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论文方法写作-分布式光纤超声传感器

2021-03-20 10:51


   电气绝缘在早期故障的表现形式是局部放电,因此如果能够尽早检测到局部放电那么可以保证电力设备乃至电网的安全。局部放电普遍存在于高压绝缘变压器中,并且由于局部放电,可以产生相应的超声波信号。传统的局部放电的检测方法是压电陶瓷传感器,但是这种传感器抗干扰能力差,稳定性不好。近年来,光纤超声传感器在局部放电中起到的作用越来越大。光纤超声传感器抗电磁干扰能力强,稳定性好,灵敏度高,复用性好。在局部放电检测中,可以不损害设备,间接检测。分布式光纤超声传感器将若干个光纤超声传感器,连点成线,更加方便的测量局部放电,并且在未来拥有更广阔的应用领域。本文首先阐述了分布式光纤超声传感器的测量原理,从光纤传感器、超声传感器一步步深入探讨分布式光纤超声传感器的测量原理,接着分析了分布式光纤超声传感器的影响因素,其中主要的影响因素由谐振、温度、振动,最后搭建实验平台,从谐振、温度和振动三个领域分别对分布式光纤超声传感器展开了实验研究。

 
  1.1.1局部放电概述
 
  在高压绝缘的设备中,将由于高压电厂作用而发生局部缺陷的现象,陈志文局部放电。局部放电对高压绝缘设备具有非常严重的破坏性。首先,是因为局部放电产生一个电磁脉冲,将原来处于平衡的状态打破,大量高能量的电子发生碰撞,飞速的四处猛撞高压绝缘设备,这些碰撞会使得原本耐高压的绝缘设备发生变化,绝缘性能下降,内部分子发生变异。然后,这样就会使得高压绝缘材料温度升高,局部的温度升高很容易导致绝缘材料氧化,对绝缘材料的伤害进一步加剧。所以,如果不能够及时检测出高压绝缘材料发生局部放电,将会使得进一步加速绝缘材料损坏的过程,进而使得局部放电现象更加严重,危险也会进一步的加剧。使得电网工作人员的安全存在潜在的危害。如果局部放电存在了较长的时间,那么很有可能产生爆炸,伤及到人身财产安全等更加恶劣的影响。局部放电是高压绝缘设备老化的主要原因。
 
  1.1.2局部放电的原因
 
  局部放电正常是在高压绝缘设备,电气强度较低的地方发生。因为,在绝缘电气设备中,每个地方的场强是不一样的。当设备某个局部的电压达到了某个局部的击穿电压的时候,设备就会放电,但是电压不能够全部击穿设备,这就是局部放电。因此,局部放电往往取决于绝缘中的电场分布和绝缘部分的特性。
 
  正常出现局部放电有这些原因:存在固定的缺陷、存在可以自由移动的金属微粒、存在接触不良的传导部分、在生产制造的过程中存在的空隙。当局部放电达到一定的阶段后,会导致电树枝的产生。如果产生了电树枝,那么高压绝缘设备很有可能被击穿。固定缺陷通常会使得高压绝缘设备出现尖而且凸起的毛刺,这些毛刺可能在工频下不容易被击穿,但是在快速电压、脉冲的情况下,非常容易聚集电荷,导致击穿。可以移动的自由金属颗粒拥有积累电荷的能力,这是一种非常普遍的微粒,在高压绝缘设备制造的各个过程中都会产生它的放电。自由金属微粒的发电是很随机的,存在不确定性。不过根据有关数据显示,当绝缘失效,金属自由接触到高压的时候,放电现象会比一般的显著。如果是接触不良,那么可以通过反复的检测修理。内部空隙会形成气泡,从而易导致局部放电。
 
  当变压器发生局部放电的时候,会产生超声波信号。因此,可以利用超声波检测局部放电,当有局部放电的时候,超声波传感器就会接收到信号。但是,在变压器中,超声波信号会比较小,因为经过了绝缘纸、油、铁芯等固体介质,超声波的信号能量衰减,因此检测变压器局部放电超声波信号的灵敏度要求很高。
 
  1.1.3局部放电的检测方法
 
  传统的局部放电检测设备时压电陶瓷传感器。但是压电陶瓷传感器抗电磁干扰能力弱、测量的灵敏度低而且稳定性不好,只适用于单点测量。所以,压电陶瓷传感器在实际使用过程中的对高压中温度、振动等参数不能做到准确地测量,而且由于抗电磁干扰能力弱,遇到快速脉冲电流的时候,不能够使用。
 
  光纤超声传感器相对而言抗干扰能力强,光纤超声传感器的稳定性也比较好、光纤超声传感器的灵敏度也优于压电陶瓷传感器,成为了检测变压器局部放电的有效手段。采用光学手段,不受电磁干扰的影响,而且使用方便,可以直接插入检测,灵敏度很高。
 
