CN113567818B - 一种基于悬臂支撑结构的法珀式局部放电传感装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于悬臂支撑结构的法珀式局部放电传感装置及方法，装置包括：包括激光器、耦合器、环形器、基于悬臂支撑结构的法珀式局部放电传感器、光电探测器、数据采集卡、控制器和处理器；激光器产生激光，耦合器耦合后经环形器传输至局部放电传感器；局部放电传感器反射激光信号，解调反射的激光信号实现局部放电检测；环形器将局部放电传感器反射的激光信号传输至光电探测器，光电探测器将激光信号转换为电压信号；数据采集卡采集电压信号并将其传输至处理器；处理器基于电压信号控制控制器调节激光器输出波长，稳定传感器的静态工作点。本发明局部放电检测灵敏度高，抗电磁干扰，绝缘性能强。
Description
技术领域
本发明属于电气设备在线监测技术领域，涉及一种基于悬臂支撑结构的法珀式局部放电传感装置及方法。
背景技术
局部放电是高压电气设备绝缘状态的一个重要标志。局部放电既是绝缘劣化的先兆，又是造成电气设备最终发生绝缘击穿的主要原因。局部放电检测可有效评估电气设备绝缘状态，当介质中发生局部放电时，会产生电脉冲、电磁波、超声波、光、局部过热及一些新化学产物。
当前应用于GIS(气体绝缘开关设备)的局部放电检测技术主要包括脉冲电流法、特高频检测法、超声波检测法。脉冲电流法可以精确获取局部放电的视在放电量，但测量频率低，频带窄，抗干扰能力差，无法在设备运行状态下进行测试。特高频检测法具有较高的灵敏度，局放源定位能力强，但易受电磁干扰和现场干扰影响。超声波检测法抗电磁干扰能力强，便于定位，检测频带宽，被认为是目前最成熟的局放检测方法之一，可应用于GIS局部放电在线监测。
光纤法珀(F-P)传感器可以内置于电气设备中，具有灵敏度高、低成本、小尺寸、重量轻、高频响应、电绝缘和抗电磁干扰噪声等优点，是检测GIS局部放电超声信号的理想选择。F-P传感器分为光纤本征型F-P(IFPI)传感器和光纤非本征型F-P(EFPI)传感器。IFPI的谐振腔是光纤，EFPI的谐振腔是非光纤介质。EFPI传感器通过提高膜片对声波的振幅响应来提高灵敏度。
目前，大多数F-P传感器声敏感结构采用普通膜片式结构或悬臂梁式结构，这两种结构都存在谐振频率与静态灵敏度相互制约的问题，静态灵敏度越高，谐振频率越低，无法准确检测局部放电产生的超声信号。大多数F-P传感器声敏感结构材料使用硅或石英膜片，绝缘性能好，可靠性高，但反射率较低，制约了传感器的灵敏度。
为提高传感器的局部放电检测灵敏度，应对声敏感结构进行优化设计。将传感器置于GIS内部时，GIS内部的温度变化将会引起F-P传感器的腔长发生变化，导致传感器的静态工作点发生变化，为了稳定传感器的静态工作点需要基于环境温度的变化调整激光器输出波长。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本申请提供一种基于悬臂支撑结构的法珀式局部放电传感装置及方法，局部放电检测灵敏度高，抗电磁干扰，绝缘性能强。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
一种基于悬臂支撑结构的法珀式局部放电传感装置，包括激光器、耦合器、环形器、局部放电传感器、光电探测器、数据采集卡、控制器和处理器；
所述传感器为基于悬臂支撑结构的法珀式局部放电传感器；
所述激光器，用于产生激光；
所述耦合器，用于耦合激光；
所述环形器，用于将耦合器耦合输出的激光传输至局部放电传感器，将局部放电传感器反射的激光信号传输至光电探测器；
