CN112345894A - 一种适用液体环境局部放电超声检测f-p传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种适用液体环境局部放电超声检测F‑P传感器，包括激光器、信号发生器、光纤环形器、F‑P传感探头、光电探测器和示波器，激光器输出激光经隔离器滤波后形成特定波长的激光，经过光纤环形器及单模光纤输入至F‑P传感探头，F‑P传感探头由两个反射面构成，信号发生器产生超声信号，超声信号会改变谐振腔两个反射面之间的光程，干涉信息经过光纤环形器输出至光电探测器，光电探测器滤除干扰信号后将光信号转换为电信号，最后将转换的结果输入到示波器并显示。本发明传感器可在液下进行腔长调整与固定，并对液体环境中的超声波信号进行检测，体积小，制备简单，成本低。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感器器件技术领域，涉及一种适用液体环境局部放电超声检测F-P传感器及制备方法。
背景技术
局部放电是导致电气设备绝缘体绝缘性能下降的主要原因，局部放电作用下电气设备绝缘状况的恶性循环，最终会导致整个绝缘系统破坏，据2004年国家电网110kV以上变压器事故统计分析显示，发生损坏的变压器的故障部位主要是变压器绕组、主绝缘及引线和内层套管，由纵绝缘或主绝缘故障而引起的变压器损坏数量占全部变压器损坏数量的81.1％，因此有效地检测局部放电是保障电气设备安全运行的重要手段。
光纤超声传感技术通过光纤的传光特性，将超声波引起的空气压强变化转换为光的强度、相位、偏振态、频率、波长等参数变化，通过解调光信号后获得被测参数信息，其尺寸较小、结构紧凑，灵敏度可通过光功率调节，光纤本身的材料属性使其抗电磁干扰能力较强，其中光纤Fabry-Perot传感器灵敏度高，稳定性强，抗电磁干扰能力强、体积小、绝缘性能好。电气设备局部放电产生的超声波信号频段一般为20kHz～200kHz，需合理地设计光纤Fabry-Perot传感器膜片的半径和厚度，使得其一阶固有频率处在20kHz～200kHz之间，并且共振时具有较大的挠度η，从而增大腔长的变化范围，可提高Fabry-Perot传感器的灵敏度。为了在液下环境长时间正常工作，需要该光纤Fabry-Perot传感器具有抗腐蚀，防水等特性，通过在外涂覆353ND胶的方式，可防止法珀腔进水受潮，使光纤F-P超声波传感器能够置于变压器内部的液体环境中，在一定程度上解决了压电换能器接收设备内部局放产生的超声波信号时,声波经油－壳体传输的多路径问题和壳体对声波的衰减问题，因此，有必要研究适合与液体环境中能够进行超声波检测的F-P传感器的制备方法，使之能够更为灵敏稳定的对局部放电信号进行在线检测。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于，提供了一种适用液体环境局部放电超声检测F-P传感器及制备方法，通过液下确定F-P传感器最佳腔长，涂覆353ND胶保护F-P传感器在液体环境不受潮损坏。此方法制作出的传感器能够在液体环境中对超声波信号进行检测，且体积小，制备简单，成本低。
本发明采用如下的技术方案：
一种适用液体环境局部放电超声检测F-P传感器，包括激光器、信号发生器、光纤环形器、F-P传感探头、光电探测器和示波器，
激光器输出激光经隔离器滤波后形成特定波长的激光，经过光纤环形器及单模光纤输入至F-P传感探头，F-P传感探头由两个反射面构成，信号发生器产生超声信号，超声信号会改变谐振腔两个反射面之间的光程，干涉信息经过光纤环形器输出至光电探测器，光电探测器滤除干扰信号后将光信号转换为电信号，最后将转换的结果输入到示波器并显示，
