/10～1/8。
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