CN113494955A - 一种变压器振动监测用光纤光栅加速度传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变压器振动监测用光纤光栅加速度传感系统，包括光纤光栅加速度传感器，及波长解调系统；所述光纤光栅加速度传感器包括基座结构、磁片、外壳、调节孔、质量块、调节柱、弹性膜片、增敏放大构件、光纤光栅；所述波长解调系统包括宽带光源、光纤环形器、波分复用器、光纤耦合器、静态波长解调模块、波分解复用器、动态波长解调模块；该变压器振动监测用光纤光栅加速度传感系统具有结构简单、高灵敏度大带宽、低交叉灵敏度、可同时测量温度和振动、易于布放等特征的，对实时获取变压器振动波谱，监测变压器运行情况具有非常重要的意义，在变压器在线监测领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光纤加速度传感器领域，具体涉及一种变压器振动监测用光纤光栅加速度传感系统。
背景技术
变电站主变压器，特别是大型变压器，是智能电网中的重要设备，它的可靠运行对于变电系统的稳定运行至关重要。变压器在运行过程中，会在变压器的不同部位产生频率与持续时间各不相同的振动信号。振动信号反映了内部器件的连接配合及应力变形情况，表征了变压器的运行状态，能够反映变压器内部组件的故障隐患，对变压器状态评估有重要意义。
正常运行的变压器振动信号，能量主要集中在100Hz-1000Hz之间，频率范围宽，主要通过加速度传感器进行监测。已有的压电加速度传感器监测振动信号，易受电磁干扰，且本身带电，安全性及可靠性较差；基于光纤的振动监测方法，本质无源不带电，抗电磁干扰，可靠性高，但现有的技术方案还存在灵敏度低、频带窄、传感器结构复杂成本高、交叉灵敏度高、需要多种传感器实现温度振动同时测量、安装布放不方便等不足，本发明提出一种适用于变压器振动监测的，结构简单、高灵敏度大带宽、低交叉灵敏度、可同时测量温度和振动、易于布放的光纤光栅加速度传感器及其系统，对实时获取变压器振动波谱，监测变压器运行情况具有非常重要的意义，在变压器在线监测领域具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种变压器振动监测用光纤光栅加速度传感系统。
本发明解决上述问题的技术方案为：一种变压器振动监测用光纤光栅加速度传感系统，包括用于感知被测变压器的振动的光纤光栅加速度传感器，及检测波长变化的波长解调系统；所述光纤光栅加速度传感器至少有一个。
所述光纤光栅加速度传感器包括基座结构、磁片、外壳、调节孔、质量块、调节柱、弹性膜片、增敏放大构件、光纤光栅；
所述基座结构为中间带有凹槽的金属圆柱结构，所述磁片为圆柱形强磁片。
所述磁片嵌于基座凹槽结构中，所述磁片将基座结构紧密贴附于被测变压器箱体表面。
所述外壳为金属圆柱壳结构，所述外壳固定安装于基座结构上，所述外壳与基座结构形成密闭腔体。
所述质量块为圆柱形结构，所述质量块通过弹性膜片安装于外壳内，形成加速度惯性敏感结构。所述质量块中设有中心螺纹孔，所述质量块中部通过螺纹孔安装有调节柱，所述调节柱底部具有一半圆柱形突起结构，所述外壳顶部设有调节孔。
所述质量块的上下两侧对称安装弹性膜片，所述弹性膜片的边缘固定安装于外壳内壁。
所述弹性膜片为圆形，所述弹性膜片为相对质量块上下对称的双弹性膜片结构。
所述质量块、弹性膜片均为非磁性金属材质，所述质量块、弹性膜片可以为不锈钢或钛合金。
所述增敏放大构件为不锈钢弹性结构，所述增敏放大构件固定安装于基座结构上；装配时，质量块上的调节柱与增敏放大构件连接，通过改变调节柱的位置，可以调节连接的紧密度。
