组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检测系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检测系统，该系统包括光源、光纤1/2分光器、光纤、光纤耦合器、第一光缆头、第一16芯光缆、第二光缆头、光纤EFPI传感组合探头、第三光缆头、第二16芯光缆、第四光缆头、多路光电探测器、第一同轴电缆、宽频带信号叠加放大装置、第二同轴电缆、高速数据采集装置。与现有技术相比，本实用新型专利技术具有以下优点：解决了现行谐振频率工作下的EFPI传感器仅能用于窄带测量超声波信号的问题，满足了局部放电超声波信号20kHz～500kHz的频带要求等。号20kHz～500kHz的频带要求等。号20kHz～500kHz的频带要求等。

【技术实现步骤摘要】
组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检测系统


[0001]本技术涉及宽频带PD超声波检测领域，尤其是涉及一种组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检测系统。

技术介绍

[0002]非本征型法珀干涉仪(Extrinsic Fabry
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Perot Interferometer,EFPI)光纤传感器是一套使用敏感膜片结构将超声波转换为机械振动，再利用法珀干涉技术将机械振动转化为光学参量变化，最终被光电探测器等相关仪器转化、采集、解调的高性能声超波检测系统，目前已被用来检测大型电力设备内部绝缘缺陷产生局部放电(Partial discharge,PD)的超声波信号。如图1所示，该传感器法珀腔探头一般由含光纤的芯体、圆形套筒和敏感膜片(超声波耦合振动元件)组成；主要工作参数有：振动膜片厚度为h、振动膜片有效直径2a、法珀腔腔长l以及法珀腔两个反射端面反射率R1和R2。依据弹性力学原理，四周完全约束圆形膜片的一阶固有频率f(谐振频率)以及在超声波信号产生的压强P之下膜片振动其中心产生的位移即灵敏度y(S)，如下所示：
[0003][0004][0005]式中：C为常数；a为敏感膜片有效长度(半径)；D为抗弯刚度；g为重力加速度；h为敏感膜片厚度；ρ为膜片材料密度；E为膜片材料弹性模量；μ为膜片材料泊松比。
[0006]根据式(1)～(2)，可以得出在材料选定，光纤EFPI传感器工作性能主要参数f和y(S)y(s)由敏感膜片厚度h和有效长度(半径)a决定。敏感膜片的固有频率f与其厚度h成正比，与膜片的有效长度(半径)a的二次方成反比；在保持膜片固有频率f不变时，振动膜片的厚度h越薄，膜片的灵敏度y(S)越大。因此，在保证光纤EFPI传感器具有一定灵敏度y(S)的前提下，研制的传感器频率响应曲线通常为如图2所示，即以谐振频率f为传感器工作的中心响应频率，用于超声波信号的窄带测量。
[0007]由于电力设备内部绝缘缺陷产生PD的超声波信号频率数十至数百kHz，为了避免设备振动等干扰以及兼顾不同缺陷产生PD超声波信号的频率特性，电力行业标准DL/T 1416
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2015超声波法局部放电测试仪通用技术条件推荐传感器工作频率测量范围应在20kHz～500kHz，这使得基于现有的单一光纤EFPI传感器的超声波检测方法和系统在实际应用上存在漏检问题，对某些绝缘缺陷产生的超声波信号不敏感，容易造成检测结果无法判别是否存在绝缘缺陷造成检修不及时引发的绝缘击穿恶性事故。

