CN111413598A - 局部放电检测用光纤双法珀腔超声波传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种局部放电检测用光纤双法珀腔超声波传感器及其制作方法，包括光源、光纤1/2分光器、光纤、光纤耦合器、光纤EFPI双法珀腔探头、双路光电探测器、高速数据采集装置和差分去噪算法模块；所述的光源通过光纤1/2分光器与光纤耦合器连接，所述的光纤耦合器分别与光纤EFPI双法珀腔探头和双路光电探测器连接，所述的双路光电探测器与高速数据采集装置连接，所述的高速数据采集装置与差分去噪算法模块连接。与现有技术相比，本发明具有消除了系统和外部环境对法珀腔工作时形成的干扰偏差等优点。

Description

局部放电检测用光纤双法珀腔超声波传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种局部放电检测用传感器，尤其是涉及一种局部放电检测用光纤双法珀腔超声波传感器及其制作方法。

背景技术

目前，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，已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内部绝缘缺陷发生局部放电(Partial discharge，PD)的超声波信号检测与定位。

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元器件转换、采集、解调的高性能超声波信号检测系统。现有的常规光纤EFPI传感器原理如图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(反射端面1)和敏感膜片(第二反射端面)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压信号，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，通过采集反射光光强的改变或峰值波长的偏移可复原作用于敏感膜片结构的声波信号。

但目前传感器系统存在量程及工作点稳定问题，由于光强解调具有低成本和响应速度快等特性，目前的研究和应用均选择了光强解调作为EFPI传感器的信号回复方式，受光源功率波动、光纤弯曲损耗、环境温度变化、探测器老化等影响而使传感器测量精度降低，会使“静态工作点”发生漂移，所以都需要采用自补偿措施来确保工作点稳定，用于消除系统和外部环境对法珀腔工作时形成的干扰偏差。

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检测用光纤双法珀腔超声波传感器及其制作方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种局部放电检测用光纤双法珀腔超声波传感器，包括光源、光纤1/2分光器、光纤、光纤耦合器、光纤EFPI双法珀腔探头、双路光电探测器、高速数据采集装置和差分去噪算法模块；所述的光源通过光纤1/2分光器与光纤耦合器连接，所述的光纤耦合器分别与光纤EFPI双法珀腔探头和双路光电探测器连接，所述的双路光电探测器与高速数据采集装置连接，所述的高速数据采集装置与差分去噪算法模块连接。

优选地，所述的光纤1/2分光器采用熔融拉锥分光器，将初始光源分成2路光源进入光纤耦合器中。

优选地，所述的光纤耦合器采用标准光纤双分支耦合器，将光纤1/2分光器形成的两路光源入射进入光纤EFPI双法珀腔探头，并将在光纤EFPI双法珀腔探头发生干涉的反射光送入双路光电探测器进行光电转换为电压信号。

优选地，所述的光纤EFPI双法珀腔探头包括对称结构的双敏感膜片，双法珀腔独立工作，且两个敏感膜片的结构参数、材料和加工工艺相同。

优选地，所述的光纤EFPI双法珀腔探头还包括第一光纤固定护套、第二光纤固定护套、第一固定面板、第二固定面板，所述的第一固定面板和第二固定面板分别用于固定双敏感膜片，两根所述的光纤分别插入第一光纤固定护套和第二光纤固定护套中。

优选地，所述的第一光纤固定护套中的光纤端面为第一反射端面，所述的光纤相对的敏感膜片面为第二反射端面。

优选地，所述的光纤EFPI双法珀腔探头还包括第一防护面板和第二防护面板，固定面板、固定护套、敏感膜片以及两侧的防护面板形成了两个密闭的、独立工作且腔长均为l的法珀腔。

优选地，所述的第一固定面板上设有用于绝缘介质进入的通孔，绝缘介质进入后同时作用于对称分布的两个敏感膜片上。

优选地，所述的差分去噪算法模块定义如下：

I(λ)＝I₁(λ)+I₂(λ)

其中I₁(λ)和I₂(λ)分别为两个法珀腔的反射光强，由于双法珀腔探头工作为对称结构，敏感膜片结构参数、材料和加工工艺均相同，绝缘介质中超声波、系统和外部干扰同时作用于两个敏感膜片，可得：