所述光纤光栅尾端与增敏放大构件的尾端连接，所述光纤光栅另一端穿过外壳，与外壳连接；所述光纤光栅与外壳连接处安装有预紧力调节装置，通过调节预紧力可以调节光纤光栅的波长。
所述光纤光栅可为无源光纤光栅或有源光纤光栅中的一种。所述无源光纤光栅，如光纤布拉格光栅，所述有源光纤光栅，如分布反馈式光纤激光器等。
所述波长解调系统包括宽带光源、光纤环形器、波分复用器、光纤耦合器、静态波长解调模块、波分解复用器、动态波长解调模块。
所述波分复用器为多通道密集波分复用器，所述波分复用器通道波长与光纤光栅的波长一一对应；所述波分复用器通过光缆与对应波长的光纤光栅加速度传感器连接。
所述波分解复用器为多通道密集波分复用器，所述波分解复用器通道波长与波分复用器一一对应。
所述静态波长解调模块为不含光源的宽带波长解调模块，如光谱仪。
所述动态波长解调模块为多通道干涉式动态波长解调模块，所述动态波长解调模块通过高通滤波，隔离掉静态和低频波长成分，从而实现高分辨的动态波长解调，以便高灵敏还原振动信号。
本发明具有有益效果：
本发明提供了一种变压器振动监测用光纤光栅加速度传感系统，具有结构简单、高灵敏度大带宽、低交叉灵敏度、可同时测量温度和振动、易于布放等特征的，对实时获取变压器振动波谱，监测变压器运行情况具有非常重要的意义，在变压器在线监测领域具有广泛的应用前景。
该变压器振动监测用光纤光栅加速度传感系统通过简单的质量块-双模片结构的惯性敏感结构与杠杆增敏放大构件有效结合、非磁性敏感结构与磁性底座结合、动态与静态波长解调结合，实现：
(1)通过杠杆增敏放大构件补偿惯性敏感结构存在灵敏度与谐振频率竞争，拓宽光纤光栅加速度传感器带宽的同时保证较高的宽频灵敏度；
(2)通过双模片结构，将质量块的振动方向限制在加速度传感器的敏感方向，从而有效降低横向交叉灵敏度；
(3)非磁性敏感结构与磁性底座结合，在对传感器性能无影响的前提下实现快速布放；
(4)通过动态与静态波长解调结合，实现振动与温度的同时测量。
图1为本发明整体结构图；
图2为光纤光栅加速度传感器示意图；
图中：10-基座结构；11-磁片；20-外壳；21-调节孔，30-质量块；31-调节柱，40-弹性膜片；50-增敏放大构件；60-光纤光栅；70-波长解调系统；71-宽带光源；72-光纤环形器；73-波分复用器；74-光纤耦合器；75-解调波长解调模块；76-波分解复用器；77-动态波长解调模块。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，一种变压器振动监测用光纤光栅加速度传感系统，包括用于感知被测变压器的振动的光纤光栅加速度传感器，及检测波长变化的波长解调系统70；所述光纤光栅加速度传感器至少有一个。
所述光纤光栅加速度传感器包括基座结构10、磁片11、外壳20、调节孔21、质量块30、调节柱31、弹性膜片40、增敏放大构件50、光纤光栅60。
所述基座结构10为中间带有凹槽的金属圆柱结构，所述磁片11为圆柱形强磁片11。
所述磁片11嵌于基座凹槽结构中，所述磁片11通过环氧胶灌注或焊接的方式将基座结构10紧密贴附于被测变压器箱体表面，以实现快速便捷安装。
所述外壳20为金属圆柱壳结构，所述外壳20通过螺纹或焊接方式固定安装于基座结构10上，所述外壳20与基座结构10形成密闭腔体，保护内部结构。
如图2所示，所述质量块30为圆柱形结构，所述质量块30通过弹性膜片40安装于外壳20内，形成加速度惯性敏感结构。所述质量块30中设有中心螺纹孔，所述质量块30中部通过螺纹孔安装有调节柱31，所述调节柱31底部具有一半圆柱形突起结构，所述外壳20顶部设有调节孔21，通过外壳20顶部的调节孔21，可以对调节柱31的位置进行调节。
