CN113567819A - 一种基于透镜光纤的f-p光纤传感放电检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于透镜光纤的F‑P光纤传感放电检测装置及方法，所述放电检测装置包括分布式反馈激光器、环形器、光电探测器，F‑P传感器，采集与控制模块和信号处理模块；其中，所述分布式反馈激光器发出的激光经过所述环形器输入所述F‑P传感器，所述F‑P传感器的反射光经过所述环形器输入所述光电探测器并被转化为电信号，所述光电探测器将电信号经过所述采集与控制模块输入所述信号处理模块，所述信号处理模块通过检测反射光光强的变化实现局部放电的检测。本发明能够实现放电检测装置中F‑P传感器的低光功率损耗，同时提高了放电检测装置对于局部放电的检测灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于电气设备在线监测领域，更具体地，涉及一种基于透镜光纤的F-P光纤传感放电检测装置及方法。
背景技术
局部放电是绝缘介质中局部区域击穿导致的放电现象，局部放电检测是一种有效的电气设备绝缘状态评估方法。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。通过检测局部放电产生的超声波信号，可以确定局部放电的存在并定位放电点。与传统的压电式传感器相比，基于光纤传感的局部放电传感器具有响应频带宽、体积小、抗电磁干扰等优点，因此逐渐取代传统压电式传感器被应用于局部放电检测。
近年来，基于光纤法珀干涉的局部放电传感器成为目前最常用且最有效的光纤局部放电传感器，其具有结构简单、定位准确等优点。光纤法珀干涉腔由光纤端面、感应膜片、干涉腔壁面构成，超声波通过引起感应膜片的振动，导致干涉相位和干涉强度发生变化，通过检测反射光光强的变化，便可实现局部放电的检测。光纤超声传感器虽然已在实际电气设备中得到应用，但其检测灵敏度仍有待进一步提高。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于透镜光纤的F-P光纤传感放电检测装置，能够提高传感器局部放电检测的灵敏度并减小光功率损耗。
本发明采用如下的技术方案：一种基于透镜光纤的F-P光纤传感放电检测装置，包括：分布式反馈激光器、环形器、光电探测器，F-P传感器，采集与控制模块和信号处理模块；
其中，所述分布式反馈激光器发出的激光经过所述环形器输入所述F-P传感器，所述F-P传感器的反射光经过所述环形器输入所述光电探测器并被转化为电信号，所述光电探测器将电信号经过所述采集与控制模块输入所述信号处理模块，所述信号处理模块通过检测反射光光强的变化实现局部放电的检测。
优选地，所述F-P传感器还包括透镜光纤、PET波纹膜片和陶瓷套管；其中，所述PET波纹膜片设置于所述陶瓷套管的一个端面上，所述透镜光纤从所述陶瓷套管的另一个端面插入并固定。
优选地，所述透镜光纤还包括单模光纤和无芯石英光纤，所述单模光纤的包层直径为125μm，纤芯直径为9μm，所述无芯石英光纤的外径为150μm。
优选地，所述无芯石英光纤的末端为透镜形状，且其末端透镜的中心曲率半径为200μm，焦距为900μm。
优选地，所述F-P传感器的腔长为900μm，腔长为无芯石英光纤中透镜形状端与固定于陶瓷套管另一端面的PET波纹膜片之间距离。
优选地，所述PET波纹膜片为具有同心环状的圆形膜片，其中PET波纹膜片的外圆直径为1.8mm，内圆直径为0.8mm，厚度为100μm，PET波纹膜片的表面设置波纹结构。
优选地，所述分布式反馈激光器为可调谐分布式反馈激光器，且所述分布式反馈激光器的波长设置为1550nm；所述光电探测器的放大倍数设置为100倍，其频率通带设置为1kHz-300kHz。
本发明还一种涉及基于透镜光纤的F-P光纤传感放电检测方法，包括以下步骤：
步骤1，分布式反馈激光器输出的激光经环形器输入至F-P传感器，在F-P传感器的两个反射面形成多光束干涉；
步骤2，干涉光再经环形器输出至光电探测器；
步骤3，当电气设备内部产生局部放电时会产生局部放电超声信号，激发PET波纹膜片振动，F-P传感器干涉腔腔长发生变化，反射光光强随之发生变化；
步骤4，通过采集与控制模块接收反射光，并由信号处理模块根据反射光光强变化解调出局部放电超声信号，实现电气设备内部局部放电检测。
