CN113670429A - 一种光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器及其加工方法，所述传感器包括光纤光栅、双悬臂梁和外壳，双悬臂梁设有双矩形孔；光纤光栅的两端点固定于双悬臂梁的双矩形孔上，且光纤光栅呈绷紧状态处于矩形孔中线位置，随双悬臂梁封装于外壳内，光纤光栅的光纤从外壳引出。本发明双悬臂梁的设计增加了方向抗干扰，两点式封装设计增加了传感器灵敏度并避免了光栅啁啾的问题。
Description
技术领域
本发明属于变压器绕组测量技术领域，涉及一种光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器及其加工方法。
背景技术
变压器绕组状态的改变会严重危及变压器的安全运行，而变压器的安全稳定运行是确保电网可靠运行的关键。变压器绕组状态的改变会引起振动信号的改变，产生不同的加速度。传感器是决定振动信号检测效果的关键，与传统的振动加速度传感器相比，光纤振动加速度传感器具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀等特点，适合在变压器绕组振动检测中应用。其中，基于光纤光栅的振动加速度传感器采用波长调制，易于复用和组网，不易受强度噪声影响。将利用光纤光栅制成的传感器应用于变压器绕组状态检测，可极大程度上判断变压器绕组状态，对电网的安全维护具有举足轻重的意义。但现有光纤光栅振动传感器存在尺寸大、结构复杂等问题。
悬臂梁式结构因其简易的结构常被当作光纤光栅振动加速度传感器的敏感结构。首先，目前所具有的悬臂梁式光纤光栅振动加速度传感器普遍因为其全粘式光纤光栅封装方式影响其灵敏度普遍不高；其次，该种传感器的胶装容易使光纤光栅产生啁啾现象；再者，大部分悬臂梁式结构传感器的交叉灵敏度都不高。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本申请提供一种基于双矩形孔双悬臂梁式的光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器及其加工方法，提高了传感器的灵敏度和交叉抗干扰能力，同时也避免了啁啾现象，可以实现对变压器绕组振动信号的捕捉。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
一种光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器，包括光纤光栅、双悬臂梁和外壳；
所述双悬臂梁设有双矩形孔；
所述光纤光栅的两端点固定于双悬臂梁的双矩形孔上，且光纤光栅呈绷紧状态处于矩形孔中线位置，随双悬臂梁封装于外壳内，光纤光栅的光纤从外壳引出。
本发明进一步包括以下优选方案：
优选地，所述双悬臂梁由两片相同的矩形结构钢片组成，两片矩形结构钢片的端部、尾部均采用质量块相连接，且靠近端部相同位置处设有相同矩形孔。
优选地，所述两片矩形结构钢片的端部、尾部分别采用结构钢片、结构钢块作为质量块。
优选地，所述外壳采用长方体结构钢外壳，其底部及四周整体焊接，顶部为采用螺丝固定的盖片，顶角设有供光纤引出的小孔，内部底部设有一凸起，所述凸起用于固定双悬臂梁尾部。
本发明还公开了上述一种光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器的加工方法，包括以下步骤：
步骤1：熔接光纤光栅端口；
步骤2：制作双悬臂梁和外壳；
步骤3：将光纤光栅封装于双悬臂梁的双矩形孔间；
步骤4：固定双悬臂梁并封装外壳，完成传感器组装；
步骤5：标定传感器性能，标定后的传感器用于测量变压器绕组振动加速度。
优选地，步骤1中，将光纤光栅尾纤与带有FC接口的光纤跳线熔接，用于使对应光源可以进入光纤光栅实现传感。
优选地，步骤2中，使用激光切割机对结构钢片进行切割，得到两片相同的矩形结构钢片作为两悬臂梁，采用结构钢片作为质量块使两悬臂梁端部连接，尾部固定端使用结构钢块使两悬臂梁尾部连接，距离两悬臂梁端部相同位置处切割出相同矩形孔；采用CNC切割厚结构钢片得到外壳的底部、顶部及四周、凸起，将底部及四周焊接，顶部采用螺丝固定，顶角钻供光纤引出的小孔，凸起固定于外壳的内部底部。