ΔI₁＝-ΔI₂

其中ΔI₁和ΔI₂为系统和外部环境对两个法珀腔工作时形成的综合干扰偏差；

因此，光纤EFPI双法珀腔探头经过差分去噪算法模块后：

其中R₁和R₂分别是第一反射端面和第二反射端面的反射率，n是法珀腔内介质折射率，l为法珀腔腔长，I₀(λ)是波长为λ的入射光光强；

此外，还可得出光纤EFPI双法珀腔探头工作时存在与采集时间相关的随机动态干扰量：

ΔI＝I₁(λ)-I₂(λ)＝|ΔI₁|+|ΔI₂|。

一种用于所述的局部放电检测用光纤双法珀腔超声波传感器的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：利用粘结剂将第一光纤固定护套和第二光纤固定护套进行粘结装配，形成两个固定护套组合件A；两个敏感膜片插入第二固定面板中定位孔中并用粘结剂固定形成组合件B；

步骤2：在两个固定护套组合件A中分别插入光纤，光纤端面与第一固定护套侧面齐平，以确保最终装配后法珀腔腔长l到达设计值；

步骤3：将组合件B利用粘结剂与步骤2形成的插入光纤后的两个固定护套组合件A对称粘结装配，形成组合件C；

步骤4：利用粘结剂将两个敏感膜片另一端插入第一固定面板中定位孔中并用粘结剂固定，并与步骤3形成的组合件C进行粘结装配；

步骤5：两侧防护面板利用粘结剂与步骤4形成的组合件C进行粘结装配，完成光纤EFPI双法珀腔探头的法珀腔密封。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、采用双敏感膜片对称结构的光纤EFPI双法珀腔探头，双通道输出结合差分去噪算法，消除了系统和外部环境对法珀腔工作时形成的干扰偏差，确保“静态工作点”不发生漂移，无需采用自补偿措施来确保工作点稳定。

2、光纤EFPI双法珀腔超声波传感器探头的加工步骤简单，模块组件化利用粘结工艺即可完成双敏感膜片对称结构的双法珀腔探头制作，适合批量产生以及转化改进。

附图说明

图1为现有的光纤EFPI法珀超声传感器的原理图；

图2为图1的A部放大示意图；

图3为本发明局部放电检测用EFPI光纤双法珀腔超声波传感器的原理图；

图4为本发明双法珀腔超声波传感器探头的结构示意图；

图5为本发明光纤EFPI双法珀腔超声波传感器探头的端部示意图；

图6为本发明光纤EFPI双法珀腔超声波传感器探头的底部示意图；

图7为本发明采用的光纤EFPI双法珀腔超声波传感器探头的加工步骤图；

图8为本发明的光纤EFPI双法珀腔超声波传感器，在变压器油中检测绝缘缺陷局部放电在与放电源不同间隔距离下的信号图。

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。

如图3所示，一种局部放电检测用光纤双法珀腔超声波传感器，包括光源1、光纤1/2分光器2、光纤4、光纤耦合器3、光纤EFPI双法珀腔探头7、双路光电探测器5、高速数据采集装置6和差分去噪算法模块；所述的光源1通过光纤1/2分光器2与光纤耦合器3连接，所述的光纤耦合器3分别与光纤EFPI双法珀腔探头7和双路光电探测器5连接，所述的双路光电探测器5与高速数据采集装置6连接，所述的高速数据采集装置6与差分去噪算法模块连接。

所述的光纤1/2分光器2采用熔融拉锥分光器，将初始光源分成2路光源进入光纤耦合器中。

所述的光纤耦合器3采用标准光纤双分支耦合器，将光纤1/2分光器形成的两路光源入射进入光纤EFPI双法珀腔探头，并将在光纤EFPI双法珀腔探头发生干涉的反射光送入双路光电探测器进行光电转换为电压信号。

如图4所示，所述的光纤EFPI双法珀腔探头7包括对称结构的双敏感膜片71，双法珀腔独立工作，且两个敏感膜片的结构参数、材料和加工工艺相同。

所述的光纤EFPI双法珀腔探头7还包括第一光纤固定护套72、第二光纤固定护套73、第一固定面板74、第二固定面板75，所述的第一固定面板74和第二固定面板75分别用于固定双敏感膜片71，两根所述的光纤4分别插入第一光纤固定护套72和第二光纤固定护套73中。