优选地，放电检测前需要进行F-P传感器静态工作点的选取和稳定，其中F-P传感器静态工作点的选取还包括以下步骤：
将分布式反馈激光器作为光源，采集与控制模块进行初始化扫描，通过调节控制电压改变分布式反馈激光器的输出波长，得到输出波长与反射光信号强度的关系；根据初始化扫描的结果，得到反射光信号在一个自由光谱范围内最大值处对应的波长λ1与最小值处对应的波长λ2，最大波长λ1与最小波长λ2的平均值对应的点为静态工作点，并将该点对应的波长设置为输出波长。
优选地，所述静态工作点的稳定还包括以下步骤：
信号处理模块监测反射光信号强度的变化，与当前静态工作点处的反射光信号强度进行比较，求得反射光信号强度的变化与静态工作点处的反射光信号强度的偏差值，对比偏差值与系统设定的偏差阈值，当偏差值与大于系统设定的偏差阈值，控制系统重新进行初始化扫描，使F-P传感器的工作点回到静态工作点。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明提出的放电检测装置能够使透镜光纤接收反射光的光耦合效率明显提高，且光耦合效率最大，提高了PET波纹膜片对超声信号的振动响应和光反射率。本发明能够实现了F-P传感器的低光功率损耗，提高了局部放电的检测灵敏度。
附图说明
图1为本发明基于透镜光纤的F-P光纤传感放电检测装置的整体结构示意图；
图2为本发明中F-P传感器的结构示意图；
图3为本发明中F-P传感器的透镜光纤加工过程及结构示意图；
图4为本发明中PET波纹膜片的结构示意图；
图5为本发明基于透镜光纤的F-P光纤传感放电检测方法的整体流程示意图。
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。
参照图1的示意，本发明提出了一种基于透镜光纤的F-P光纤传感放电检测装置，该装置包括：分布式反馈激光器、环形器、光电探测器，F-P传感器(Fabry-Perot sensor，法布里-珀罗传感器)，采集与控制模块和信号处理模块。
其中，分布式反馈激光器发出的激光经过环形器输入F-P传感器，F-P传感器的反射光经过环形器输入光电探测器并被转化为电信号，光电探测器将电信号经过采集与控制模块输入信号处理模块，信号处理模块通过检测反射光光强的变化实现局部放电的检测。
本发明采用的分布式反馈激光器为可调谐分布式反馈激光器，用于发射激光，且分布式反馈激光器发射激光的波长设置为1550nm；光电探测器用于放大超声波信号，本实施例中放大倍数设置为100倍，其频率通带设置为1kHz-300kHz。
具体的，参照图2的示意，图2为F-P传感器的结构示意图，F-P传感器还包括透镜光纤、PET波纹膜片和陶瓷套管；其中，透镜光纤由单模光纤和无芯石英光纤通过熔接相连接构成，且无芯石英光纤的末端为透镜形状，PET波纹膜片设置于陶瓷套管的一个端面上，透镜光纤从陶瓷套管的另一个端面插入并固定。
参照图3的示意，透镜光纤包括单模光纤和无芯石英光纤，其中，单模光纤的包层直径设置为125μm，纤芯直径设置为9μm，无芯石英光纤的外径设置为150μm。本发明可以通过光纤切割系统对单模光纤和无芯石英光纤进行切割加工使其满足上述结构参数。将单模光纤和无芯石英光纤熔接，并对无芯石英光纤再次进行加工使其末端形成透镜形状，得到的无芯石英光纤的末端透镜的中心曲率半径为200μm，焦距为900μm。与普通单模光纤相比，本发明使用的透镜光纤接收反射光的光耦合效率能够得到明显提高。优选的，本发明通过光纤熔接机将单模光纤和无芯石英光纤熔接，熔接后，用电弧放电的方法对无芯石英光纤再次进行加工使其末端形成透镜形状，通过对电弧放电时间与放电功率的控制，使无芯石英光纤末端的透镜满足参数需求。
进一步的，参照图4的示意，图4为PET波纹膜片的结构示意图，本发明中的PET波纹膜片为具有同心环状的圆形膜片，其中PET波纹膜片的外圆直径为1.8mm，内圆直径为0.8mm，厚度为100μm，PET波纹膜片的表面设置波纹结构，优选的，波纹结构为圆形波纹，且波纹结构的深度为10μm，波纹数目为7。
