CN113138014A - 一种组合式光纤efpi宽频带pd超声波检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检测系统，该系统包括光源、光纤1/2分光器、光纤、光纤耦合器、第一光缆头、第一16芯光缆、第二光缆头、光纤EFPI传感组合探头、第三光缆头、第二16芯光缆、第四光缆头、多路光电探测器、第一同轴电缆、宽频带信号叠加放大装置、第二同轴电缆、高速数据采集装置。与现有技术相比，本发明具有以下优点：解决了现行谐振频率工作下的EFPI传感器仅能用于窄带测量超声波信号的问题，满足了局部放电超声波信号20kHz～500kHz的频带要求等。
Description
技术领域
本发明涉及宽频带PD超声波检测领域，尤其是涉及一种组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检测系统。
背景技术
非本征型法珀干涉仪(Extrinsic Fabry-Perot Interferometer,EFPI)光纤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，目前已被用来检测大型电力设备内部绝缘缺陷产生局部放电(Partial discharge,PD)的超声波信号。如图1所示，该传感器法珀腔探头一般由含光纤的芯体、圆形套筒和敏感膜片(超声波耦合振动元件)组成；主要工作参数有：振动膜片厚度为h、振动膜片有效直径2a、法珀腔腔长l以及法珀腔两个反射端面反射率R1和R2。依据弹性力学原理，四周完全约束圆形膜片的一阶固有频率f(谐振频率)以及在超声波信号产生的压强P之下膜片振动其中心产生的位移即灵敏度y(S)，如下所示：
式中：C为常数；a为敏感膜片有效长度(半径)；D为抗弯刚度；g为重力加速度；h为敏感膜片厚度；ρ为膜片材料密度；E为膜片材料弹性模量；μ为膜片材料泊松比。
根据式(1)～(2)，可以得出在材料选定，光纤EFPI传感器工作性能主要参数f和y(S)y(s)由敏感膜片厚度h和有效长度(半径)a决定。敏感膜片的固有频率f与其厚度h成正比，与膜片的有效长度(半径)a的二次方成反比；在保持膜片固有频率f不变时，振动膜片的厚度h越薄，膜片的灵敏度y(S)越大。因此，在保证光纤EFPI传感器具有一定灵敏度y(S)的前提下，研制的传感器频率响应曲线通常为如图2所示，即以谐振频率f为传感器工作的中心响应频率，用于超声波信号的窄带测量。
由于电力设备内部绝缘缺陷产生PD的超声波信号频率数十至数百kHz，为了避免设备振动等干扰以及兼顾不同缺陷产生PD超声波信号的频率特性，电力行业标准DL/T1416-2015超声波法局部放电测试仪通用技术条件推荐传感器工作频率测量范围应在20kHz～500kHz，这使得基于现有的单一光纤EFPI传感器的超声波检测方法和系统在实际应用上存在漏检问题，对某些绝缘缺陷产生的超声波信号不敏感，容易造成检测结果无法判别是否存在绝缘缺陷造成检修不及时引发的绝缘击穿恶性事故。
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组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检测系统及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检测系统，该系统包括光源、光纤1/2分光器、光纤、光纤耦合器、第一光缆头、第一16芯光缆、第二光缆头、光纤EFPI传感组合探头、第三光缆头、第二16芯光缆、第四光缆头、多路光电探测器、第一同轴电缆、宽频带信号叠加放大装置、第二同轴电缆、高速数据采集装置；
单个所述的光源通过光纤连接光纤1/2分光器，经过4次光纤1/2分光器后，分成16路相同的光源信号送入16个光纤耦合器，16个光纤耦合器输出的16路光纤与第一16芯光缆通过第一光缆头实现16路独立光路对接，所述的光纤EFPI传感组合探头通过第二光缆头与第一16芯光缆实现16路独立光路对接，所述的16个光纤耦合器通过光纤将光纤EFPI传感组合探头反馈的16路光信号依次通过光纤、第三光缆头、第二16芯光缆、第四光缆头输入多路光电探测器，所述的多路光电探测器通过第一同轴电缆将16个对应的电压信号送入宽频带信号叠加放大模块，完成电压信号叠加后通过第二同轴电缆接入高速数据采集装置，完成超声波信号的检测。
优选地，所述的光源为DFB激光器或ASE光源或发光二极管LED或超辐射发光二极管SLD。