优选地，步骤3中，将光纤光栅两点式封装于双矩形孔间，使用紫外固化胶对光纤光栅两端点进行粘粘，具体为：
沿矩形孔中线封装光纤光栅，使光纤光栅处于矩形孔中线位置上，且先使用紫外固化胶将远离端部的端点固定，固定另一端点时对光纤光栅施加一定的预应力使固定后光纤光栅处于绷紧状态，封装后将静置一段时间使光纤光栅完全固定。
优选地，步骤4中，将封装完光纤光栅的双悬臂梁尾部使用紫外固化胶粘粘在外壳内部凸起处，将光纤光栅沿外壳顶角小孔引出，盖上外壳的顶部盖片。
优选地，步骤5中，搭建标定系统进行光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器标定，所述标定系统包括信号发生器、功率放大器、振动台、压电传感器、数据采集卡、光纤光栅解调仪；
将所述光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器固定在振动台上，信号发生器产生正弦电压信号，电压信号传输至功率放大器进行放大，放大信号传输至振动台，该方式可以实现稳定调节至某一稳定加速度，便于传感器的标定；
振动台振动量引起的光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器的悬臂梁振动，悬臂梁振动转化为光纤光栅的轴向应变，光纤光栅的轴向应变引起光纤光栅中心波长的变化，光纤光栅解调仪获得光纤光栅实时波长数据，对实时波长数据进行处理得到其最大中心波长差，同时，压电传感器获得振动台的振动信号，通过压电效应将其转化为电信号，数据采集卡电信号并通过计算机分析运算，获得振动台的实时振动加速度和振动频率，建立最大中心波长差与振动加速度的关系，实现对传感器的标定；
完成标定后，将光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器固定在变压器绕组绝缘线圈间，连接光纤光栅解调仪，根据解调的实时波长数据即可得出变压器绕组振动加速度。
本申请所达到的有益效果：
本发明基于双矩形孔双悬臂梁式的光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器，通过双悬臂梁结构降低悬臂梁端部产生的挠度和转角，提高了抗扭转能力，双矩形孔方便光纤光栅采用两点式封装方式，该封装方式不但避免了光纤光栅的啁啾现象，而且由于采用将悬臂梁上两点的轴向位移转化为光纤光栅的轴向应变的方式，提高了传感器的灵敏度。
本发明在振动加速度稳定的外界信号作用下，双悬臂梁结构随之振动，导致固定光纤光栅的两端点轴向位移发生改变，进一步作用于封装其上的光纤光栅产生轴向应变，对于光纤光栅，光源经纤芯沿轴向射入光纤光栅，满足中心波长的光被反射回来形成反射谱，光纤布拉格光栅(FBG)反射谱中心波长与光纤线芯有效折射率和光栅栅格周期有关，当外界环境作用时，两者会发生变化，导致中心波长发生漂移，计算漂移量则可以实现对外界参量的检测。从而可以实现变压器绕组振动加速度的测量，双悬臂梁的设计增加了方向抗干扰，两点式封装设计增加了传感器灵敏度并避免了光栅啁啾的问题。
附图说明
图1是本发明一种光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器的加工流程图。
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。
本发明的一种光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器，包括光纤光栅、双悬臂梁和外壳；
所述双悬臂梁设有双矩形孔；
所述光纤光栅的两端点固定于双悬臂梁的双矩形孔上，且光纤光栅呈绷紧状态处于矩形孔中线位置，随双悬臂梁封装于外壳内，光纤光栅的光纤从外壳引出。
在振动加速度稳定的外界信号作用下，所述双悬臂梁随之振动，导致固定光纤光栅的两端点轴向位移发生改变，进一步作用于其上的光纤光栅产生轴向应变，对于光纤光栅，光源经纤芯沿轴向射入光纤光栅，满足中心波长的光被反射回来形成反射谱；