所述局部放电传感器，用于反射激光信号，反射的激光信号经解调可实现局部放电检测；
所述光电探测器，用于将耦合器耦合输出的激光和局部放电传感器反射的激光信号转换为电压信号，该两个电压信号的差值表示传感器静态工作点偏移情况；
所述数据采集卡，用于采集电压信号并将其传输至处理器；
所述处理器，用于基于光电探测器得到的两个电压信号差值控制控制器调节激光器输出波长，稳定传感器的静态工作点。
本发明进一步包括以下优选方案：
优选地，所述局部放电传感器包括声敏感结构、石英套管、单模光纤；
所述声敏感结构为由硅片制成的中心为正方形的悬臂支撑结构，所述正方形中心纹若干圆环，且在圆环内表面处镀银膜；
所述声敏感结构固定于石英套管的一端，且结构内表面位于石英套管内部；
所述单模光纤从石英套管的另一端插入石英套管内，且悬臂支撑结构中的正方形中心正对单模光纤出光口。
优选地，所述悬臂支撑结构，悬臂梁梁宽为0.5mm，梁长为2.3mm，正方形边长为1.4mm，所述若干圆环，最大直径为1.2mm，最小直径为0.8mm，纹膜间间隔为25μm；采用的硅片厚度为100μm；结构内表面所镀银膜厚度为0.15μm。
优选地，所述激光器为DFB激光器，所述控制器为DFB驱动电流控制器。
本发明还公开了一种基于悬臂支撑结构的法珀式局部放电传感方法，包括以下步骤：
步骤1：控制器输出初始传感器静态工作点电压，控制激光器输出初始静态工作点对应的激光；
步骤2：耦合器耦合激光，环形器将耦合的激光传输至局部放电传感器；
步骤3：局部放电传感器反射激光信号，解调反射的激光信号，可实现局部放电检测；
步骤4：环形器将局部放电传感器反射的激光信号传输至光电探测器，光电探测器将耦合激光和局部放电传感器反射的激光信号转换为电压信号；
步骤5：数据采集卡采集电压信号并将其传输至处理器；
步骤6：处理器基于光电探测器得到的两个电压信号差控制控制器调节激光器输出波长，稳定传感器的静态工作点。
优选地，步骤2中，所述局部放电传感器包括声敏感结构、石英套管、单模光纤；所述声敏感结构为由硅片制成的中心为正方形的悬臂支撑结构，所述正方形中心纹若干圆环，且在圆环内表面处镀银膜；所述声敏感结构固定于石英套管的一端，且结构内表面位于石英套管内部；所述单模光纤从石英套管的另一端插入石英套管内，且使悬臂支撑结构中的正方形中心正对单模光纤出光口；
耦合器耦合的激光经单模光纤导入局部放电传感器，在光纤端面和镀银膜硅片之间产生多次反射，形成干涉；
外界局部放电产生超声波信号时，引起镀银膜硅片振动，改变光纤端面和硅片两个反射面之间的光程，导致干涉相位和干涉强度变化，通过解调反射光，得到超声波信号信息，可实现局部放电检测。
优选地，所述局部放电传感器的加工方法包括：
步骤(1)：按照声敏感结构加工掩模版；
步骤(2)：采用硅片和掩模版加工声敏感结构；
步骤(3)：基于磁控溅射法，在声敏感结构内表面镀银膜；
步骤(4)：组装声敏感结构、石英套管、单模光纤。
优选地，步骤(1)所述掩膜版包括玻璃或石英基片、铬层和光刻胶层；且步骤(1)采用的加工设备为激光切割机；
步骤(2)具体为：
将硅片放入去离子水中，利用超声波清洗机进行清洗；
利用匀胶机在硅片上旋涂一层正型光刻胶；
利用制备的掩模版对硅片进行光刻曝光、显影；
利用反应离子刻蚀技术刻蚀硅片，将刻蚀后的硅片放入去离子水中清洗干净；
步骤(4)具体为：
利用紫外固化胶将声敏感结构固定于石英套管的一端；
将单模光纤与石英套管分别固定在位移台与固定夹具上，用位移台调节光纤位置，将光纤插芯从石英套管的另一端插入石英套管，且使悬臂支撑结构中的正方形中心正对单模光纤出光口；