  分布式光纤超声传感器将数以万计的光纤超声传感器由点连成线,实现二维、三维分布的映射,实现了结构的应变分布,在高压绝缘变压器的局部放电检测中意义重大。
 
  1.2分布式光纤超声传感器的综述
 
  分布式光纤超声传感器一直都是国内国外的热门话题,在未来有广泛的应用。
 
  文献[1]中提出了由于传统的PZT检测高压绝缘的局部放电在现阶段以及无法满足需求,在GIS上开展干涉型光纤超声传感器的超声信号检测,进行了光纤超声传感器和压电陶瓷传感器的比较,发现在相同超声信号源的情况下,光纤超声传感器比压电陶瓷传感器测量更为准确,响应更加灵敏。文献[2]在GIS上构建了一个局部放电,并且利用超声波来检测故障,但是由于局部放电环境复杂,不能够完全真实的模拟现实的局部放电,模型还存在一定的缺陷,需要继续改进,不过在GIS上的局部放电检测已经大致可以实现。文献[3]简要介绍了光纤超声传感器,光纤超声传感器分为三类。这三类分别都是光纤光栅型超声波传感器、光纤干涉型超声波传感器以及光纤强制型光纤传感器,之后分别介绍了这三种传感器在国内外详细的研究进展,并且着重分析了地震成像光纤超声传感器,并对光纤超声传感器未来的发展进行了预测。文献[4]也是在高压局放领域进行的研究,首先分析了光线超声传感器的灵敏度影响因素,选取了特定的影响因素后,之后用电晕放电来模拟尖端放电,并且对比了PZT,发现了在幅频响应和相频响应之间的优越性。文献[5]研究了光栅和超声波之间的关系,并且发现了它们组成的系统的缺点,为日后的改进点名了方向。这篇文献首先介绍了光栅的特点,讲诉了光栅时如何传播的原理,并且指出光栅的测量效果与温度、应变和压力有关;之后介绍了超声波系统,讲明超声波的分类,以及超声波如何在局部放电中工作。最后两者组成的系统与超声波的波长和光纤光栅的栅长有关,两者之间的大小关系决定了光纤超声传感器系统能否成功。文献[6]研究干涉型萨格奈克光纤传感器,并且在LABVIVW平台上进行了实验。首先探测了光纤传感器的灵敏度与光纤探头的方向有关,之后分别与双回萨格奈克,环形萨格奈克以及直线型萨格奈特进行比较,并且发现直线型萨格奈特的灵敏度最好,最适合在局部放电中使用。文献[7]研究了材料中激光超声的检测效果,选取了两种不同的光纤光栅进行试验,利用脉冲激光在铝块上进行测试,并且最终得到结论,在材料表面世家激光超声,并利用光纤进行检测时可行的,这为光线超声传感器的广泛应用打下了基础。文献[8]研究了对于振动的处理。在航天卫星交流中,经常利用光信号进行传播信息,但是光信号很容易受到温度、振动、谐振的影响,而在高空中经常会发生振动从而干扰信号。在本文中提出了利用光耦合,在单点反馈中采用时间序列算法进行改进,从而可以尽可能的补偿振动的干扰。文献[9]对光纤超声传感器进行优化,从而提出了多点复用的方法,也就是分布式光纤超声传感器的工作机理。首先从光纤超声传感器的膜片和腔体的工作机理着手,讲诉了光纤超声传感器工作的方式,并且对光纤超声传感器的灵敏度进行探究,最后得出结论:光纤超声传感器在多点复用方面有良好的性能,为未来的分布式光线超声传感器打下了基础。文献[10]基于DTS,利用ANSYS WORK BRENCH软件,研究分布式光纤传感器在温度方面的性能。由于土壤水源等因素与温度有关,所以利用土壤水源的温度对光纤传感器的影响,从而指出光纤传感器对温度敏感,可以利用光纤传感器测量温度。文献[11]介绍了两个方面的光纤超声传感器,一是介绍耐高温光纤光栅传感器,二是介绍声发射光纤光栅传感器。首先是介绍光纤布喇格光栅超声传感器的研究情况,接着提出了一种新型的耐高温光纤光栅超声传感器可以克服光电路干扰的现象,然后提出声发射光纤光栅超声传感器在光调制方面的缺陷,详细的为声发射的幅值、波长与光栅进行对比,提出了新的解决方案。文献[12]利用光纤传感器易受到振动的影响,提出了一种光纤振动传感器,对光纤光栅的原理、光纤光栅的振动原理以及结合现有的光纤振动传感器的知识,提出了滑杆式光纤振动传感器,可以广泛适用于石油的开采中。文献[13]对OFTR技术进行了阐释,利用傅里叶变换和傅里叶反变换寻求混频偏振处理方法的最优解,对系统的关键器件进行了反复的测量和筛选,选取了最合适的OFTR技术的器件,对OFTR反峰值进行了优化,之后利用偏振集进行测验。文献[14]提出了光时域反射光纤光栅的解调技术,为日后的振动解调提出解决方法。实现了高速高空间的分辨解调。
 