优选的，本发明采用热压印胶与压印模板间接接触的方法制备PET波纹膜片，制备过程包括以下步骤：对基底硅片表面进行清洗，利用旋涂的方法在硅基底上涂一层负型光刻胶，涂胶时前转500rpm/min，前转20s，后转2000rpm/min，后转60s，所旋涂胶厚10μm；通过光刻曝光的方法将波纹结构转移到光刻胶上，曝光时间10s，显影时间180s；利用反应离子刻蚀技术刻蚀硅基底，将波纹结构转移到硅基底上，刻蚀气体为SF6，刻蚀功率100w；将刻蚀过的硅片进行清洗，得到的硅模板作为压印模板，并将PET膜片置于压印模板之上，然后在PET上面涂覆热压印胶，压印温度110℃，压力20bar，压印时间300s，制得PET波纹膜片；最后在PET波纹膜片中心溅射一层金膜，增加膜片光反射率，得到本发明采用的PET波纹膜片。本发明通过对PET波纹膜片的结构设定，提高了PET波纹膜片对超声信号的振动响应，并在膜片中心镀金膜，提高了光反射率。
进一步的，将透镜光纤从陶瓷套管的一个端面插入，并将PET波纹膜片通过环氧树脂胶固定于陶瓷套管的另一个端面，其中，透镜光纤插入陶瓷套管的一端为无芯石英光纤所在端，通过光功率测量仪与1550nm的激光器调节F-P传感器的腔长为900μm，腔长为无芯石英光纤中透镜形状端与固定于陶瓷套管另一端面的PET波纹膜片之间距离，腔长与透镜光纤的焦距一致，当PET波纹膜片与透镜光纤的距离与透镜光纤的焦距一致时，光耦合效率最大。此时将透镜光纤与陶瓷套管进行固定连接，得到本发明采用的F-P传感器。
优选的，PET波纹膜片通过环氧树脂胶固定于陶瓷套管，透镜光纤与陶瓷套管之间利用紫外固化胶进行固定封装。
进一步的，采集与控制模块包括示波器，示波器用于接收并显示电信号，信号处理模块用于检测反射光的光强变化，并在光强变化超出设定阈值时，控制分布式反馈激光器调整输出激光的波长。
本发明还提出了一种基于透镜光纤的F-P光纤传感放电检测方法，上述基于透镜光纤的F-P光纤传感放电检测装置基于如下的方法进行局部放电检测：
步骤1，分布式反馈激光器输出光经环形器输入至F-P传感器，在F-P传感器的透镜光纤端面和PET波纹膜片两个反射面形成多光束干涉；
步骤2，干涉光再经环形器输出至光电探测器；
步骤3，当电气设备内部产生局部放电时会产生局部放电超声信号，激发PET膜片振动，F-P传感器干涉腔腔长发生变化，反射光光强随之发生变化；
步骤4，通过采集与控制模块接收反射光，并由信号处理模块根据反射光光强变化解调出局部放电超声信号，实现电气设备内部局部放电检测。
其中，在局部放电检测过程中，分布式反馈激光器波长设置为1550nm，在此波长范围下透镜光纤对反射光的光耦合效率最高，且灵敏度较大；光电探测器放大倍数设置为100倍，其频率通带设置为1kHz-300kHz，用于放大超声波信号。
为了确保检测的灵敏度和信号解调的准确性，在进行局部放电检测之前，利用采集与控制模块和信号处理模块进行F-P传感器静态工作点的选取和稳定。
具体的，静态工作点的选取还包括以下步骤：
将分布式反馈激光器作为光源，当检测装置开始工作后采集与控制模块进行初始化扫描，通过调节控制电压改变分布式反馈激光器的输出波长，得到输出波长与反射光信号强度的关系；根据初始化扫描的结果，得到反射光信号在一个自由光谱范围内最大值处对应的波长λ1与最小值处对应的波长λ2，最大波长λ1与最小波长λ2的平均值对应的点为静态工作点，并将该点对应的波长设置为输出波长，在静态工作点处时F-P传感器的检测灵敏度最高。
选取好初始静态工作点之后，由于环境变化的影响，会导致静态工作点发生漂移，因此需要进行能静态工作点的稳定，静态工作点的稳定还包括以下步骤：
信号处理模块监测反射光信号强度的变化，与当前静态工作点处的反射光信号强度进行比较，求得反射光信号强度的变化与静态工作点处的反射光信号强度的偏差值，对比偏差值与系统设定的偏差阈值，当偏差值与大于系统设定的偏差阈值，控制系统重新进行初始化扫描，使F-P传感器的工作点回到静态工作点。其中，偏差阈值可以由本领域技术人员根据F-P传感器的实际使用环境进行设置。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，
1、本发明将F-P光纤超声传感器设计为透镜光纤的结构，能使返回干涉光强度增加，极大的提高了传感器局部放电检测的灵敏度，具有高灵敏度，低光功率损耗的优点；
2、本发明将F-P传感器的膜片表面设计成波纹状，进一步提高了检测灵敏度，实现了低光功率损耗。
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 (10)