在插芯过程中，通过光谱仪，观察传感器法珀腔的反射光谱，将腔长设置在最佳位置；
完成插芯后，用紫外固化胶，将光纤固定在石英套管上。
优选地，步骤6中，处理器实时监控光电探测器得到的两个电压信号，若两个电压信号差值不超过阈值，则控制器采用PI算法调节激光器输出波长，稳定传感器的静态工作点，否则将控制器的控制电压调成激光器最小输出波长的对应电压值，缓慢增大控制电压，使激光器输出该波长范围内的激光，对传感器返回的每个波长对应的激光的光电压信号求导，选择导数最大点对应的控制电压返回步骤2，实现传感器的静态工作点稳定。
优选地，所述初始传感器静态工作点电压的获取方法为：
处理器控制控制器输出锯齿波控制电压，用来扫描激光器整个输出范围波长，得到传感器返回的所有波长激光对应的光电压信号并求导，得出最大点对应的控制器输出电压，即为初始传感器静态工作电压；
所述阈值为控制电压与初始传感器静态工作点电压的差值超出激光器波长调节最大范围时所对应差值。
本申请所达到的有益效果：
本发明在制备传感器时，将硅片进行MEMS加工，得到中心为正方形的悬臂支撑结构作为声敏感结构，提高了谐振频率与静压灵敏度；
本发明在声敏感结构内表面通过磁控溅射法镀金属银膜，提高膜片的反射率，提高了结构的局部放电检测性能；
本发明在声敏感结构上进行纹膜，释放结构的残余应力，提高了结构对声波的振幅响应；
本发明可调控激光器波长，稳定传感器的静态工作点，提高传感器局部放电检测灵敏度。
附图说明
图1是本发明一种基于悬臂支撑结构的法珀式局部放电传感装置的结构图；
图2是本发明实施例中局部放电传感器结构示意图；
图3是本发明实施例中声敏感结构示意图；
图2中附图标记为：1-声敏感结构、2-石英套管、3-单模光纤。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，本发明的一种基于悬臂支撑结构的法珀式局部放电传感装置，包括激光器、耦合器、环形器、局部放电传感器、光电探测器、数据采集卡、控制器和处理器；
具体实施时，所述激光器为DFB激光器，所述控制器为DFB驱动电流控制器。
如图2所示，所述传感器为基于悬臂支撑结构的法珀式局部放电传感器，包括声敏感结构1、石英套管2、单模光纤3；
如图3所示，所述声敏感结构1为由硅片制成的中心为正方形的悬臂支撑结构，所述正方形中心纹若干圆环，且在圆环内表面处镀银膜；
所述声敏感结构1固定于石英套管2的一端，且结构内表面位于石英套管2内部；
所述单模光纤3从石英套管2的另一端插入石英套管2内，且悬臂支撑结构中的正方形中心正对单模光纤出光口。
局部放电传感器加工方法包括：
步骤(1)：按照声敏感结构1加工掩模版；
所述掩膜版包括玻璃或石英基片、铬层和光刻胶层；采用的加工设备为激光切割机。
通过COMSOL仿真可知，悬臂梁宽为0.5mm，梁长为2.3mm，改变正方形边长，在1.4mm周围进行仿真，结果可知1.4mm时，膜片的谐振频率与静态灵敏度均最优。后续圆环与纹膜参数选择也是基于灵敏度与谐振频率的考虑。
具体实施时，悬臂梁梁宽为0.5mm，梁长为2.3mm，正方形边长为1.4mm，正方形中心纹膜结构最大圆环直径为1.2mm，最小圆环直径为0.8mm，纹膜间间隔为25μm。
步骤(2)：采用硅片和掩模版加工声敏感结构1：
对用作基底的硅片表面进行清洗，使用的硅片厚度为100μm：将硅片放入去离子水中，利用超声波清洗机进行清洗；
利用匀胶机在硅片上旋涂一层正型光刻胶，旋涂的光刻胶厚度为3μm；
利用制备的掩模版对硅片进行光刻曝光、显影，曝光时间5s，显影时间50s；
利用反应离子刻蚀技术刻蚀硅片，刻蚀气体为SF6，将刻蚀后的硅片放入去离子水中清洗干净。