其中，F-P传感器为法布里-珀罗传感器。
所述激光器输出激光波长为1550nm。
所述光电探测器内部设置滤波单元，用于滤除频率为10kHz以下及300kHz以上的干扰信号。
所述F-P传感探头是由石英套管并利用紫外固化胶粘附不锈钢膜片并照射紫外光源而制成，其中，不锈钢膜片的厚度为h＝120μm，有效半径为a＝1.5mm，在石英套管与不锈钢膜片连接处涂覆一层353ND胶；
所述的石英套管为方形结构，且内层套管前后小孔处均有梯形槽，用于胶水渗入。
一种适用液体环境局部放电超声检测F-P传感器的制备方法，制备方法包括：
步骤1，光纤传感器法珀腔探头敏感膜片设计加工；
步骤2，石英套管的设计加工；
步骤3，敏感膜片与石英套管的粘贴；
步骤4，法珀腔探头光纤水下装配；
步骤5，F-P传感探头表面ND胶涂覆。
所述步骤1中，在空气环境下膜片的一阶固有频率与膜片的物理性质、尺寸的具体关系如下：
考虑到F-P传感器在液体环境中工作时，处在液体中的膜片一阶固有频率修正后的表达式如下：
圆形膜片中心挠度Δη与受到压强ΔP的关系为
其中，f为F-P传感器膜片的固有频率，fL为处在液体中的膜片一阶固有频率修正后的频率，h为膜片厚度，a为圆膜片的半径，E为材料的杨氏弹性模量，ρ为材料的密度，ρ0为液体的相对密度，μ为材料泊松比；
根据液体环境中一阶固有频率与膜片尺寸的关系设计膜片参数，厚度及有效半径为h＝120μm、a＝1.5mm。
所述步骤2中，步骤1设计的膜片有效半径为b，石英套管的内径d2等于膜片的有效直径2b，为使光纤能够恰好插入石英套管，使内层套管内径d1等于光纤外径。
所述步骤3中，将加工完成的石英套管右侧小孔以外部分涂覆紫外固化胶，加工完成的不锈钢膜片完全贴合于内层套管表面，采用紫外光源照射五次，每次10秒。
所述步骤4包括：
步骤4.1：将加工完成的内层套管固定在位移台上，取一根光纤，固定在光纤夹具上，利用位移台使光纤端面与内层套管小孔端面对齐固定，其中X轴控制位移操作台前后移动，Y轴控制位移操作台左右移动，Z轴控制位移操作台上下移动，向液体盛置盒内加入液体，通过调节Y轴和Z轴旋钮，使得光纤插入内层套管，利用位移台X轴控制旋钮使光纤侧位移台前后移动，直至光纤插芯触碰到膜片；
步骤4.2：调节位移台X轴控制旋钮，同时观察示波器输出信号，当示波器输出信号最强且不失真时，停止调节；
步骤4.3：利用针管取紫外固化胶，涂覆在内层套管与光纤插芯连接处，随即用紫外光源照射涂抹的位置五次，每次10秒，使得紫外固化胶迅速凝固，以固定光纤插芯位置。
所述步骤5中，为在液体环境中保护F-P传感器，避免F-P腔进水受潮，取下步骤4完成的整根光纤及F-P传感探头，在膜片与内层套管的连接处涂覆一层353ND胶，将353NDPartA&B组份以10:1的比例进行混合，将混合后的ND胶涂覆于不锈钢膜片与石英套管的连接处，随后放入电热恒温鼓风干燥箱中，在80℃下烘干15分钟后取出，完成适合于在液体环境中进行超声波检测的F-P传感器。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
基于本发明的技术方案，该传感器可在液下进行最佳腔长的确定。基于本发明的技术方案，带有梯形槽结构的方形石英套管能更有效的进行胶水的粘接且具有抗震效果。基于本发明的技术方案，利用放大器将输出电信号放大100倍并进行滤波后能更有效的进行局放信号检测。基于本发明的技术方案，F-P传感器能够置于变压器内部的液体环境中，在一定程度上解决了压电换能器接收设备内部局放产生的超声波信号时,声波经油－壳体传输的多路径问题和壳体对声波的衰减问题。