  1.3本文的主要工作
 
  近年国内外分布式光纤超声传感器的在局放中的作用被越来越重视,国内外一直致力于研究分布式光纤超声传感器。因此针对分布式光纤超声传感器,本文做了如下的研究:
 
  首先研究分布式光纤超声传感器测量原理。在介绍分布式光纤传感器的基础上,详细阐述其的测量原理。
 
  然后研究分布式光纤超声传感器测量影响因素。从分布式光纤超声传感器中,选择对其影响最大的三个因素:偏振、温度、振动。除此之外,还介绍了一些其他的影响因素。
 
  最后建立试验平台,开展分布式光纤超声传感器性能标定。
 
  第二章分布式光纤超声传感器的测量原理
 
  2.1光纤传感器
 
  2.1.1光纤传感器概述
 
  光纤传感器发展迅速,在世界范围内得到了广泛的重视。近年来,在许多的领域内得到了显著长久的发展。光纤材料作为光学材料的一种,因此对光很敏感。表现为当外界有光源照射在光纤上时,光纤中的金属离子会产生变换,因此,光纤中金属材料的有效折射率就会与之前不同。类似于一个窄带的光强,这个可以认为是反射滤波器,这种会在光纤的内部使得金属离子变化,从而拥有了光栅相位。
 
  今年来光纤传感器越来越受到重视,光纤超声传感器具有抗电磁干扰的能力,光纤光栅传感器的灵敏度相对于其他的传感器的灵敏度比较大高,而且光纤作为一种新型的材料重量比较轻,所占用的空间也比较小,可以弯曲,光纤的测量对象比较广泛,因为光纤是利用光来测量,所以对被测介质的影响小。光纤超声传感器具有抗电磁干扰的能力很大程度上是因为光本身是一种看不见摸不着的绝缘材料,而且光纤是利用光进行传播的,与电磁、声波等都没有关系,所以具有抗电磁干扰的能力,非常有利于在高压绝缘设备中使用。在现阶段,可以利用光纤测量温度、压强、电流、电压等,而且光纤利用光的折射反射,对于被测物体的介质的影响基本可以忽略。而且光纤可以复用,更利于在各种领域应用。
 
  光纤传感器具有上诉这么多的优先,因此在各个领域广泛应用,但是除此之外,它还存在一些问题。首先,光纤传感器主要是通过外界因素例如温度、振动等使得反射波长光谱发生漂移,再根据物理量和光谱漂移的线性关系测得。因此如果想要提高测量范围,那么不许加宽光谱,也就是采用宽带电源,如果想要提高分辨率,那么就需要使用窄带光谱,但是相应的测量范围就会缩小。其次,通过光谱漂移来判断物理量的变化就需要采用对光谱漂移敏感的仪器,例如高性能的单色仪和光谱仪之类,但是这样传感器的价格就会增加。
 
  2.1.2光纤传感器的分类
 
  光纤传感器可以分为三类。这三类分别是光强度调制光纤传感器、干涉型光纤超声传感器和光纤光栅超声传感器。强度调制型光纤传感器利用光纤初始弯度和薄膜由声波的灵敏度和频率决定,但是易受光源波动的影响,稳定性就差。而且传感器会削弱光的强度,使得相对测量的SNR较小,并且在复用测量方面有难度。干涉型光纤超声传感器利用的是多束光线的光相位差易受光纤的影响。干涉型光纤超声传感器具有稳定性高的特点,而且干涉型光纤超声传感器具有结构紧凑的特点。作为光纤传感器最终的就是灵敏度,干涉型光线超声传感器的灵敏度也很高,因此除了被测光源之外,对外界的温度会有反应,对外界的偏振有反应、对外界的振动也会有反应,也就是说干涉型光纤超声传感器测量的时候很容易由于外界因素的影响而产生偏差。除此之外,在复用方面存在着光纤时延的问题。光纤光栅超声传感器利用反射谱波长偏移和形状不变的特性,灵敏性比较高,需要对光强度进行调制去噪、过滤等处理,由于反射波长带宽较窄,利于复用。
 