步骤(3)：在声敏感结构1内表面镀银膜。
基于磁控溅射法，在步骤(2)处理后的硅片内表面镀银膜，厚度为0.15μm，制备的硅结构图形结构如图2所示。
步骤(4)：组装声敏感结构1、石英套管2、单模光纤3：
利用紫外固化胶将声敏感结构1(即制备的纹膜式中心为正方形的悬臂支撑结构的硅片)固定于石英套管2的一端；
将单模光纤3与石英套管2分别固定在位移台与固定夹具上，用三轴精密位移台调节光纤位置，将光纤插芯插入石英套管2；
在插芯过程中，通过光谱仪，观察传感器F-P腔的反射光谱，将腔长设置在最佳位置；
完成插芯后，用紫外固化胶，将光纤固定在石英套管2上。
所述激光器，用于产生激光；
所述耦合器，用于耦合激光；
所述环形器，用于将耦合器耦合输出的激光传输至局部放电传感器，将局部放电传感器反射的激光信号传输至光电探测器；
所述局部放电传感器，用于反射激光信号，反射的激光信号经解调可实现局部放电检测；
所述光电探测器，用于将耦合器耦合输出的激光和局部放电传感器反射的激光信号转换为电压信号，耦合器输出光对应的电压信号表示参考信号，局部放电传感器反射光对应的电压信号反应外部环境对传感器的影响，两个电压信号的差值表示传感器静态工作点偏移情况；
所述数据采集卡，用于采集电压信号并将其传输至控制器和处理器；
所述处理器，用于基于光电探测器得到的两个电压信号差值控制控制器调节激光器输出波长，稳定传感器的静态工作点。
根据上述的基于悬臂支撑结构的法珀式局部放电传感装置，本发明公开一种基于悬臂支撑结构的法珀式局部放电传感方法，包括以下步骤：
步骤1：控制器输出初始传感器静态工作点电压，控制DFB激光器输出初始静态工作点对应的激光；
步骤2：耦合器耦合激光，环形器将耦合的激光传输至局部放电传感器；
步骤3：局部放电传感器反射激光信号，解调反射的激光信号，实现局部放电检测；
具体的：耦合器耦合的激光经单模光纤3导入局部放电传感器，在光纤端面和镀银膜硅片之间产生多次反射，形成干涉；
外界局部放电产生超声波信号时，引起镀银膜硅片振动，改变光纤端面和硅片两个反射面之间的光程，导致干涉相位和干涉强度变化。
其中反射光的强度可按下式计算：
式中，Ii为输入光强，Ir为返回光强，R1，R2分别为干涉腔前后表面的反射率，σ为干涉相位，n为干涉腔介质的折射率，L为谐振腔长度，λ为光波波长。
通过Ir解调出外界超声信号信息，实现局部放电检测。
步骤4：环形器将局部放电传感器反射的激光信号传输至光电探测器，光电探测器将耦合激光和局部放电传感器反射的激光信号转换为电压信号；
步骤5：所述数据采集卡采集电压信号并将其传输至处理器；
步骤6：处理器基于光电探测器得到的两个电压信号差控制控制器调节激光器输出波长，稳定传感器的静态工作点。
当外界环境变化引起传感器腔长变化时，将引起静态工作点不稳定，此时传感器检测性能降低。本发明采用波长循环调谐方式稳定传感器静态工作点，即利用数据采集卡采集到的电压信息反映静态工作点的偏移情况，当电压变化较小时，利用PI控制算法进行自适应调节，调节激光器输出波长；当电压变化较大时，处理器将调节电压为最低，继续稳定传感器的静态工作点。
激光器输出波长的控制是通过调节控制电压，输出波长有一个范围，对应的控制电压也有一个范围。在静态工作点稳定过程中，当输出光电压信号与静态工作点差值较小未超过阈值时，就进行PI调节；当超过了阈值时，就重新寻找静态工作点，将控制电压调成最小输出波长的对应电压值，然后慢慢增大控制电压，使激光器输出该波长范围内的激光，控制器通过每个波长对应激光的返回光电压信号选择新的静态工作点(对应返回光电压信号导数最大点)，此为一个静态工作点循环调节过程。