所述质量块30的上下两侧通过精密焊接对称安装弹性膜片40，所述弹性膜片40的边缘通过精密焊接固定安装于外壳20内壁；以便将质量块30的振动方向限制在一个方向，降低横向振动，抑制交叉灵敏度。
所述弹性膜片40为圆形，所述弹性膜片40为相对质量块30上下对称的双弹性膜片40结构。
所述质量块30、弹性膜片40均为非磁性金属材质，所述质量块30、弹性膜片40可以为不锈钢或钛合金。
所述增敏放大构件50为不锈钢弹性结构，所述增敏放大构件50通过焊接固定安装于基座结构10上；装配时，质量块30上的调节柱31与增敏放大构件50连接，通过改变调节柱31的位置，可以调节连接的紧密度。
所述光纤光栅60为光纤布拉格光栅，所述光纤光栅60尾端通过环氧胶粘接或焊接与增敏放大构件50的尾端连接，所述光纤光栅60另一端穿过外壳20，通过环氧胶粘接或焊接与外壳20连接；所述光纤光栅60与外壳20连接处安装有预紧力调节装置，通过调节预紧力可以调节光纤光栅60的波长，较佳的，预紧力为0.1N～0.5N。
如图1所示，所述波长解调系统70包括宽带光源71、光纤环形器72、波分复用器73、光纤耦合器74、静态波长解调模块75、波分解复用器76、动态波长解调模块77；
所述波分复用器73为多通道密集波分复用器73，所述波分复用器73通道波长与光纤光栅60的波长一一对应，
所述波分复用器73通过光缆与对应波长的光纤光栅加速度传感器连接；
所述波分解复用器76为多通道密集波分复用器73，所述波分解复用器76通道波长与波分复用器73一一对应；
所述静态波长解调模块75为不含光源的宽带波长解调模块，本实施例中，采用商用的IBSEN I-MON 512型解调模块，以便还原温度信号。
所述动态波长解调模块77为多通道干涉式动态波长解调模块77，所述动态波长解调模块77通过高通滤波，隔离掉静态和低频波长成分，从而实现高分辨的动态波长解调，以便高灵敏还原振动信号。
本发明的工作原理为：一种变压器振动监测用光纤光栅加速度传感系统包括一个或多个光纤光栅加速度传感器，所述基座结构10通过磁片11分别贴装于被测变压器箱体表面。当有振动时，质量块30在惯性力作用下，相对基座结构10产生振动，振动的相对位移通过增敏放大构件50放大为光纤光栅60的轴向应变，引起其波长发生微弱的动态变化，通过波长解调系统70的动态波长解调模块77，检测波长变化，并通过高通滤波滤除信号低频成分，可以获得振动信号；当有温度变化时，光纤光栅60波长随温度发生缓慢变化，通过波长解调系统70的静态波长解调模块75，监测波长值，可以获得对应的温度。所述光纤光栅加速度传感器可以通过改变质量块30的质量调节灵敏度，可以通过改变弹性膜片40的厚度调节谐振频率。由于采用双弹性膜片40两端固支的结构，加速度传感器具有较高的谐振频率；采用增敏放大构件50进行放大，可以保证较高的灵敏度，本实施例中，增敏放大构件50尾端到增敏放大构件50在基座结构10上的固定点的距离，大于质量块30上的调节柱31与增敏放大构件50连接点到增敏放大构件50在基座结构10上的固定点的距离的5倍，从而实现灵敏度有效放大5倍。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种变压器振动监测用光纤光栅加速度传感系统，其特征在于：包括用于感知被测变压器的振动的光纤光栅加速度传感器，及检测波长变化的波长解调系统(70)；
所述光纤光栅加速度传感器包括基座结构(10)、磁片(11)、外壳(20)、调节孔(21)、质量块(30)、调节柱(31)、弹性膜片(40)、增敏放大构件(50)、光纤光栅(60)；
所述磁片(11)嵌于基座结构(10)中，所述磁片(11)将基座结构(10)紧密贴附于被测变压器箱体表面；