  表2-1光纤传感器的比较
 
  光纤超声传感器的类型超声传感器测试距离SNR
 
  强度调制型光纤超声传感器单一光纤型超声传感器
 
  熔锥型光纤超声传感器
 
  PMF超声传感器10
 
  10
 
  近场测量48
 
  44
 
  50
 
  干涉型光纤超声传感器光纤FPI型
 
  光纤MI干涉型
 
  光纤MZI干涉型
 
  光纤Sagnac干涉型20-40
 
  10
 
  10
 
  10 62.21
 
  42
 
  45
 
  45
 
  光纤光栅超声传感器FBG,PS-FBG
 
  DFB,DBR激光器10
 
  9 90
 
  105
 
  根据上述三种光纤传感器的特性分析,对于分布式光纤超声传感器最适用的是光纤光栅超声传感器。强度型光纤超声传感器没办法满足灵敏度的要求,干涉型光纤超声传感器在复用方面存在时延无法满足分布式的要求,因此分布式光纤超声传感器选择的是光纤光栅传感器。
 
  2.1.3光纤布喇格光栅
 
  下面介绍光纤布喇格光栅,在分布式光纤超声传感器中广为运用。它的工作原理是:当宽带光源进入后,如果是ƛB光将透射过去,如果不是,那么都会反射回去。具体的原理如下图所示。
 
  图2-1布喇格光栅的工作原理图
 
  结合光的耦合波动理论,可以知道当布喇格光栅很容易被外界的因素影响。所以,当布喇格光栅所处的环境的温度发生变化,那么布喇格光栅的有效折射率就会相应的随之发生变化,也就意味着不再是原来的ƛB了,反射波长发生了变化。除此之外,根据资料显示,外界环境的改变,可以概括为温度的改变或者应变的改变。但是,这两者的改变是相互不会影响彼此的,也就是说对光纤的影响相互独立。光纤布喇格光栅的测量,就是利用光栅的弹光效应。弹光效应的影响因素是光栅的周期以及光栅的有效折射率。当这两者中的任意一个发生变化的时候,都会使得光纤布喇格光栅的反射中心波长发生变化,也就是说,光纤布喇格光栅的光谱发生了改变。
 
  2.2超声波传感器
 
  超声波传感器在目前应用非常广泛。它的主要工作原理式将振动转换为电信号,可以同时测量物体的横向和纵向的机械振动,具体电信号表现为电压,可以认为式位移与相应函数的卷积。超声波传感器受到幅频响应,频率宽度,谐振,相位等印象,这对于灵敏度要求很高。目前还无法达到这种灵敏要求。在现阶段,超声传感器由压电元件组成,可用错钦酸铅、妮酸铿晶体分别作为声发射的压电材料和高温传感器的压电材料。随着光纤技术的发展,出现了光纤超声传感器。
 
  2.2.1超声波传感器的分类
 
  依据不同的要求和特性,超声波传感器有很多类型:高灵敏度谐振式传感器、宽频带传感器、切变波传感器、二分量传感器、三分量传感器、差动传感器、电容传感器、锥形传感器、低频拟制传感器、光学传感器、微型传感器、高温传感器、磁吸附传感器、前放内置式传感器、潜水传感器、可转动传感器等。
 
  高灵敏度谐振式传感器的灵敏度比一般的超声传感器的灵敏度要高很多,因此非常小的位移都可以被高灵敏谐振式传感器感知到,但是相应的频率响应的范围就非常窄,可以测得的频率就比一般得超声传感器小很多。宽频带传感器式利用的是当压电厚度越厚,传感器得幅频特性越好;压电厚度越薄,传感器的幅频特性越差。他的幅频响应曲线干扰小,十分适合做波形分析,但是相对而言灵敏度就比较低。切变波传感器是只能感知到纵波的传感器,它只对纵向方向的振动有感应,因此具有方向性。高温传感器适合在高温环境下运行,它的压电材料具有高温稳定性,但是由于处在高温环境并且要求高温稳定。高温传感器的的灵敏性不好。光学传感器是利用Michelson干涉的原理,用宽频带激光,利用材料的光弹特性,不直接接触来测量,但是会受到噪声和波长的影响,灵敏度不高。
 
  2.2.2超声波检测局部放电的原理
 
  在高压设备局部放电的过程中,会产生超声波信号,因此可以用超声波信号检测局部放电。假设在高压绝缘设备中存在着气泡,由于高压绝缘局部放电,就会导致有电荷产生,那么使得气泡带有了电荷。在正常情况下,气泡内部具有弹性,气泡保持平衡当产生局部放电的时候,会产生相应的电磁场,在电磁场中带有电荷气泡就会受到一个电磁力的作用。因为局部放电非常迅速,忽略气泡在受力的过程中的抖动,可以认为是一个脉冲电磁力。原先气泡的的弹力的平衡就没有了,气泡会在电磁力的作用下出现抖动。抖动的气泡,就会产生超声波。超声波信号的强弱程度与气泡受到的电磁力的强弱有关系,也就是说与电磁力的大小有关,也就意味着和局部放电的强弱有关。
 
