[发明专利]光纤非本征法布里-珀罗干涉超声传感检测装置

说明书

技术领域

本发明利用光纤非本征法布里-珀罗干涉超声传感检测装置对声发射源进行探测，特别针 对由材料损伤、变压器局部放电等声发射源产生的超声波信号进行检测，属于光纤传感领域，

背景技术

通常意义上的声发射源，一般是指材料受到外力的作用所产生的各种变形和断裂机制， 在这种机制发生的同时，会伴随应力波的产生并向四周扩散。声发射是一种重要的无损检测 和评价手段，它采用高灵敏的传感器，在材料或构件受外力的作用，且又远在其达到破损之 前，接受来自这些材料或者构件开始出现损伤时所产生的声发射信号，通过对这些信号的分 析处理，实现对材料或构件状态的评估，从而避免事故的发生。

变压器是电力系统中的重要部件，其价格昂贵，但时常发生各种故障，对整个电力系统 的正常安全运行构成很大威胁。相关数据表明，发生在变压器内部的局部放电(partial discharge，PD)现象是造成变压器故障的主要原因之一，而一次大型变压器故障的经济损失 可能高达上千万美元，因此对变压器设备健康状况的检测，尤其是局部放电现象的检测十分 必要。随着电力产业的发展，变压器的等级越来越高，体积越来越大，为了便于检测和维修， 就不仅要求对PD的检测，还要实现对PD的定位。

传统的对变压器局部放电现象的检测主要有电磁脉冲法，化学方法和超声法。电脉冲检 测法是应用最早也最普遍的一种检测方法，但容易受到电磁干扰的影响，在变压器工作现场 电磁干扰很难控制。化学检测方法主要是利用气体传感器检测变压器油中不同气体的含量来 实现PD检测。由于局部放电与油的相互作用会产生气体，这些气体会从放电源向四周扩散。 但是由于油的粘滞系数很高，气体扩散很缓慢，并且从PD发生到有足够多的气体被传感器 检测到有很大的延迟，因此这种方法不适宜应用在实时在线监测。由于局部放电现象可能长 期存在，它对变压器造成的损害是一个长期积累的过程，因此气体检测方法可以应用于局部 放电早期的检测。

传统的超声检测方法是利用压电换能器实现对超声波的检测，这种方法是将超声波信号 转换成电信号，也容易受到电磁干扰的影响。

光纤传感器与传统的电传感器相比具有很多固有的优点，包括体积小、寿命长、高稳定 性、高灵敏度和抗电磁干扰，已得到广泛应用。而基于光纤的超声传感器也已在变压器局部 放电检测，军事领域的光纤水听器等方面得到了研究和应用。

发明内容

本发明的目的在于提供提出一种结构简单、制作容易、成本低、灵敏度高和实用性强的 光纤非本征法布里-珀罗干涉超声传感检测装置，可实现对局部放电现象的检测，并可利用多 个传感头和时延差检测算法实现放电源的定位。

为了达到上述目的，本发明采用下属技术方案：一种光纤非本征法布里-珀罗干涉超声传 感检测装置包括光源，其特征在于所述光源，连接一个光纤环形器，所述光纤环形器的一个 接口连接一个光纤法布里-珀罗超声传感器，另一个接口经一个光电转换模块和一个信号放大 模块连接一个示波器，一个信号发生器连接一个压电换能器，该压电换能器产生超声波信号， 传输给所述法布里-珀罗超声传感器；所示光源为1550nm光源，光纤环形器为1550nm光纤 环形器。所述1550nm光源发出的光经过所述1550nm光纤环形器导入到所述光纤法布里-珀 罗超声传感器；所述信号发生器作用于所述压电换能器产生超声波信号，并在空气中传输到 达所述光纤法布里-珀罗超声传感器；所述光纤法布里-珀罗超声传感器将接收到的所述超声 波信号通过光电转换模块、信号放大模块最终显示在所述示波器上。

上述光纤法布里-珀罗超声传感器的结构是：一根由单模光纤插在一个内陶瓷套管中再外 套一个外陶瓷套管，在所示内陶瓷套管和外陶瓷套管的两端分别有金属底座和石英振动膜。 所述单模光纤内端面、石英振动膜的内侧面、外陶瓷套管的内壁面和内陶瓷套管端面构成法 布里-珀罗腔；所述法布里-珀罗腔的腔长为单模光纤端面到石英振动膜内表面的距离；所述 光纤法布里-珀罗超声传感器的外陶瓷套管的内径比内陶瓷套管的外径略小而使外陶瓷套管 卡紧在内陶瓷套管上；所述外陶瓷套管的侧壁上开有一个狭缝；所述外陶瓷套管与所述内陶 瓷套管利用狭缝的应力形变实现位置的相对稳定，并实现法布里-珀罗超声传感器的最佳工作 点；所述石英振动膜的厚度通过氢氟酸腐蚀控制。