光纖F-P腔傳感器特性研究*

黃 俊， 文 溢， 姜 飛， 張長勝， 趙振剛， 李 川

(昆明理工大學(xué) 信息工程及自動化學(xué)院,云南 昆明 650504)

光纖F-P腔傳感器特性研究*

黃 俊， 文 溢， 姜 飛， 張長勝， 趙振剛， 李 川

(昆明理工大學(xué) 信息工程及自動化學(xué)院,云南 昆明 650504)

變壓器能否穩(wěn)定工作直接關(guān)系到變電站是否安全運行，其工作重心是檢測出變壓器局部放電產(chǎn)生的超聲波信號。介紹了一種光纖F-P腔傳感器，并在此基礎(chǔ)上搭建了調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，分別通過對無超聲波源、有超聲波源和浸入變壓器油中3種情況進(jìn)行了實驗測試，并在距離超聲波源20，40，60,80,90,100 cm處進(jìn)行了損耗特性測試，測試結(jié)果表明：此傳感器受外界噪聲干擾較小，且在變壓器油中能實時地檢測出超聲波信號，精度高，損耗度為25.8 mV/cm，符合傳感器在油浸式變壓器中持續(xù)穩(wěn)定工作的條件。當(dāng)變壓器出現(xiàn)故障時，能夠及時發(fā)現(xiàn)問題，保證變壓器安全運行。

F-P腔； 光纖傳感器； 超聲波； 局部放電； 油浸式變壓器

0 引 言

隨著居民用電量的不斷增多,電力變壓器的安裝使用也隨之不斷增加。變壓器是保證變電站穩(wěn)定工作的重要設(shè)備,它的絕緣失效會給電力系統(tǒng)的運行帶來重大安全隱患。在變壓器運行過程中,絕緣油中的雜質(zhì)顆粒或氣泡等的存在會影響絕緣的耐壓性能,容易引起介質(zhì)的局部擊穿，導(dǎo)致局部放電，從而使變壓器故障，因而局部放電的檢測也就成為其絕緣狀況監(jiān)測的重要手段[1]。相比于傳統(tǒng)的壓電式超聲波傳感器受電磁干擾等限制，精確度不高，使用和運行維護(hù)相當(dāng)困難，光纖F-P型傳感器有低耗傳輸、抗腐蝕、抗電磁干擾、抗絕緣等優(yōu)點[2，3]。2003年，李燕青等人使用了超聲波法檢測電力變電站的局放。2011年，重慶大學(xué)唐炬等人研制一套光纖傳感設(shè)備，可檢測變壓器局放信號，但傳感器探頭太長。

本文介紹了一種光纖F-P腔傳感器，它是結(jié)合F-P干涉儀和光纖傳感器技術(shù)研制的檢測超聲波的光纖傳感器，其探頭小巧，適合放置在變壓器油中實時監(jiān)測。并搭建了F-P腔傳感器測試系統(tǒng)，對其抗外界噪聲干擾性能，以及在變壓器油中的穩(wěn)定、精確、損耗性能做出了探究。

1 光纖F-P腔傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理

光纖F-P腔傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1，光線在鍍有反射膜的腔體內(nèi)部多次反射和折射，在腔內(nèi)形成多束相干光，此腔體稱為F-P腔[4～6]。傳感器探頭為半徑為2 mm，高為1.5 cm的圓柱體(圖1(b))，可橫置于變壓器容器壁上，浸入變壓器油中。

圖1 光纖F-P腔傳感器結(jié)構(gòu)

光纖F-P腔傳感器是通過F-P干涉儀和光纖傳感器技術(shù)結(jié)合發(fā)展而成的,它的工作原理為多光束干涉理論,指一組相互平行的、相鄰兩束光的光程差固定不變的、頻率相同的相干光束的疊加[7]。

取兩個反射面之間的距離為d，n為干涉儀腔體介質(zhì)折射率(空氣n=1),設(shè)兩反射面的有效反射率為R。若一束平行光Io入射到干涉儀表面時,將在腔內(nèi)發(fā)生多次反射和折射，由于兩界面反射率小于1,反射光束及折射光束將快速衰減至0,最終一系列折射光束相干疊加為透射光IT,反射光束相干疊加為反射光IR。相鄰兩折射光之間的光程差為

Δd=2ndcosα

(1)

式中α為兩反射面之間光線的入射角。因此，相鄰兩折射光束之間的位相差為

(2)

式中 λ為入射光的光波長。透射光強(qiáng)為

(3)

不考慮光束在實際傳播過程中產(chǎn)生的半波損失以及吸收損耗等,則有

IR+IT=IO

(4)

因此,反射光強(qiáng)為

(5)

當(dāng)R很小時，上式可簡化為

(6)

式中 L為腔長。式(6)對應(yīng)的輸出是一個余弦曲線，以其中1/2個周期為例，那么IR就是L的單值函數(shù)，則

IR≈A·L·I0

(7)

式中 A為比例系數(shù)。

2 系統(tǒng)搭建

對光纖F-P傳感器進(jìn)行測試，搭建了F-P腔傳感器調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，如圖2所示[8]。系統(tǒng)中使用超聲波清洗機(jī)作為超聲波源，前置放大器的倍數(shù)為1 000倍。