所述外壳(20)固定安装于基座结构(10)上，所述外壳(20)与基座结构(10)形成密闭腔体；
所述质量块(30)通过弹性膜片(40)安装于外壳(20)内，形成加速度惯性敏感结构；所述质量块(30)中设有中心螺纹孔，所述质量块(30)中部通过螺纹孔安装有调节柱(31)；
所述外壳(20)顶部设有调节孔(21)，通过外壳(20)顶部的调节孔(21)，可以对调节柱(31)的位置进行调节；
所述增敏放大构件(50)固定安装于基座结构(10)上；所述增敏放大构件(50)分别与质量块(30)和光纤光栅(60)的尾端连接，用于将质量块(30)的位移放大为光纤光栅(60)尾端的拉伸；
所述光纤光栅(60)尾端与增敏放大构件(50)的尾端连接，所述光纤光栅(60)另一端穿过外壳(20)，与外壳(20)连接；
所述光纤光栅(60)与外壳(20)连接处安装有预紧力调节装置，所述预紧力调节装置通过调节预紧力可以调节光纤光栅(60)的波长；
所述波长解调系统(70)包括宽带光源(71)、光纤环形器(72)、波分复用器(73)、光纤耦合器(74)、静态波长解调模块(75)、波分解复用器(76)、动态波长解调模块(77)。
2.如权利要求1所述的变压器振动监测用光纤光栅加速度传感系统，其特征在于：所述质量块(30)的上下两侧对称安装弹性膜片(40)，以便将质量块(30)的振动方向限制在一个方向，降低横向振动，所述弹性膜片(40)的边缘固定安装于外壳(20)内壁，所述质量块(30)为圆柱形结构，所述弹性膜片(40)为圆形，所述弹性膜片(40)为相对质量块(30)上下对称的双弹性膜片结构，所述质量块(30)、弹性膜片(40)均为非磁性金属材质，所述质量块(30)、弹性膜片(40)可以为不锈钢或钛合金。
3.如权利要求1所述的变压器振动监测用光纤光栅加速度传感系统，其特征在于：所述调节柱(31)底部具有一半圆柱形突起结构，所述增敏放大构件(50)为不锈钢弹性结构，所述质量块(30)通过调节柱(31)通过一定的预压力与增敏放大构件(50)活动连接。
4.如权利要求1所述的变压器振动监测用光纤光栅加速度传感系统，其特征在于：所述波分复用器(73)通过光缆与对应波长的光纤光栅加速度传感器连接。
5.如权利要求1所述的变压器振动监测用光纤光栅加速度传感系统，其特征在于：所述基座结构(10)为中间带有凹槽的金属圆柱结构，所述磁片(11)为圆柱形强磁片(11)；所述外壳(20)为金属圆柱壳结构。
6.如权利要求1所述的变压器振动监测用光纤光栅加速度传感系统，其特征在于：所述光纤光栅(60)可为无源光纤光栅(60)或有源光纤光栅(60)中的一种。
7.如权利要求1所述的变压器振动监测用光纤光栅加速度传感系统，其特征在于：所述波分复用器(73)为多通道密集波分复用器(73)，所述波分复用器(73)的通道波长与光纤光栅(60)的波长一一对应；所述波分解复用器(76)为多通道密集波分复用器(73)，所述波分解复用器(76)通道波长与波分复用器(73)一一对应。
8.如权利要求1所述的变压器振动监测用光纤光栅加速度传感系统，其特征在于：所述静态波长解调模块(75)为不含光源的宽带波长解调模块。
9.如权利要求1所述的变压器振动监测用光纤光栅加速度传感系统，其特征在于：所述动态波长解调模块(77)为多通道干涉式动态波长解调模块(77)，所述动态波长解调模块(77)通过高通滤波，隔离掉静态和低频波长成分。
10.如权利要求1所述的变压器振动监测用光纤光栅加速度传感系统，其特征在于：所述光纤光栅加速度传感器至少有一个。
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