  图2-2气泡受力分析
 
  2.2.3PZT和光纤超声传感器的比较
 
  在局部放电中,常见的压电谐振传感器是是采用PZT,如下图所示,左边为单端输出,右边是差动输出,差点输出可以抑制共模电噪声。压电元件可以将超声波信号转换为电信号,同时利用陶瓷保护电绝缘充当保护膜。金属外壳屏蔽电磁。PZT是通过振动将光信号转换为电信号,具体的幅频响应和相频响应取决于自身,宽带相对而言很窄。同时具有方向性,能够对纵波、横波进行探测。不过PZT只适合与单点测量对于复用测量很差,因此对于需要复用的系统需要多个PZT使得系统相对比较复杂。而且超声波信号在远距离传输中很容易受到电磁干扰,对于远距离传输信号的影响很大,受限于传输电缆的特性和材料。
 
  图2-3压电型谐振传感器
 
  光纤超声传感器与之相比具有响应频率宽。而且光纤材料的体积比较小,重量也很轻。在电磁干扰方面,较少受到电磁干扰,同时耐受高温,在光纤内传输稳定,传输距离也比较远,可以采用分布式实现复用,而且也具有方向性。因此,光纤超声波研究具有重大的研究意义和广阔的研究领域。
 
  表2-2 PZT和光纤超声传感器的比较
 
  PZT光纤超声传感器
 
  响应频率窄响应频率宽
 
  体积大(直径与长度毫米级别)体积小、重量轻、可绕曲
 
  易受电磁干扰不受电磁干扰
 
  不耐高温耐高温
 
  信号稳定性差信号稳定性好
 
  复用性差复用性好,可以多点测量
 
  无方向识别具有方向性
 
  2.3分布式光纤超声传感器
 
  光纤传感器的测量的原理主要是当温度或者应变或者一些其他的物理量发生改变时,光谱会发生漂移。通过对光进行解调分析,可以得到与物理量相关的变化关系,进而可以知道物理量是如何改变的。不过光纤传感器由于频率的关系不能够直接测量局部放电,因此结合超声波对局部放电进行处理,有了光纤超声传感器。这个传感器如下图所示,包括可调谐激光器,光耦合器、光电探测器还有滤波器,数字显示器。可调谐激光器的作用是发出窄带激光,窄带激光的波长可以认为是系统工作的波长,这个可以通过选择布喇格光纤光栅的光谱来进行设定。光电探测器的作用是将光信号转化为电信号。超声波可以使得反射光的中心波长发生偏移,在可以直接测量的范围,因此方便解调光信号,但是需要注意的是,为了系统的灵敏度,需要将系统的工作波长调整到光纤布喇格光栅反射光谱的线性斜率的最大处,这时的工作波长为系统最佳工作波长。具体的原因是因为光纤反射谱和可调谐激光光源发出的光的光谱都符合高斯分布,而且反射光谱近似于线性,激光由于是窄波可以看作一个单一波长的电源,因此只有当斜率最大的时候,可以最好保证系统的线性度,提高系统的灵敏度。激光光带由于是窄波具体实现了将波长的检测转换为光检测,同时利用波长、光强、电信号三者之间的线性关系,从而实现对局部放电的有效检测。
 
  图2-4光纤超声传感器
 
  光纤超声传感器系统的工作原理是:可调谐激光器发出特定的系统工作波长,讲过如上上图所示的过程转化为超声信号,超声信号经过光电探测器,将光信号转化为电信号,由于超声波振动,使得了光谱发生偏移,相对应的光强发生了变化。最后可以通过示波器的解调,解调出对应的超声信号。由系统的工作原理可以看出,系统超声波所检测的幅值的与超声振动引起的波长变化,光谱线性区的斜率还有光电探测器的光电转换率有关。当超声信号一定的时候,可以通过检测波长的幅值从而检测系统的灵敏度。当外界影响因素恒定的时候,整个系统的灵敏度主要由光纤光栅自身的因素来决定。可以考虑增大光的强度,提高光源的功率,虽然存在上限,但是在一定程度上可以提高整个系统的灵敏度。
 
  图2-5光线超声传感器系统工作原理
 
  总而言之,作为光纤传感器的一种,光线超声传感器,它的工作机理是通过检测光纤内光源的强度、波长、相位、偏正等因素,由此来获得超声波的幅频特性,距离位置之类的相关信息。光纤超声传感器不仅仅是继承了光纤传感器的特点,而且利用超声漂移光谱,在信号远距离输送等方面尤其突出。
 