当外界环境作用时，光纤线芯有效折射率和光栅栅格周期发生变化，导致中心波长发生漂移，计算漂移量则实现变压器绕组振动加速度的测量。
双悬臂梁的设计增加了方向抗干扰，两点式封装设计增加了传感器灵敏度并避免了光栅啁啾的问题。
如图1(b)-(d)所示，具体实施时，所述双悬臂梁由两片相同的矩形结构钢片组成，两片矩形结构钢片的端部、尾部均采用质量块相连接，且靠近端部相同位置处设有相同矩形孔；
所述两片矩形结构钢片的端部、尾部分别采用结构钢片、结构钢块作为质量块。
优选实施例为：常规变压器绕组振动频率为100Hz,而该传感器在谐振频率点处具有最大的响应灵敏度，因此为控制传感器的响应灵敏度尽量接近100Hz，所述矩形结构钢片，长度为30mm，宽度为8mm，厚度为0.1mm；
尾部采用的结构钢块，长度为5mm，宽度为8mm，厚度为1.1mm；
端部采用的结构钢片，长度为0.8mm，宽度为8mm，厚度为1.1mm；
两片矩形结构钢片的间距为0.9mm；
所述矩形孔长度为12mm，宽度为2.0mm；
所述矩形孔中心距离矩形结构钢片端部距离约为9mm，与矩形结构钢片侧边距离为4mm。
所述外壳采用长方体结构钢外壳，其底部及四周整体焊接，顶部为采用螺丝固定的盖片，顶角设有供光纤引出的小孔，内部底部设有一凸起，所述凸起用于固定双悬臂梁尾部，凸起尺寸为10×5mm。
如图1所示，本发明一种光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器的加工方法，包括以下步骤：
步骤1：熔接光纤光栅端口；
使用市售光纤熔接机(JILONG,KL-280G,中国)将光纤光栅尾纤与带有FC接口的光纤跳线熔接，如图1(a)所示。
步骤2：制作双悬臂梁和外壳；
实施例中，使用激光切割机对结构钢片进行切割，端部采用结构钢片同时作为质量块使两悬臂梁端部连接，距离端部3cm处切割出两矩形孔，尾部固定端使用结构钢块使悬臂梁尾部连接，悬臂梁长度为30mm，宽度为8mm，厚度为0.1mm，尾部固定件长度为5mm，宽度为8mm，厚度为1.1mm，端部质量块长度为0.8mm，宽度为8mm，厚度为1.1mm，两悬臂梁间距为1.0mm，双矩形孔长度为12mm，宽度为2.0mm，双矩形孔中心距离梁端部距离约为9mm，与梁侧边距离为4mm，如图1(b)所示。
采用CNC切割厚结构钢片得到外壳的底部、顶部及四周、凸起，将底部及四周焊接，顶部采用螺丝固定，顶角钻供光纤引出的小孔，凸起固定于外壳的内部底部。
步骤3：将光纤光栅封装于双悬臂梁的双矩形孔间；
将光纤光栅两点式封装于双矩形孔间，使用紫外固化胶对光纤光栅两端点进行粘粘，具体为：
沿矩形孔中线封装光纤光栅，使光纤光栅处于矩形孔中线位置上，且先使用紫外固化胶将远离端部的端点固定，固定另一端点时对光纤光栅施加一定的预应力使固定后光纤光栅处于绷紧状态，封装后将静置一段时间使光纤光栅完全固定，如图1(c)所示。
实施例中，使用紫外固化胶，先后固定两端点保证其预应力，光纤光栅长度为10mm，两固定点轴向间距为12mm。
步骤4：固定双悬臂梁并封装外壳，完成传感器组装；
将封装完光纤光栅的双悬臂梁尾部使用紫外固化胶粘粘在外壳内部凸起处，将光纤光栅沿外壳顶角小孔引出，盖上外壳的顶部盖片，如图1(d)所示。
步骤5：标定传感器性能，标定后的传感器用于测量变压器绕组振动加速度，具体为：
搭建标定系统，进行传感器标定；
具体实施时，所述标定系统包括函数信号发生器、功率放大器、小型振动台、压电陶瓷型振动加速度传感器、数据采集卡、光纤光栅解调仪，如图1(e)所示。
各设备型号为：信号发生器(RIGOL，DG812，中国)、功率放大器(SA，PA010，中国)、小型振动台(SA，JZ005T，中国)、压电传感器(IEPE，AD2000T，中国)、数据采集卡(IEPE，MSP-140801-IEPE，中国)、光纤光栅解调仪(YW-BYQ-ZQ，中国)。
将本发明光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器固定在振动台上，函数信号发生器和功率放大器均采用市电供电；