附图说明
图1所示为本发明性能测试系统示意图；
图2所示为光纤F-P传感器不同频率下传感器响应输出特性；
图3所示为本发明内层套管示意图；
图4所示为本发明较佳实施例的F-P传感探头图；
图5所示为本发明水下加工装置示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
传感器由激光光源、信号发生器、光纤环形器、F-P传感探头、光电探测器、示波器等组成请参考附图1，图1所示为本发明性能测试系统示意图。F-P传感器的探头是使用石英套管并利用紫外固化胶粘附厚度及有效半径为h＝120μm，a＝1.5mm的不锈钢膜片并照射紫外光源而成，为确保其防水能力，在石英套管与不锈钢膜片连接处涂覆一层353ND胶。激光器输出的波长为1550nm的光经隔离器滤波后形成特定波长的激光，信号发生器产生超声信号，经过环形器及单模光纤输入至此不锈钢F-P传感探头，F-P传感探头由两个反射面构成，一面是空气，一面是上述不锈钢膜片，超声波信号会改变谐振腔这两个反射面之间的光程，它们的干涉结果再经过环形器输出至光电探测器，所述光电探测器内部设置滤波单元，用于滤除干扰信号，干扰信号的频率为10kHz以下及300kHz以上，光电探测器将光信号转换为电信号，最后将转换的结果输入到示波器并显示。当信号发生器输出79kHz的信号时，示波器显示输出信号最强。请参考附图2，图2所示为光纤F-P传感器不同频率下传感器响应输出特性。
一种适用于液体环境局部放电超声检测的F-P传感器，包括以下五个步骤：光纤传感器法珀腔探头敏感膜片设计加工；石英套管的设计加工；敏感膜片与石英套管的粘贴；法珀腔探头光纤水下装配；F-P传感探头表面ND胶涂覆。
所述的步骤一：光纤传感器法珀腔探头敏感膜片设计加工。
膜片式传感器对声波的敏感特性与频率关系密切，当膜片的一阶固有频率与被测声波频率接近时，振动效果将显著增强。对膜片的振动频率进行分析，得到在空气环境下膜片的一阶固有频率与膜片的物理性质、尺寸的具体关系如下：
考虑到F-P传感器在液体环境中工作时，处在液体中的膜片发生振动时，液体对膜片的作用力较大，会影响膜片的振动，使得传感器膜片在气体和液体介质中的固有频率f不相等，膜片在一面接触液体，一面接触气体环境中进行振动时，其一阶固有频率应进行修正，修正后的表达式如下：
F-P传感器的柔性膜片在声压作用下凹凸变化，由于光纤F-P传感器的光纤对准的是膜片中心，因此F-P腔长只与圆形膜片中心处的位移有关。圆形膜片中心挠度Δη与受到压强ΔP的关系为
(1)-(3)式中：其中，f为F-P传感器的固有频率，fL为处在液体中的膜片一阶固有频率修正后的频率，h为膜片厚度，a为圆膜片的半径，E为材料的杨氏弹性模量，ρ为材料的密度，ρ0为液体的相对密度，μ为材料泊松比。
增大振动膜直径减小厚度，可以提高压力挠度灵敏度，但是会降低一阶频率。当EFPI传感器设计的固有频率f一定时，膜片有效半径a与膜片厚度h的比值a/h越大，振动膜片中心的响应位移Δη越大，EFPI传感器的灵敏度越高。确定需要检测的超声波信号的频率大小后根据上述公式确定膜片有效半径a与膜片厚度h为a＝1.5mm，h＝120μm。
采用激光切割机进行切割，将待加工的膜片固定在激光切割机上，通过EzCad软件画出设计好的膜片尺寸，调整激光源的位置，使其对准待加工膜片的中心，设置激光切割机的输出功率30W和切割次数48次后，进行切割。
所述的步骤二：石英套管的设计。请参考附图3，图3所示为本发明内层套管示意图。步骤一中设计的膜片有效半径为b，因此石英套管的内径d2应等于膜片的有效直径2b，为使光纤能够恰好插入石英套管，应使内层套管内径d1等于光纤外径。