  分布式光纤超声传感器是在光纤超声传感器的进一步的发展。自从分布式光纤超声传感器70年代末提出来以后,在各个领域有了广泛的发展。再之后,随着光时域反射技术的发展,分布式光纤超声传感器收到了越来越多的关注。分布式光纤超声传感器从原来的多个光线超声传感器测量沿光纤的变化,变味了利用一根光纤就可以实现测量沿光纤的变化,代替了多个光纤超声传感器,分布式光线超声传感器采用独特的分布式光纤探测技术,对于在光纤上瞬时变化的信息,由于时分复用可以同时获得。信息在光纤中传输,具有着沿着光纤方向的信息都可以被传感器感测到,并且接收到的特性。
 
  分布式光纤超声传感器的工作原理是:系统光源设为窄带激光源,在经过分光器后被分为多个相同波长的单一的光源,这些光源分别进入多个反射光谱一致的光纤布喇格光栅,因此可以方便多点测量,但是与此同时,光电探测器的个数也会随之增加。
 
  图2-6分布式光纤超声传感器
 
  第三章分布式光纤超声传感器的影响因素
 
  3.1偏振对分布式光纤超声传感器的影响
 
  通过改变光的偏振,可以改变光的强度。在光的强度发生改变后,可以通过对光的强度的调制,进一步的影响分布式光纤超声传感器。
 
  偏振对分布式光纤超声传感器的产生影响的机理是:在光的调制过程,不同的信号,将由调制器,进行叠加到一个光波上。调制器的具体作用可以使得叠加的相同的一个光波的参数,如光波的振幅、相角、频率、偏振等,随着信号的变化而变化。
 
  超声波是一种声波,与其他声波不同的是,超声波的频率远高于其他的声波。由于频率吧较高,所以人的耳朵没有办法听得清超声波。因为人耳能够听到声音的最高频率是20000赫兹,所以认为高于20000赫兹的都是超声波。其中,赫兹在物理中表示的是每分钟振动的次数。超声波具有方向性很好,穿透能力比较强的特点。具有机械效应,空化效应,热效应和化学效应。广泛运用于医学、工业控制等领域。
 
  科学研究表明,在振幅相同的条件下,物体振动的能量和物体振动的频率成正比关系。因为,由于超声波在介质传播中的振动频率高,也就是赫兹比较大,所以超声波的能量比较集中,比一般的声波能量更大。所以超声波作为一种能量较大的机械波,能够引起传输介质发生比较大的形变,从而方便在局部放电中的检测。
 
  根据上述偏振改变光的调制的机理,并结合超声波能量大,引起传输介质产生形变的特性,可以其加载到具有双折射特性的传光结构上面。这将会引起光折射发生改变。当光折射产生的偏振光出现,并且穿过相应的材料时,可以利用某些材料具有的弹光特性,从而能够有效的进行光强度的调制。其中,在探测单元中,最常用的时偏振态滤波器。利用偏振态滤波器可以将光的两种偏振态分离出来,从而能够分别探测这些光的强度。这些分离出来的光,方向不同,是两两正交的,它们的光强调制方向相反的,因此由于这些特性,可以将这两个光强进行叠加,进行光的调制,这样有利于提高分布式光线超声传感器探测的灵敏度,利用光的频率实现频率的声波探测。因此,在探测中,灵敏度和频率测量会更加依赖材料的弹光特性,可以通过选取性能好的材料,优化材料的选取,从而解决分布式光线超声传感器灵敏度低的问题。
 
  图3-1光纤偏振态损耗型超声传感结构
 
  3.2温度对分布式光纤超声传感器的影响
 
  3.2.1温度对光纤传感器的影响
 
  麦克斯韦经典方程是英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦在19世纪建立的一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程。
 
  光纤耦合波动理论是由Kogelnik提出的可以分析全息材料的相位和吸收调制(包括有吸收的光栅和混合型光栅)同时存在的情况。
 
  由上诉的两种理论可以知道,当满足相位匹配条件的时候,光纤超声传感器的波长为
 
  (3-1)
 
  在该公式中,为反射光谱的中心的波长;n为光纤传感器传播中的有效折射率,为光纤传感的周期。从上述的式子中可以看到,反射光谱的中心波长,与光纤传感的周期、光纤传感器传播中的有效折射率有关。
 
  当分布式光纤超声传感器的温度发生变化市,光纤传感周期和折射率也会发生变化,从而导致反射光谱中心的波长也随着发生了变化。光谱中心波长与温度的关系如下:
 
  (3-2)
 
  在该式子中,P为光纤材料的弹光系数,a为光纤的热膨胀系数。前面的这两个系数仅仅与光纤的材料有关。因此,由上述的式子可以看出,当温度发生了变化,分布式光纤超声传感器的反射光谱也会发生偏移,导致分布式光纤超声传感器的工作的波长偏移了反射光谱的规定区域,使得系统的线性程度和灵敏度下降。
 