具体实施时，处理器实时监控光电探测器得到的两个电压信号，若两个电压信号差值不超过阈值，则控制器采用PI算法调节激光器输出波长，稳定传感器的静态工作点，否则将控制器的控制电压调成激光器最小输出波长的对应电压值，缓慢增大控制电压，使激光器输出该波长范围内的激光，对传感器返回的每个波长对应的激光的光电压信号求导，选择导数最大点对应的控制电压返回步骤2，实现传感器的静态工作点稳定。
所述初始传感器静态工作点电压的获取方法为：
处理器控制控制器输出锯齿波控制电压，用来扫描激光器整个输出范围波长，得到传感器返回的所有波长激光对应的光电压信号并求导，得出最大点对应的控制器输出电压，即为初始传感器静态工作电压；
所述阈值为控制电压与初始传感器静态工作点电压的差值超出激光器波长调节最大范围时所对应差值。
综上所述，本发明在制备传感器时，将硅片进行MEMS加工，得到中心为正方形的悬臂支撑结构作为声敏感结构，提高了谐振频率与静压灵敏度；在声敏感结构内表面通过磁控溅射法镀金属银膜，提高膜片的反射率，提高了结构的局部放电检测性能；在声敏感结构上进行纹膜，释放结构的残余应力，提高了结构对声波的振幅响应；本发明还可调控激光器波长，稳定传感器的静态工作点，提高传感器局部放电检测灵敏度。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于悬臂支撑结构的法珀式局部放电传感装置，包括激光器、耦合器、环形器、局部放电传感器，其特征在于：
还包括光电探测器、数据采集卡、控制器和处理器；所述传感器为基于悬臂支撑结构的法珀式局部放电传感器；所述激光器，用于产生激光；所述耦合器，用于耦合激光；所述环形器，用于将耦合器耦合输出的激光传输至局部放电传感器，将局部放电传感器反射的激光信号传输至光电探测器；所述局部放电传感器，用于反射激光信号，反射的激光信号经解调可实现局部放电检测；
所述局部放电传感器包括声敏感结构、石英套管、单模光纤；所述声敏感结构为由硅片制成的中心为正方形的悬臂支撑结构，所述正方形中心纹若干圆环，且在圆环内表面处镀银膜；所述声敏感结构固定于石英套管的一端，且结构内表面位于石英套管内部；所述单模光纤从石英套管的另一端插入石英套管内，且悬臂支撑结构中的正方形中心正对单模光纤出光口；所述悬臂支撑结构，悬臂梁梁宽为0.5mm，梁长为2.3mm，正方形边长为1.4mm，所述若干圆环，最大直径为1.2mm，最小直径为0.8mm，纹膜间间隔为25μm；采用的硅片厚度为100μm；结构内表面所镀银膜厚度为0.15μm；
所述光电探测器，用于将耦合器耦合输出的激光和局部放电传感器反射的激光信号转换为两个电压信号，该两个电压信号的差值表示传感器静态工作点偏移情况；所述数据采集卡，用于采集电压信号并将其传输至处理器；所述处理器，用于基于光电探测器得到的两个电压信号差值控制控制器调节激光器输出波长，稳定传感器的静态工作点。
2.根据权利要求1所述的一种基于悬臂支撑结构的法珀式局部放电传感装置，其特征在于：
所述激光器为DFB 激光器，所述控制器为DFB驱动电流控制器。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于悬臂支撑结构的法珀式局部放电传感装置的一种基于悬臂支撑结构的法珀式局部放电传感方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
步骤1：控制器输出初始传感器静态工作点电压，控制激光器输出初始静态工作点对应的激光；
步骤2：耦合器耦合激光，环形器将耦合的激光传输至局部放电传感器；