所述的第一光纤固定护套中的光纤端面为第一反射端面76，所述的光纤相对的敏感膜片面为第二反射端面77。

如图5和图6所示，所述的光纤EFPI双法珀腔探头还包括第一防护面板791和第二防护面板792，固定面板、固定护套、敏感膜片以及两侧的防护面板形成了两个密闭的、独立工作且腔长均为l的法珀腔78。所述的第一固定面板74上设有用于绝缘介质进入的通孔741，电工设备的绝缘介质(变压器为绝缘油)通过探头端部固定面板1上的通孔进入探头，同时作用于对称分布的两个敏感膜片。

所述的光纤EFPI双法珀腔探头其机械工作特性，由两个敏感膜片的等效长度a和膜片厚度h、以及通过通孔进入探头的电工设备绝缘介质(变压器为绝缘油)特性决定。根据多光束干涉原理，经两个法珀腔的反射光强I₁(λ)和I₂(λ)可表示为：

式中：I₀(λ)是波长为λ的入射光光强；n是法珀腔内介质折射率；R₁和R₂是图2所示两个反射端面1和2的反射率；l为法珀腔腔长；ΔI₁和ΔI₂为系统和外部环境对两个法珀腔工作时形成的综合干扰偏差。

所述的差分去噪算法模块定义如下：

I(λ)＝I₁(λ)+I₂(λ) (3)

由于双法珀腔探头工作为对称结构，敏感膜片结构参数、材料和加工工艺等均相同，绝缘介质中超声波、系统和外部干扰同时作用于两个敏感膜片，可得：

ΔI₁＝-ΔI₂ (4)

因此，光纤EFPI双法珀腔探头经过差分去噪算法模块后：

此外，还可以得出光纤EFPI双法珀腔探头工作时存在与采集时间相关的随机动态干扰量：

ΔI＝I₁(λ)-I₂(λ)＝|ΔI₁|+|ΔI₂| (6)

所述的光纤EFPI双法珀腔探头中的两个敏感膜片，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20kHz～500kHz，膜片厚度h加工至数μm至数十μm、等效长度a加工至数十μm至数百μm，光纤端面相对的敏感膜片面即第二反射端面可以选择镀金来提高反射率。

所述的光纤EFPI双法珀腔探头中的法珀腔腔长，根据反射光强I(λ)的灵敏度，设计参数可以选择为数百μm。

所述的光纤EFPI双法珀腔探头中组成的第一光纤固定护套、第二光纤固定护套、第一固定面板、第二固定面板、第一防护面板和第二防护面板，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。

所述的光纤为普通单模光纤，芯径8～10μm，工作波长λ区域：1300～1600nm。

所述的光纤EFPI双法珀腔探头，其加工步骤如图7所示：

步骤1：利用粘结剂将第一光纤固定护套和第二光纤固定护套进行粘结装配，形成两个固定护套组合件A；两个敏感膜片插入第二固定面板中定位孔中并用粘结剂固定形成组合件B；

步骤2：在两个固定护套组合件A中分别插入光纤，光纤端面与第一固定护套侧面齐平，以确保最终装配后法珀腔腔长l到达设计值；

步骤3：将组合件B利用粘结剂与步骤2形成的插入光纤后的两个固定护套组合件A对称粘结装配，形成组合件C；

步骤4：利用粘结剂将两个敏感膜片另一端插入第一固定面板中定位孔中并用粘结剂固定，并与步骤3形成的组合件C进行粘结装配；

步骤5：两侧防护面板利用粘结剂与步骤4形成的组合件C进行粘结装配，完成光纤EFPI双法珀腔探头的法珀腔密封。

图8为采用本发明方法研制的局部放电检测用光纤EFPI双法珀腔超声波传感器，在变压器油中检测绝缘缺陷局部放电在与放电源不同间隔距离下的信号图。

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 (10)

1.一种局部放电检测用光纤双法珀腔超声波传感器，其特征在于，包括光源、光纤1/2分光器、光纤、光纤耦合器、光纤EFPI双法珀腔探头、双路光电探测器、高速数据采集装置和差分去噪算法模块；所述的光源通过光纤1/2分光器与光纤耦合器连接，所述的光纤耦合器分别与光纤EFPI双法珀腔探头和双路光电探测器连接，所述的双路光电探测器与高速数据采集装置连接，所述的高速数据采集装置与差分去噪算法模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种局部放电检测用光纤双法珀腔超声波传感器，其特征在于，所述的光纤1/2分光器采用熔融拉锥分光器，将初始光源分成2路光源进入光纤耦合器中。