1.一种基于透镜光纤的F-P光纤传感放电检测装置，其特征在于，包括：分布式反馈激光器、环形器、光电探测器，F-P传感器，采集与控制模块和信号处理模块；
其中，所述分布式反馈激光器发出的激光经过所述环形器输入所述F-P传感器，所述F-P传感器的反射光经过所述环形器输入所述光电探测器并被转化为电信号，所述光电探测器将电信号经过所述采集与控制模块输入所述信号处理模块，所述信号处理模块通过检测反射光光强的变化实现局部放电的检测。
2.根据权利要求1所述的基于透镜光纤的F-P光纤传感放电检测装置，其特征在于，
所述F-P传感器还包括透镜光纤、PET波纹膜片和陶瓷套管；其中，所述PET波纹膜片设置于所述陶瓷套管的一个端面上，所述透镜光纤从所述陶瓷套管的另一个端面插入并固定。
3.根据权利要求2所述的基于透镜光纤的F-P光纤传感放电检测装置，其特征在于，
所述透镜光纤还包括单模光纤和无芯石英光纤，所述单模光纤的包层直径为125μm，纤芯直径为9μm，所述无芯石英光纤的外径为150μm。
4.根据权利要求2或3所述的基于透镜光纤的F-P光纤传感放电检测装置，其特征在于，
所述无芯石英光纤的末端为透镜形状，且其末端透镜的中心曲率半径为200μm，焦距为900μm。
5.根据权利要求4所述的基于透镜光纤的F-P光纤传感放电检测装置，其特征在于，
所述F-P传感器的腔长为900μm，腔长为无芯石英光纤中透镜形状端与固定于陶瓷套管另一端面的PET波纹膜片之间距离。
6.根据权利要求5所述的基于透镜光纤的F-P光纤传感放电检测装置，其特征在于，
所述PET波纹膜片为具有同心环状的圆形膜片，其中PET波纹膜片的外圆直径为1.8mm，内圆直径为0.8mm，厚度为100μm，PET波纹膜片的表面设置波纹结构。
7.根据权利要求6所述的基于透镜光纤的F-P光纤传感放电检测装置，其特征在于，
所述分布式反馈激光器为可调谐分布式反馈激光器，且所述分布式反馈激光器的波长设置为1550nm；所述光电探测器的放大倍数设置为100倍，其频率通带设置为1kHz-300kHz。
8.一种基于权利要求1～7任意一项基于透镜光纤的F-P光纤传感放电检测装置的基于透镜光纤的F-P光纤传感放电检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，分布式反馈激光器输出的激光经环形器输入至F-P传感器，在F-P传感器的两个反射面形成多光束干涉；
步骤2，干涉光再经环形器输出至光电探测器；
步骤3，当电气设备内部产生局部放电时会产生局部放电超声信号，激发PET波纹膜片振动，F-P传感器干涉腔腔长发生变化，反射光光强随之发生变化；
步骤4，通过采集与控制模块接收反射光，并由信号处理模块根据反射光光强变化解调出局部放电超声信号，实现电气设备内部局部放电检测。
9.根据权利要求8所述的基于透镜光纤的F-P光纤传感放电检测方法，其特征在于，
放电检测前需要进行F-P传感器静态工作点的选取和稳定，其中F-P传感器静态工作点的选取还包括以下步骤：
将分布式反馈激光器作为光源，采集与控制模块进行初始化扫描，通过调节控制电压改变分布式反馈激光器的输出波长，得到输出波长与反射光信号强度的关系；根据初始化扫描的结果，得到反射光信号在一个自由光谱范围内最大值处对应的波长λ1与最小值处对应的波长λ2，最大波长λ1与最小波长λ2的平均值对应的点为静态工作点，并将该点对应的波长设置为输出波长。
10.根据权利要求9所述的基于透镜光纤的F-P光纤传感放电检测方法，其特征在于，
所述静态工作点的稳定还包括以下步骤：
信号处理模块监测反射光信号强度的变化，与当前静态工作点处的反射光信号强度进行比较，求得反射光信号强度的变化与静态工作点处的反射光信号强度的偏差值，对比偏差值与系统设定的偏差阈值，当偏差值与大于系统设定的偏差阈值，控制系统重新进行初始化扫描，使F-P传感器的工作点回到静态工作点。
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2021
- 2021-08-17 CN CN202110945267.8A patent/CN113567819A/zh active Pending
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