步骤3：局部放电传感器反射激光信号，解调反射的激光信号，可实现局部放电检测；
步骤4：环形器将局部放电传感器反射的激光信号传输至光电探测器，光电探测器将耦合激光和局部放电传感器反射的激光信号转换为电压信号；
步骤5：数据采集卡采集电压信号并将其传输至处理器；
步骤6：处理器基于光电探测器得到的两个电压信号差控制控制器调节激光器输出波长，稳定传感器的静态工作点。
4.根据权利要求3所述的一种基于悬臂支撑结构的法珀式局部放电传感方法，其特征在于：
步骤2中，所述局部放电传感器包括声敏感结构、石英套管、单模光纤；所述声敏感结构为由硅片制成的中心为正方形的悬臂支撑结构，所述正方形中心纹若干圆环，且在圆环内表面处镀银膜；所述声敏感结构固定于石英套管的一端，且结构内表面位于石英套管内部；所述单模光纤从石英套管的另一端插入石英套管内，且使悬臂支撑结构中的正方形中心正对单模光纤出光口；
耦合器耦合的激光经单模光纤导入局部放电传感器，在光纤端面和镀银膜硅片之间产生多次反射，形成干涉；
外界局部放电产生超声波信号时，引起镀银膜硅片振动，改变光纤端面和硅片两个反射面之间的光程，导致干涉相位和干涉强度变化，通过解调反射光，得到超声波信号信息，可实现局部放电检测。
5.根据权利要求4所述的一种基于悬臂支撑结构的法珀式局部放电传感方法，其特征在于：
所述局部放电传感器的加工方法包括：
步骤（1）：按照声敏感结构加工掩模版；
步骤（2）：采用硅片和掩模版加工声敏感结构；
步骤（3）：基于磁控溅射法，在声敏感结构内表面镀银膜；
步骤（4）：组装声敏感结构、石英套管、单模光纤。
6.根据权利要求5所述的一种基于悬臂支撑结构的法珀式局部放电传感方法，其特征在于：
步骤（1）所述掩模版包括玻璃或石英基片、铬层和光刻胶层；且步骤（1）采用的加工设备为激光切割机；
步骤（2）具体为：
将硅片放入去离子水中，利用超声波清洗机进行清洗；
利用匀胶机在硅片上旋涂一层正型光刻胶；
利用制备的掩模版对硅片进行光刻曝光、显影；
利用反应离子刻蚀技术刻蚀硅片，将刻蚀后的硅片放入去离子水中清洗干净；
步骤（4）具体为：
利用紫外固化胶将声敏感结构固定于石英套管的一端；
将单模光纤与石英套管分别固定在位移台与固定夹具上，用位移台调节光纤位置，将光纤插芯从石英套管的另一端插入石英套管，且使悬臂支撑结构中的正方形中心正对单模光纤出光口；
在插芯过程中，通过光谱仪，观察传感器法珀腔的反射光谱，将腔长设置在最佳位置；
完成插芯后，用紫外固化胶，将光纤固定在石英套管上。
7.根据权利要求3所述的一种基于悬臂支撑结构的法珀式局部放电传感方法，其特征在于：
步骤6中，处理器实时监控光电探测器得到的两个电压信号，若两个电压信号差值不超过阈值，则控制器采用PI算法调节激光器输出波长，稳定传感器的静态工作点，否则将控制器的控制电压调成激光器最小输出波长的对应电压值，缓慢增大控制电压，使激光器输出该波长范围内的激光，对传感器返回的每个波长对应的激光的光电压信号求导，选择导数最大点对应的控制电压返回步骤2，实现传感器的静态工作点稳定。
8.根据权利要求7所述的一种基于悬臂支撑结构的法珀式局部放电传感方法，其特征在于：
所述初始传感器静态工作点电压的获取方法为：
处理器控制控制器输出锯齿波控制电压，用来扫描激光器整个输出范围波长，得到传感器返回的所有波长激光对应的光电压信号并求导，得出最大点对应的控制器输出电压，即为初始传感器静态工作电压；
所述阈值为控制电压与初始传感器静态工作点电压的差值超出激光器波长调节最大范围时所对应差值。
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