设置函数信号发生器发出稳定的正弦信号，将其电压输出信号连接至功率放大器的电压输入端口，通过功率放大器将电压信号放大后输出至小型振动台实现对小型振动台的供电；
所用功率放大器最大输出电流为6Arms，小型振动台最大输入电流为7Arms；
通过一个用M5螺丝固定的压电陶瓷型振动加速度传感器采集小型振动台的振动信号，当PZT接受到振动信号时，由于压电效应产生对应的电压信号，通过采集卡采集传输进计算机分析系统可以获得振动台动加速度和振动频率。
本发明传感器将振动台振动量引起的悬臂梁振动转化至光纤光栅的轴向应变，光纤光栅的轴向应变引起光纤光栅中心波长的变化，光纤光栅解调仪获得光纤光栅实时波长数据，对实时波长数据进行处理得到其最大中心波长差，将压电传感器和数据采集卡获得的振动台动加速度和振动频率作为外界振动量，可以建立最大中心波长差与外界振动加速度的关系即可实现对传感器的标定。
完成标定后，将传感器固定在变压器绕组绝缘线圈间，连接光纤光栅解调仪即可根据解调数据得出变压器绕组振动加速度，即通过观测变压器绕组振动使光纤光栅实时波长的变化即可获知此时变压器绕组振动加速度，如图1(f)所示。
如图1(c)所设计的双矩形孔双悬臂梁结构，其传感原理如下：
在振动加速度稳定的外界信号作用下，双悬臂梁结构随之振动，导致固定光纤光栅的两端点轴向位移发生改变，进一步作用于封装其上的光纤光栅产生轴向应变，对于光纤光栅，光源经纤芯沿轴向射入光纤光栅，满足中心波长的光被反射回来形成反射谱，光纤布拉格光栅(FBG)反射谱中心波长与光纤线芯有效折射率和光栅栅格周期有关，当外界环境作用时，两者会发生变化，导致中心波长发生漂移，计算漂移量则可以实现对外界参量的检测。从而可以实现变压器绕组振动加速度的测量，双悬臂梁的设计增加了方向抗干扰，两点式封装设计增加了传感器灵敏度并避免了光栅啁啾的问题。
具体的，对该悬臂梁结构受力分析可以得到梁端部最大应变：
其中b为悬臂梁的宽度，d为悬臂梁厚度，E为悬臂梁材料的杨氏模量，m为结构有效质量，主要由端部质量块决定，L为悬臂梁的梁长，a为外界加速度量。
FBG波长的偏移值与所遭受的轴向应变之间可以确立关系：
其中pc为光纤的弹光系数，则
将FBG反射谱的中心波长对振动加速度的响应灵敏度Ka定义为
则
同理由悬臂梁的柔度λ为
可以算得该双悬臂梁结构的一阶谐振频率：
变压器绕组振动属于低频振动，根据灵敏度和一阶谐振频率决定公式可以发现，按上述参数设置传感器结构参数，可以识别并检测变压器绕组振动，同时使用双悬臂梁结构与与同尺寸单悬臂梁相比，弯矩增大一倍，这样的特性可以显著提高所设计的变压器振动加速度传感器的横向抗干扰能力及结构稳定性，两点式封装设计将位移转化为FBG的轴向应变，避免了普通全粘式封装应变传递效率的影响，提高了传感器灵敏度，也避免了全粘式封装粘贴不均匀的问题，避免了啁啾现象的产生。
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)
1.一种光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器，包括光纤光栅、双悬臂梁和外壳，其特征在于：
所述双悬臂梁设有双矩形孔；
所述光纤光栅的两端点固定于双悬臂梁的双矩形孔上，且光纤光栅呈绷紧状态处于矩形孔中线位置，随双悬臂梁封装于外壳内，光纤光栅的光纤从外壳引出。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器，其特征在于：
所述双悬臂梁由两片相同的矩形结构钢片组成，两片矩形结构钢片的端部、尾部均采用质量块相连接，且靠近端部相同位置处设有相同矩形孔。
3.根据权利要求2所述的一种光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器，其特征在于：
所述两片矩形结构钢片的端部、尾部分别采用结构钢片、结构钢块作为质量块。
4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器，其特征在于：