3.根据权利要求1所述的一种局部放电检测用光纤双法珀腔超声波传感器，其特征在于，所述的光纤耦合器采用标准光纤双分支耦合器，将光纤1/2分光器形成的两路光源入射进入光纤EFPI双法珀腔探头，并将在光纤EFPI双法珀腔探头发生干涉的反射光送入双路光电探测器进行光电转换为电压信号。

4.根据权利要求1所述的一种局部放电检测用光纤双法珀腔超声波传感器，其特征在于，所述的光纤EFPI双法珀腔探头包括对称结构的双敏感膜片，双法珀腔独立工作，且两个敏感膜片的结构参数、材料和加工工艺相同。

5.根据权利要求4所述的一种局部放电检测用光纤双法珀腔超声波传感器，其特征在于，所述的光纤EFPI双法珀腔探头还包括第一光纤固定护套、第二光纤固定护套、第一固定面板、第二固定面板，所述的第一固定面板和第二固定面板分别用于固定双敏感膜片，两根所述的光纤分别插入第一光纤固定护套和第二光纤固定护套中。

6.根据权利要求5所述的一种局部放电检测用光纤双法珀腔超声波传感器，其特征在于，所述的第一光纤固定护套中的光纤端面为第一反射端面，所述的光纤相对的敏感膜片面为第二反射端面。

7.根据权利要求5所述的一种局部放电检测用光纤双法珀腔超声波传感器，其特征在于，所述的光纤EFPI双法珀腔探头还包括第一防护面板和第二防护面板，固定面板、固定护套、敏感膜片以及两侧的防护面板形成了两个密闭的、独立工作且腔长均为l的法珀腔。

8.根据权利要求5所述的一种局部放电检测用光纤双法珀腔超声波传感器，其特征在于，所述的第一固定面板上设有用于绝缘介质进入的通孔，绝缘介质进入后同时作用于对称分布的两个敏感膜片上。

9.根据权利要求6所述的一种局部放电检测用光纤双法珀腔超声波传感器，其特征在于，所述的差分去噪算法模块定义如下：

I(λ)＝I₁(λ)+I₂(λ)

其中I₁(λ)和I₂(λ)分别为两个法珀腔的反射光强，由于双法珀腔探头工作为对称结构，敏感膜片结构参数、材料和加工工艺均相同，绝缘介质中超声波、系统和外部干扰同时作用于两个敏感膜片，可得：

ΔI₁＝-ΔI₂

其中ΔI₁和ΔI₂为系统和外部环境对两个法珀腔工作时形成的综合干扰偏差；

因此，光纤EFPI双法珀腔探头经过差分去噪算法模块后：

其中R₁和R₂分别是第一反射端面和第二反射端面的反射率，n是法珀腔内介质折射率，l为法珀腔腔长，I₀(λ)是波长为λ的入射光光强；

此外，还可得出光纤EFPI双法珀腔探头工作时存在与采集时间相关的随机动态干扰量：

ΔI＝I₁(λ)-I₂(λ)＝|ΔI₁|+|ΔI₂|。

10.一种用于权利要求1所述的局部放电检测用光纤双法珀腔超声波传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用粘结剂将第一光纤固定护套和第二光纤固定护套进行粘结装配，形成两个固定护套组合件A；两个敏感膜片插入第二固定面板中定位孔中并用粘结剂固定形成组合件B；

步骤2：在两个固定护套组合件A中分别插入光纤，光纤端面与第一固定护套侧面齐平，以确保最终装配后法珀腔腔长l到达设计值；

步骤3：将组合件B利用粘结剂与步骤2形成的插入光纤后的两个固定护套组合件A对称粘结装配，形成组合件C；

步骤4：利用粘结剂将两个敏感膜片另一端插入第一固定面板中定位孔中并用粘结剂固定，并与步骤3形成的组合件C进行粘结装配；

步骤5：两侧防护面板利用粘结剂与步骤4形成的组合件C进行粘结装配，完成光纤EFPI双法珀腔探头的法珀腔密封。

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