  3.2.2温度对超声波的影响
 
  对于超声波传感器,它的测量精度与回波传输时间有关。而回波传输的时间与多个物理参数有关。这些物理参数通常与空气和空气内部的偏差值有关。
 
  温度的波动影响超声波传感器中声波传输的速度。因为超声波是利用超声波脉冲的回波的传播时间来进行测量计算的。具体地说,是利用声音在空气中的传播速度来准确计算目标距离超声波传感器的距离。根据有效数据,当空气温度发生改变的时候,声速每Kelvin也会随之发生改变。当温度升高的时候,超声波传感器的声波脉冲会速度进一步加快,虽然测量的物体没有发生距离的变化,但是测量的结果却显示,超声波传感器感觉与目标的距离接近了。因此,在高压局放中这些数据差会进一步放大,从而不利于准备测量估计局部放电的情况。
 
  3.3振动对分布式光纤超声传感器的影响
 
  分布式光纤超声传感器是利用超声波发对局部放电进行检测,这是一种非破坏性的检测方法,因为对电力设备的检测十分重要。这种方法实际上不能够直接测量电信号,而是对超声波的振动进行检测,因此具有不破坏性。由于是利用光的传播,所以还具有抗电磁干扰的能力。由于是感知声波信号,所以对于信噪比十分重要。光纤主要是通过感知应变测量的,振动会增大分布式光纤超声传感脉冲信号的相位噪声和抖动。
 
  均匀的光纤光栅传感器是在单模光纤中让纤芯折射率发生周期性变化形成的,具体如下图所示。在单模光纤的光芯中,光会在每个光栅面发生散射,满足布喇格条件后,反射回来的光会进行抵消,最终形成一个反射中心波长,波长具体由光栅的参数决定。根据动能定理和能量守恒定理,当外界温度、应变、压力发生改变的时候,光纤光栅的反射波长发生移动。
 
  图3-2光纤光栅结构图
 
  分布式光纤超声传感器是利用超声波在被测物体的表面产生机械振动,并且之后将机械振动转换成电信号。收到振动环境的影响,相位和光纤强度收到了影响,这些影响使得光纤的折射率发生了变化,由于材料的光弹效应,材料中的光相位发生了变化,因此导致了振动产生较大的光谱漂移,从而影响超声波感测SNR。
 
  振动增加了分布式光纤超声传感器的脉冲信号的振动,那么在超声波将机械信号转换为电信号的过程中,过多的振动使得电信号不够准确,对高压局放的测量也是不准确的。
 
  振动增加了脉冲信号的噪声,信号的干扰增多了,数据误码率就会增加,信号就会丢失,信号的准确度就会大幅下降。信噪比对于分布式光纤超声传感器是非常重要的,信号准确度下降,超声感测SNR就会非常不准确。
 
  3.4其他影响因素对分布式光纤超声传感器的影响
 
  除了上述的偏振、温度和振动之外,还有一些其他的因素会对分布式光纤超声传感器产生影响。
 
  除了之前提到的偏振,还可以通过光纤模式的耦合和干涉,这也是一种对光的强度进行调制的方法。当光通过多模光纤的时候,在光纤的内部会产生多种模式的激发,这些多模式会产生模态干涉,就是多种激发的模态之间相互的耦合和进行干涉,具体可以在输出端连接示波器,观测干涉产生的图像随着声波的变化而发生变化。光纤受到模态干涉的影响,会导致光相位和光纤强度发生扰动,最终对测量结果产生偏差。具体的,可以通过以下两种方法进行光调制。第一种是利用光的相位变化,利用干涉进行解调,从而感测波形的幅频变化。第二种是将光的强度分别滤出,不同模式的光强度不同,虽然光的总强度是一直保持不变的,选取某一个模式,那么其余光的强度就会产生变化,利用其余光强度的变化就可以了。但是利用这种方法进行调制,需要对光纤的灵敏度有要求,光纤的灵敏度需要很高,才可以对多模光纤光强度的变化做出准确的反应。
 
  光纤的使用长度、使用的芯径的大小也对分布式光纤超声传感器产生影响。光纤越短,那么光纤的能光性就相对而言比较强,它的检测距离就比较远;当光纤的使用长度比较长的时候,光纤的衰减系数就会增大,光纤的使用效果就会降低。光纤的使用的芯径的大小在一定程度上决定了光纤传感检测的精密程度。芯径越大,那么检测的范围越广,但是精密度要求就不够。所以对于高精密的厂家来说,光纤芯径越小,精度就越高,也就更要求不能受到相关杂质的干扰。
 