优选地，所述的光纤1/2分光器为将光源入射光等分为2路的光纤器件。
优选地，所述的光纤为单模光纤，芯径为8μm～10μm，工作波长λ区域：1300nm～1600nm。
优选地，所述的光纤耦合器为Y型结构的光纤耦合器，工作波长λ区域：1300nm～1600nm，各种损耗均大于50dB。
优选地，所述的第一光缆头、第二光缆头第三光缆头和第四光缆头，为利用绝缘胶布将16个光纤按照4×4对称排列固定形成具有适配器套管的光纤连接器；
所述的第一16芯光缆和第二16芯光缆，为与所述的第一光缆头、第二光缆头第三光缆头和第四光缆头匹配的16路独立工作光纤。
优选地，所述的光纤EFPI传感组合探头，是采用16个对称结构分布的谐振频率为f1～f16的光纤EFPI探头粘结装配制作而成的探头；
所述的16个光纤EFPI探头中的敏感膜片处于同一平面；
所述的光纤EFPI探头包括密封式圆形套管式法珀腔探头和带通孔的3D打印绝缘件，所述的带通孔的3D打印绝缘件用于保护、固定密封式圆形套管式法珀腔探头以及便于整体粘结装配；
所述的谐振频率f1～f16按照等间隔谐振频率来选择敏感膜片的厚度和有效长度以达到20kHz～500kHz的宽频带响应。
优选地，所述的多路光电探测器，为光子探测式多通道转换装置，工作波长λ区域：1300nm～1600nm；
所述的高速数据采集装置的参数设置为：14bit精度，2MS/s采样率，1MHz模拟带宽。
优选地，所述的第一同轴电缆和第二同轴电缆，为带屏蔽层的宽频同轴电缆，特征阻抗为75Ω。
优选地，所述的宽频带信号叠加放大模块的电路参数包括：
U-＝U+＝0 (1)
由虚断及基尔霍夫定律知，通过R1～R16的电流之和等于通过Rb的电流，得：
(1)代入(2)得：
取R1～R16和Rb的阻值相等，则得：
U1+U2+…U16＝Uout (4)
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明利用不同谐振频率响应的EFPI探头进行组合，形成了宽频带检测装置，解决了现行谐振频率工作下的EFPI传感器仅能用于窄带测量超声波信号的问题，满足了局部放电超声波信号20kHz～500kHz的频带要求，杜绝了实际应用上存在的漏检问题。
2、本发明的高速数据采集装置16，14bit精度、2MS/s采样率、1MHz模拟带宽，满足20kHz～500kHz超声波信号的采样要求
3、本发明为达到20kHz～500kHz的宽频带响应，f1～f16按照等间隔谐振频率来选择敏感膜片的厚度和有效长度(半径)。
附图说明
图1为现有的光纤EFPI超声传感器的原理图；
图2为现有的光纤EFPI超声传感器的工作频率响应图；
图3为本发明的组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检测系统结构示意图；
图4为本发明的光纤EFPI传感组合探头结构示意图；
图5为图4的局部放大示意图；
图6为本发明的光纤EFPI传感组合探头敏感膜片厚度和有效长度(半径)选择曲线图；
图7为本发明的宽频带信号叠加放大模块的电气图；
图8为本发明的宽频带PD超声波检测工作频率响应示意图。
其中1为光源，2为光纤1/2分光器，3为光纤，4为光纤耦合器，5为第一光缆头，6为第一16芯光缆，7为第二光缆头，8为光纤EFPI传感组合探头，9为第三光缆头，10为第二16芯光缆，11为第四光缆头，12为多路光电探测器，13为第一同轴电缆，14为宽频带信号叠加放大装置，15为第二同轴电缆，16为高速数据采集装置，81为光纤EFPI探头，811为密封式圆形套管式法珀腔探头，812为带通孔的3D打印绝缘件。
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，一种组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检测系统，该系统包括光源1、光纤1/2分光器2、光纤3、光纤耦合器4、第一光缆头5、第一16芯光缆6、第二光缆头7、光纤EFPI传感组合探头8、第三光缆头9、第二16芯光缆10、第四光缆头11、多路光电探测器12、第一同轴电缆13、宽频带信号叠加放大装置14、第二同轴电缆15、高速数据采集装置16，所述的单个光源1通过光纤3连接光纤1/2分光器2，经过4次光纤1/2分光器2后，分成16路相同的光源信号送入16个光纤耦合器4，16个光纤耦合器4输出的16路光纤与第一16芯光缆6通过第一光缆头5实现16路独立光路对接，所述的光纤EFPI传感组合探头8通过第二光缆头7与第一16芯光缆6实现16路独立光路对接，所述的16个光纤耦合器4通过光纤3将光纤EFPI传感组合探头8反馈的16路光信号依次通过光纤3、第三光缆头9、第二16芯光缆10、第四光缆头11输入多路光电探测器12，所述的多路光电探测器12通过第一同轴电缆13将16个对应的电压信号送入宽频带信号叠加放大模块14，完成电压信号叠加后通过第二同轴电缆15接入高速数据采集装置16，完成超声波信号的检测。