所述的步骤三：敏感膜片与石英套管的粘贴。将步骤三加工完成的内层套管右侧小孔以外部分涂覆紫外固化胶，将步骤二加工完成的不锈钢膜片完全贴合于内层套管表面，采用紫外光源从各个角度照射五次，每次10秒。请参考附图4，图4所示为本发明较佳实施例的F-P传感探头示意图。
所述的步骤四：法珀腔探头光纤水下装配。
(1).将加工完成的内层套管固定在位移台上。取一根光纤，固定在光纤夹具上，利用位移台使光纤端面与内层套管小孔端面对齐固定，其中X轴控制位移操作台前后移动，Y轴控制位移操作台左右移动，Z轴控制位移操作台上下移动，向液体盛置盒内加入液体，通过调节Y轴和Z轴旋钮，使得光纤刚好可以插入内层套管，利用位移台X轴控制旋钮使光纤侧位移台前后移动，直至光纤插芯刚好触碰到膜片。
(2).调节位移台X轴控制旋钮，同时观察示波器输出信号，当示波器输出信号最强且不失真时，停止调节。
(3).利用针管取少量紫外固化胶，少量多次涂覆在内层套管与光纤插芯连接处，随即用紫外光源照射涂抹的位置，从各个角度照射五次，每次10秒，使得紫外固化胶迅速凝固，以固定光纤插芯位置。
所述的步骤五：探头表面ND胶涂覆。为在液体环境中保护F-P传感器，避免F-P腔进水受潮，取下步骤四完成的整根光纤及探头，在膜片与内层套管的连接处涂覆一层353ND胶，将353ND PartA&B组份以10:1的比例进行混合，将混合后的ND胶涂覆于不锈钢膜片与石英套管的连接处，随后将光纤F-P传感器放入DHG-9030A电热恒温鼓风干燥箱中，在80℃下烘干15分钟后取出，完成适合于在液体环境中进行超声波检测的F-P传感器。所述的光纤为普通单模光纤。所述的紫外固化胶采用当下高强度高透明的9310强力无影胶，所述的紫外光源为紫外固化灯。
本发明所述的水下加工装置请参考附图5，图5所示为本发明水下加工装置示意图。液体盛置盒置于位移台上，光纤夹具位置固定，位移台X轴旋钮调节前后、Y轴旋钮调节左右、Z轴旋钮调节上下，能够带动内层套管侧夹具及液体盛置盒一起移动。激光器输出波长为1550nm的光，经隔离器滤波后形成特定波长的激光，经过环形器及单模光纤输入至此不锈钢F-P传感器，信号发生器产生100kHz超声信号，将F-P传感器与谐振频率大于300kHz的压电晶体固定在液体中，控制两者相对位置不变，通过位移台控制内层套管，不断调整插芯位置，通过光电探测器将光信号转换为电信号，最后将转换的结果输入到示波器并显示，在示波器信号最强处利用针管及紫外固化胶进行光纤及内层套管的粘接，随后在粘接位置照射紫外光源，使紫外固化胶迅速凝固。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种适用液体环境局部放电超声检测F-P传感器，包括激光器、信号发生器、光纤环形器、F-P传感探头、光电探测器和示波器，其特征在于，
激光器输出激光经隔离器滤波后形成特定波长的激光，经过光纤环形器及单模光纤输入至F-P传感探头，F-P传感探头由两个反射面构成，信号发生器产生超声信号，超声信号会改变谐振腔两个反射面之间的光程，干涉信息经过光纤环形器输出至光电探测器，光电探测器滤除干扰信号后将光信号转换为电信号，最后将转换的结果输入到示波器并显示，
其中，F-P传感器为法布里-珀罗传感器。
2.根据权利要求1所述的一种适用液体环境局部放电超声检测F-P传感器，其特征在于，
所述激光器输出激光波长为1550nm。
3.根据权利要求1所述的一种适用液体环境局部放电超声检测F-P传感器，其特征在于，
所述光电探测器内部设置滤波单元，用于滤除频率为10kHz以下及300kHz以上的干扰信号。