所述外壳采用长方体结构钢外壳，其底部及四周整体焊接，顶部为采用螺丝固定的盖片，顶角设有供光纤引出的小孔，内部底部设有一凸起，所述凸起用于固定双悬臂梁尾部。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器的加工方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤1：熔接光纤光栅端口；
步骤2：制作双悬臂梁和外壳；
步骤3：将光纤光栅封装于双悬臂梁的双矩形孔间；
步骤4：固定双悬臂梁并封装外壳，完成传感器组装；
步骤5：标定传感器性能，标定后的传感器用于测量变压器绕组振动加速度。
6.根据权利要求5所述的一种光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器的加工方法，其特征在于：
步骤1中，将光纤光栅尾纤与带有FC接口的光纤跳线熔接，用于使对应光源可以进入光纤光栅实现传感。
7.根据权利要求5所述的一种光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器的加工方法，其特征在于：
步骤2中，使用激光切割机对结构钢片进行切割，得到两片相同的矩形结构钢片作为两悬臂梁，采用结构钢片作为质量块使两悬臂梁端部连接，尾部固定端使用结构钢块使两悬臂梁尾部连接，距离两悬臂梁端部相同位置处切割出相同矩形孔；采用CNC切割厚结构钢片得到外壳的底部、顶部及四周、凸起，将底部及四周焊接，顶部采用螺丝固定，顶角钻供光纤引出的小孔，凸起固定于外壳的内部底部。
8.根据权利要求5所述的一种光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器的加工方法，其特征在于：
步骤3中，将光纤光栅两点式封装于双矩形孔间，使用紫外固化胶对光纤光栅两端点进行粘粘，具体为：
沿矩形孔中线封装光纤光栅，使光纤光栅处于矩形孔中线位置上，且先使用紫外固化胶将远离端部的端点固定，固定另一端点时对光纤光栅施加一定的预应力使固定后光纤光栅处于绷紧状态，封装后将静置一段时间使光纤光栅完全固定。
9.根据权利要求5所述的一种光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器的加工方法，其特征在于：
步骤4中，将封装完光纤光栅的双悬臂梁尾部使用紫外固化胶粘粘在外壳内部凸起处，将光纤光栅沿外壳顶角小孔引出，盖上外壳的顶部盖片。
10.根据权利要求5所述的一种光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器的加工方法，其特征在于：
步骤5中，搭建标定系统进行光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器标定，所述标定系统包括信号发生器、功率放大器、振动台、压电传感器、数据采集卡、光纤光栅解调仪；
将所述光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器固定在振动台上，信号发生器产生正弦电压信号，电压信号传输至功率放大器进行放大，放大信号传输至振动台；
振动台振动量引起的光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器的悬臂梁振动，悬臂梁振动转化为光纤光栅的轴向应变，光纤光栅的轴向应变引起光纤光栅中心波长的变化，光纤光栅解调仪获得光纤光栅实时波长数据，对实时波长数据进行处理得到其最大中心波长差，同时，压电传感器获得振动台的振动信号，通过压电效应将其转化为电信号，数据采集卡电信号并通过计算机分析运算，获得振动台的实时振动加速度和振动频率，建立最大中心波长差与振动加速度的关系，实现对传感器的标定；
完成标定后，将光纤光栅变压器绕组振动加速度传感器固定在变压器绕组绝缘线圈间，连接光纤光栅解调仪，根据解调的实时波长数据即可得出变压器绕组振动加速度。
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