技术实现思路

[0008]本技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检测系统及方法。
[0009]本技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0010]一种组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检测系统，该系统包括光源、光纤1/2分光器、光纤、光纤耦合器、第一光缆头、第一16芯光缆、第二光缆头、光纤EFPI传感组合探头、第三光缆头、第二16芯光缆、第四光缆头、多路光电探测器、第一同轴电缆、宽频带信号叠加放大装置、第二同轴电缆、高速数据采集装置；
[0011]单个所述光源通过光纤连接光纤1/2分光器，经过4次光纤1/2分光器后，分成16路相同的光源信号送入16个光纤耦合器，16个光纤耦合器输出的16路光纤与第一16芯光缆通过第一光缆头实现16路独立光路对接，所述的光纤EFPI传感组合探头通过第二光缆头与第一16芯光缆实现16路独立光路对接，所述的16个光纤耦合器通过光纤将光纤EFPI传感组合探头反馈的16路光信号依次通过光纤、第三光缆头、第二16芯光缆、第四光缆头输入多路光电探测器，所述的多路光电探测器通过第一同轴电缆将16个对应的电压信号送入宽频带信号叠加放大模块，完成电压信号叠加后通过第二同轴电缆接入高速数据采集装置。
[0012]优选地，所述的光源为DFB激光器或ASE光源或发光二极管LED或超辐射发光二极管SLD。
[0013]优选地，所述的光纤1/2分光器为将光源入射光等分为2路的光纤器件。
[0014]优选地，所述的光纤为单模光纤。
[0015]优选地，所述的光纤耦合器为Y型结构的光纤耦合器。
[0016]优选地，所述的第一光缆头、第二光缆头第三光缆头和第四光缆头，为利用绝缘胶布将16个光纤按照4
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4对称排列固定形成具有适配器套管的光纤连接器。
[0017]优选地，所述的光纤EFPI传感组合探头，是采用16个对称结构分布的谐振频率为f1～f16的光纤EFPI探头粘结装配制作而成的探头；
[0018]所述的16个光纤EFPI探头中的敏感膜片处于同一平面。
[0019]优选地，所述的光纤EFPI探头包括密封式圆形套管式法珀腔探头和带通孔的3D打印绝缘件。
[0020]优选地，所述的多路光电探测器，为光子探测式多通道转换装置。
[0021]优选地，所述的第一同轴电缆和第二同轴电缆，为带屏蔽层的宽频同轴电缆。
[0022]与现有技术相比，本技术具有以下优点：
[0023]1、本技术利用不同谐振频率响应的EFPI探头进行组合，形成了宽频带检测装置，解决了现行谐振频率工作下的EFPI传感器仅能用于窄带测量超声波信号的问题，满足了局部放电超声波信号20kHz～500kHz的频带要求，杜绝了实际应用上存在的漏检问题。
[0024]2、本技术的高速数据采集装置16，14bit精度、2MS/s采样率、1MHz模拟带宽，满足20kHz～500kHz超声波信号的采样要求
[0025]3、本技术为达到20kHz～500kHz的宽频带响应，f1～f16按照等间隔谐振频率来选择敏感膜片的厚度和有效长度(半径)。
附图说明
[0026]图1为现有的光纤EFPI超声传感器的原理图；
[0027]图2为现有的光纤EFPI超声传感器的工作频率响应图；
[0028]图3为本技术的组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检测系统结构示意图；
[0029]图4为本技术的光纤EFPI传感组合探头结构示意图；
[0030]图5为图4的局部放大示意图；
[0031]图6为本技术的光纤EFPI传感组合探头敏感膜片厚度和有效长度(半径)选择曲线图；
[0032]图7为本技术的宽频带信号叠加放大模块的电气图；
[0033]图8为本技术的宽频带PD超声波检测工作频率响应示意图。
[0034]其中1为光源，2为光纤1/2分光器，3为光纤，4为光纤耦合器，5为第一光缆头，6为第一16芯光缆，7为第二光缆头，8为光纤EFPI传感组合探头，9为第三光缆头，10为第二16芯光缆，11为第四光缆头，12为多路光电探测器，13为第一同轴电缆，14为宽频带信号叠加放大装置，15为第二同轴电缆，16为高速数据采集装置，81为光纤EFPI探头，811为密封式圆形套管式法珀腔探头，812为带通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检测系统，其特征在于，该系统包括光源(1)、光纤1/2分光器(2)、光纤(3)、光纤耦合器(4)、第一光缆头(5)、第一16芯光缆(6)、第二光缆头(7)、光纤EFPI传感组合探头(8)、第三光缆头(9)、第二16芯光缆(10)、第四光缆头(11)、多路光电探测器(12)、第一同轴电缆(13)、宽频带信号叠加放大模块(14)、第二同轴电缆(15)、高速数据采集装置(16)；单个所述光源(1)通过光纤(3)连接光纤1/2分光器(2)，经过4次光纤1/2分光器(2)后，分成16路相同的光源信号送入16个光纤耦合器(4)，16个光纤耦合器(4)输出的16路光纤与第一16芯光缆(6)通过第一光缆头(5)实现16路独立光路对接，所述的光纤EFPI传感组合探头(8)通过第二光缆头(7)与第一16芯光缆(6)实现16路独立光路对接，所述的16个光纤耦合器(4)通过光纤(3)将光纤EFPI传感组合探头(8)反馈的16路光信号依次通过光纤(3)、第三光缆头(9)、第二16芯光缆(10)、第四光缆头(11)输入多路光电探测器(12)，所述的多路光电探测器(12)通过第一同轴电缆(13)将16个对应的电压信号送入宽频带信号叠加放大模块(14)，完成电压信号叠加后通过第二同轴电缆(15)接入高速数据采集装置(16)。2.根据权利要求1所述的一种组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检测系统，其特征在于，所述的光源(1)为DFB激光器或ASE光源或发光二极管LED或超辐射发光二极管SLD。3.根据权利要求1所述的一种组合式光纤EFPI宽频带PD超声波检...

【专利技术属性】
技术研发人员：司文荣，傅晨钊，吴旭涛，宋平，徐琴，陆启宇，张琪祁，魏本刚，苏磊，倪鹤立，周秀，李秀广，倪辉，何宁辉，药炜，梁基重，袁鹏，
申请(专利权)人：国网上海市电力公司，
类型：新型
国别省市：