4.根据权利要求1所述的一种适用液体环境局部放电超声检测F-P传感器，其特征在于，
所述F-P传感探头是由石英套管并利用紫外固化胶粘附不锈钢膜片并照射紫外光源而制成，其中，不锈钢膜片的厚度为h＝120μm，有效半径为a＝1.5mm，在石英套管与不锈钢膜片连接处涂覆一层353ND胶；
所述的石英套管为方形结构，且内层套管前后小孔处均有梯形槽，用于胶水渗入。
5.一种如权利要求1-4中任一权利要求所述一种适用液体环境局部放电超声检测F-P传感器的制备方法，其特征在于，制备方法包括：
步骤1，光纤传感器法珀腔探头敏感膜片设计加工；
步骤2，石英套管的设计加工；
步骤3，敏感膜片与石英套管的粘贴；
步骤4，法珀腔探头光纤水下装配；
步骤5，F-P传感探头表面ND胶涂覆。
6.根据权利要求5所述的一种适用液体环境局部放电超声检测F-P传感器的制备方法，其特征在于，
所述步骤1中，在空气环境下膜片的一阶固有频率与膜片的物理性质、尺寸的具体关系如下：
考虑到F-P传感器在液体环境中工作时，处在液体中的膜片一阶固有频率修正后的表达式如下：
圆形膜片中心挠度Δη与受到压强ΔP的关系为
其中，f为F-P传感器膜片的固有频率，fL为处在液体中的膜片一阶固有频率修正后的频率，h为膜片厚度，a为圆膜片的半径，E为材料的杨氏弹性模量，ρ为材料的密度，ρ0为液体的相对密度，μ为材料泊松比；
根据液体环境中一阶固有频率与膜片尺寸的关系设计膜片参数，厚度及有效半径为h＝120μm、a＝1.5mm。
7.根据权利要求5所述的一种适用液体环境局部放电超声检测F-P传感器的制备方法，其特征在于，
所述步骤2中，步骤1设计的膜片有效半径为b，石英套管的内径d2等于膜片的有效直径2b，为使光纤能够恰好插入石英套管，使内层套管内径d1等于光纤外径。
8.根据权利要求5所述的一种适用液体环境局部放电超声检测F-P传感器的制备方法，其特征在于，
所述步骤3中，将加工完成的石英套管右侧小孔以外部分涂覆紫外固化胶，加工完成的不锈钢膜片完全贴合于内层套管表面，采用紫外光源照射五次，每次10秒。
9.根据权利要求5所述的一种适用液体环境局部放电超声检测F-P传感器的制备方法，其特征在于，
所述步骤4包括：
步骤4.1：将加工完成的内层套管固定在位移台上，取一根光纤，固定在光纤夹具上，利用位移台使光纤端面与内层套管小孔端面对齐固定，其中X轴控制位移操作台前后移动，Y轴控制位移操作台左右移动，Z轴控制位移操作台上下移动，向液体盛置盒内加入液体，通过调节Y轴和Z轴旋钮，使得光纤插入内层套管，利用位移台X轴控制旋钮使光纤侧位移台前后移动，直至光纤插芯触碰到膜片；
步骤4.2：调节位移台X轴控制旋钮，同时观察示波器输出信号，当示波器输出信号最强且不失真时，停止调节；
步骤4.3：利用针管取紫外固化胶，涂覆在内层套管与光纤插芯连接处，随即用紫外光源照射涂抹的位置五次，每次10秒，使得紫外固化胶迅速凝固，以固定光纤插芯位置。
10.根据权利要求5所述的一种适用液体环境局部放电超声检测F-P传感器的制备方法，其特征在于，
所述步骤5中，为在液体环境中保护F-P传感器，避免F-P腔进水受潮，取下步骤4完成的整根光纤及F-P传感探头，在膜片与内层套管的连接处涂覆一层353ND胶，将353ND PartA&B组份以10:1的比例进行混合，将混合后的ND胶涂覆于不锈钢膜片与石英套管的连接处，随后放入电热恒温鼓风干燥箱中，在80℃下烘干15分钟后取出，完成适合于在液体环境中进行超声波检测的F-P传感器。
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