所述的光源1为DFB(Distributed Feedback)激光器或ASE(Amplifiedspontaneous Emission)光源或发光二极管(LED)或超辐射发光二极管(SLD)。
所述的光纤1/2分光器2为将光源入射光等分为2路的光纤器件。
所述的光纤3为单模光纤，芯径为8μm～10μm，工作波长λ区域：1300nm～1600nm。所述的光纤耦合器4的规格为Y型结构，工作波长λ区域：1300nm～1600nm，各种损耗均大于50dB。
所述的第一光缆头5、第二光缆头7、第三光缆头9和第四光缆头11，为利用绝缘胶布将16个光纤按照4×4对称排列固定形成具有适配器套管的光纤连接器。
所述的第一16芯光缆6和第二16芯光缆10，为与所述的第一光缆头5、第二光缆头7、第三光缆头9和第四光缆头11匹配的16路独立工作光纤。
如图4和图5所示，所述的光纤EFPI传感组合探头8，为采用16个对称结构分布的谐振频率为f1～f16的光纤EFPI探头81粘结装配制作而成的。
所述的16个光纤EFPI探头81中的敏感膜片处于同一平面。所述的光纤EFPI探头81包括密封式圆形套管式法珀腔探头811和带通孔的3D打印绝缘件812，所述的带通孔的3D打印绝缘件812用于保护、固定密封式圆形套管式法珀腔探头811以及便于整体粘结装配。
所述的谐振频率f1～f16按照等间隔谐振频率来选择敏感膜片的厚度和有效长度(半径)以达到20kHz～500kHz的宽频带响应，其中探头敏感膜片的厚度和有效长度(半径)选择曲线如图6所示。
所述的多路光电探测器12，为光子探测式多通道转换装置，工作波长λ区域：1300nm～1600nm。
所述的第一同轴电缆13和第二同轴电缆15，为带屏蔽层的宽频同轴电缆，特征阻抗为75Ω。
如图7所示，所述的宽频带信号叠加放大模块14的电路参数包括：
U-＝U+＝0
由虚断及基尔霍夫定律知，通过R1～R16的电流之和等于通过Rb的电流，得：
1代入2得：
取R1～R16和Rb的阻值相等，则得：
U1+U2+…U16＝Uout
所述的高速数据采集装置16的参数设置为：14bit精度，2MS/s采样率，1MHz模拟带宽，以满足20kHz～500kHz超声波信号的采样要求。
如图8所示，本发明组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检测系统的对应宽频带PD超声波检测工作频率响应。
现行谐振频率工作下的EFPI传感器仅能用于窄带测量超声波信号，无法满足局部放电超声波信号20kHz～500kHz的频带要求，实际应用上存在漏检问题，对某些绝缘缺陷产生的超声波信号不敏感，本发明利用不同谐振频率响应的EFPI探头进行组合，形成了宽频带检测装置及方法解决了上述缺陷。
现行谐振频率工作下的EFPI传感器仅能用于窄带测量超声波信号，无法满足局部放电超声波信号20kHz～500kHz的频带要求，实际应用上存在漏检问题，对某些绝缘缺陷产生的超声波信号不敏感，本发明利用不同谐振频率响应的EFPI探头进行组合，形成了宽频带检测装置及方法解决了上述缺陷。
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)
1.一种组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检测系统，其特征在于，该系统包括光源(1)、光纤1/2分光器(2)、光纤(3)、光纤耦合器(4)、第一光缆头(5)、第一16芯光缆(6)、第二光缆头(7)、光纤EFPI传感组合探头(8)、第三光缆头(9)、第二16芯光缆(10)、第四光缆头(11)、多路光电探测器(12)、第一同轴电缆(13)、宽频带信号叠加放大装置(14)、第二同轴电缆(15)、高速数据采集装置(16)；