圖2 F-P傳感器測試系統(tǒng)圖

當(dāng)外部有超聲波作用在F-P傳感器時，石英膜發(fā)生微小形變，F(xiàn)-P腔腔長發(fā)生變化，使F-P傳感器反射回來的光強(qiáng)度變小，光電轉(zhuǎn)換器中的光電二極管產(chǎn)生的光電流減小，因此，PC端采集的電壓數(shù)值也會減小，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到頻域信號(試驗中使用的是頻譜分析儀)[9]。

3 F-P傳感器性能分析

將F-P傳感器放置在空中，關(guān)閉超聲波源，PC端和頻譜分析儀得到的數(shù)據(jù)如圖3，從時域譜可以看出，傳輸上來的數(shù)據(jù)幾乎全部在25 mV以內(nèi)，屬于正常噪聲影響范圍，而且在頻域譜中得以體現(xiàn)，在頻域譜中，譜線基本可以看成呈一條直線，沒有明顯波峰，表示F-P腔傳感器沒有檢測到外界有超聲波源。

圖3 靜態(tài)時域和頻域圖

將超聲波源打開，傳感器懸掛在空中靜止，得到的時域譜和頻域譜圖如4。

圖4 有超聲波源時傳感器時域頻域圖

從圖3和圖4中可以看出，PC端采集的數(shù)據(jù)在±1～±5 V之間，可見當(dāng)有超聲波源作用在傳感器時，外界噪聲產(chǎn)生的誤差在0.3 %以內(nèi)，可以完全忽略不計，頻域譜中有2個非常明顯的波峰，分別在15 kHz和60 kHz，說明外界有超聲波源作用在F-P腔傳感器上。

模擬傳感器在變壓器油中的實際情況，將傳感器置于變壓器油中，橫向固定在金屬容器壁，容器置于超聲波源旁邊，再開啟超聲波源，得到的時域譜和頻域譜如圖5。

圖5 傳感器放入變壓器油的時域頻域圖

由圖5可知，電腦采集到的時域幅值有小幅度減小，然而頻域譜依然可以很清晰地看出有2個比較明顯的波峰，分別在15 kHz和60 kHz附近，檢測到外界有超聲波源，說明傳感器在變壓器油中精確度較高。

再將金屬容器置于離超聲波源20,40,60,80,90,100 cm處測試，實驗結(jié)果如表1。

表1 F-P傳感器時域幅值隨距離變化表

根據(jù)表1數(shù)據(jù)畫出F-P傳感器時域幅值隨距離變化,如圖6所示，距離從0～100 cm之內(nèi)，最大幅值從5 mV衰減到1.77 V，且0～90 cm呈線性衰減，損耗度為25.8 mV/cm，最小幅值變化在100 mV以內(nèi)，可見，其垂直測試范圍可達(dá)80 cm。油浸式變壓器外形可以大致看成是約為1.5 m×1.4 m×1.5 m的長方體，在左右兩個位面分別安裝2只傳感器，其測試范圍包括了整個變壓器，滿足對變壓器的監(jiān)測要求。

圖6 F-P傳感器時域幅值隨距離變化圖

4 結(jié) 論

測試結(jié)果表明：此傳感器既有光纖傳感器基本的抗腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)點，又能滿足在變壓器油中穩(wěn)定工作，能準(zhǔn)確地檢測出超聲波源是否存在，且精確度較高，損耗度為25.8 mV/cm。在變壓器出現(xiàn)故障后，工作人員可以及時補修，保證變壓器安全穩(wěn)定運行，有很大的社會經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 張 磊,于清旭.光纖F-P腔與FBG復(fù)用傳感器精確解調(diào)方法研究[J].光電子·激光,2009(8):1008-1011.

[2] 于清旭,賈春艷.膜片式微型F-P腔光纖壓力傳感器[J].光學(xué)精密工程,2009(12):2887-2892.

[3] 李春成,王 鳴,夏 巍,等.基于F-P腔強(qiáng)度解調(diào)的微位移傳感器[J].光學(xué)學(xué)報,2014(6):280-285.

[4] 劉京誠,任小宇,陳小強(qiáng),等.基于光纖F-P傳感器變壓器鐵心在線監(jiān)測研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2009,28(5):58-60.

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Research on characteristics of optical fiber F-P cavity sensor*

HUANG Jun, WEN Yi, JIANG Fei, ZHANG Chang-sheng, ZHAO Zhen-gang, LI Chuan

(Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650504,China )

Work stability of transformer directly relates to transformer substation safe operation,it focus is to detect the transformer partial discharge of ultrasonic signal.A kind of optical fiber F-P sensor is introduced,and based on the structures modulation and demodulation system is set up,experimental test in three situations,ultrasonic waves,no ultrasonic waves and immersed transformer oil is carried out，and loss characteristics test is carried out range from the ultrasonic waves 20,40,60,80,90,100 cm.Test results show that the sensor is free of outside noise interference,and can real time detect ultrasonic signal in transformer oil,it has high precision and its loss degree is 25.8 mV/cm,conforms to the sensor in conditions of steady work in oil-immersed transformer.When the transformer fails,problem can be found in time and the safe operation of the transformer is guaranteed.

F-P cavity; optical fiber sensor; ultrasound; partial discharge; oil-immersed transformer

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0068—03

2016—04—13

國家自然科學(xué)基金資助項目(51567013)

TP 212.9

A

1000—9787(2017)03—0068—03

黃 俊(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向為傳感器技術(shù)。

李 川(1971-)，通訊作者，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:boatriver@eyou.com。