单个所述的光源(1)通过光纤(3)连接光纤1/2分光器(2)，经过4次光纤1/2分光器(2)后，分成16路相同的光源信号送入16个光纤耦合器(4)，16个光纤耦合器(4)输出的16路光纤与第一16芯光缆(6)通过第一光缆头(5)实现16路独立光路对接，所述的光纤EFPI传感组合探头(8)通过第二光缆头(7)与第一16芯光缆(6)实现16路独立光路对接，所述的16个光纤耦合器(4)通过光纤(3)将光纤EFPI传感组合探头(8)反馈的16路光信号依次通过光纤(3)、第三光缆头(9)、第二16芯光缆(10)、第四光缆头(11)输入多路光电探测器(12)，所述的多路光电探测器(12)通过第一同轴电缆(13)将16个对应的电压信号送入宽频带信号叠加放大模块(14)，完成电压信号叠加后通过第二同轴电缆(15)接入高速数据采集装置(16)，完成超声波信号的检测。
2.根据权利要求1所述的一种组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检测系统，其特征在于，所述的光源(1)为DFB激光器或ASE光源或发光二极管LED或超辐射发光二极管SLD。
3.根据权利要求1所述的一种组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检测系统，其特征在于，所述的光纤1/2分光器(2)为将光源入射光等分为2路的光纤器件。
4.根据权利要求1所述的一种组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检测系统，其特征在于，所述的光纤(3)为单模光纤，芯径为8μm～10μm，工作波长λ区域：1300nm～1600nm。
5.根据权利要求1所述的一种组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检测系统，其特征在于，所述的光纤耦合器(4)为Y型结构的光纤耦合器，工作波长λ区域：1300nm～1600nm，各种损耗均大于50dB。
6.根据权利要求1所述的一种组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检测系统，其特征在于，所述的第一光缆头(5)、第二光缆头(7)第三光缆头(9)和第四光缆头(11)，为利用绝缘胶布将16个光纤按照4×4对称排列固定形成具有适配器套管的光纤连接器；
所述的第一16芯光缆(6)和第二16芯光缆(10)，为与所述的第一光缆头(5)、第二光缆头(7)第三光缆头(9)和第四光缆头(11)匹配的16路独立工作光纤。
7.根据权利要求1所述的一种组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检测系统，其特征在于，所述的光纤EFPI传感组合探头(8)，是采用16个对称结构分布的谐振频率为f1～f16的光纤EFPI探头(81)粘结装配制作而成的探头；
所述的16个光纤EFPI探头(81)中的敏感膜片处于同一平面；
所述的光纤EFPI探头(81)包括密封式圆形套管式法珀腔探头(811)和带通孔的3D打印绝缘件(812)，所述的带通孔的3D打印绝缘件(812)用于保护、固定密封式圆形套管式法珀腔探头(811)以及便于整体粘结装配；
所述的谐振频率f1～f16按照等间隔谐振频率来选择敏感膜片的厚度和有效长度以达到20kHz～500kHz的宽频带响应。
8.根据权利要求1所述的一种组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检测系统，其特征在于，所述的多路光电探测器(12)，为光子探测式多通道转换装置，工作波长λ区域：1300nm～1600nm；
所述的高速数据采集装置(16)的参数设置为：14bit精度，2MS/s采样率，1MHz模拟带宽。
9.根据权利要求1所述的一种组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检测系统，其特征在于，所述的第一同轴电缆(13)和第二同轴电缆(15)，为带屏蔽层的宽频同轴电缆，特征阻抗为75Ω。
10.根据权利要求1所述的一种组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检测系统，其特征在于，所述的宽频带信号叠加放大模块(14)的电路参数包括：
U-＝U+＝0 (1)
由虚断及基尔霍夫定律知，通过R1～R16的电流之和等于通过Rb的电流，得：
(1)代入(2)得：
取R1～R16和Rb的阻值相等，则得：
U1+U2+…U16＝Uout (4)。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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