  第四章分布式光纤超声传感器的实验研究
 
  4.1谐振对分布式光纤超声传感器的实验研究
 
  实验图如下所示。其中,光谱仪的分辨率是0.1nm,可以通过光谱仪测得光线超声传感器的反射波长和反射中心波长漂移的距离;耦合器起着两个作用,一是将光源进行光耦合,之后送入光纤光栅;在另一方面,将光纤光栅反射的波长进行光耦合,送入光谱仪,来进行观察。A是振动膜片,可以通过振动膜片给系统提供一个周期性的振动的力,使得发生振动。
 
  图4-1谐振对分布式光纤超声传感器的实验研究
 
  将实验数据绘制图像,获得如下图所示的图像。
 
  图4-2谐振频率和反射中心波长扫描平均值的关系曲线
 
  在实验中发现,
 
  (1)反射中心波长扫描平均值对谐振十分敏感,当谐振频率增大,反射中心波长扫描平均值也会随着增大,当谐振减小,反射中心波长扫描平均值也会快速下降。
 
  (2)选择合适的材料可以缩小谐振频率的感知范围,选择不合适的材料可能扩大谐振的感知范围,从而使得分布式光纤超声传感器在测量中更容易受到谐振的干扰
 
  (3)反射中心波长平均扫描范围对待高频和单频的响应,会比对待低频、混频的响应更加敏感。
 
  4.2温度对分布式光纤超声传感器的实验研究
 
  4.2.1实验
 
  实验的装置如图所示,加热器中放入光线超声传感器,加热器的温度是由电子加热炉来决定,可以通过在表面的数字表读出温度的值。从宽度光源发出波长,首先通过光耦合器进入单模光纤,然后就射入光纤超声传感器。其中,光谱仪的分辨率式0.05nm。当温度升高的时候,光纤超声传感器的反射中心的波长开始偏移,光谱移动。实验的记录方式是:当温度上升10摄氏度时,记录一次反射中心的波长。
 
  图4-3温度对分布式光纤超声传感器影响的实验装置
 
  表4-1温度对分布式光纤超声传感器的影响的实验数据
 
  温度/摄氏度波长/nm 10db/nm相邻两个温度波长的算数平均值/nm光纤光栅灵敏度系数
 
  20 1552.130 0.125 1552.128 8.0
 
  30 1552.255 0.085 1552.298 5.4
 
  40 1552.340 0.110 1552.395 7.0
 
  50 1552.450 0.100 1552.500 6.4
 
  60 1552.550 0.145 1552.623 9.3
 
  70 1552.695 0.095 1552.743 6.1
 
  80 1552.790 0.100 1552.840 6.4
 
  90 1552.890 0.115 1552.948 7.4
 
  100 1553.005 0.100 1553.110 6.4
 
  110 1553.105 0.135 1553.173 8.6
 
  120 1553.240 0.140 1553.310 9.0
 
  130 1553.380 0.145 1553.453 9.3
 
  140 1553.525 0.090 1553.570 5.7
 
  150 1553.615 0.095 1553.663 6.1
 
  160 1553.710 0.145 1553.783 9.3
 
  170 1553.855 0.135 1553.923 8.6
 
  180 1553.990 0.105 1554.043 6.7
 
  190 1554.095 0.170 1554.180 10.9
 
  200 1554.265 0.150 1554.340 9.6
 
  210 1554.415 0.255 1554.543 16.4
 
  220 1554.670 0.135 1554.738 8.6
 
  230 1554.805 0.200 1554.905 12.8
 
  240 1555.005 0.150 1555.080 9.6
 
  250 1555.155 0.165 1555.238 10.6
 
  260 1555.320
 
  平均1553.570 0.133 8.508
 
  4.2.2数据分析
 
  光栅反射中心的波长与有效折射率和光栅周期有关。当温度升高的时候,可以观察到光纤光栅反射波长的中心光谱发生了漂移。这是因为产生了温变效应。除此之外,当温度升高,会导致光纤材料出现弹光效应。由于热膨胀,光纤材料的芯径会发生改变,这就产生了波导效应。
 
  根据上述的表格,可以观测出,材料的弹光效应和波导效应对于反射中心波长的改变较小,所以可以将它们忽略,考虑主要的因素。对光纤反射中心的波长造成影响的主要是热光系数和热膨胀系数。考虑上述这两个因素对温度的影响,可以绘制出如下的图像。根据理论判断,应该呈现出线性的关系。图像与理论相符合。
 
  图4-4反射中心的波长与温度的曲线
 
  由上图,进一步考虑温度灵敏度和温度的关系。可以观测到,在温度从20摄氏度变化到260摄氏度的范围内,温度灵敏度系数并不是常数。排除点一些偏差比较大的点(可能时由于读数错误),可以看到,在高温段的灵敏度系数较大,在低温段的温度灵敏度系数较小。而且这些变化并不是线性的,曲线的随着温度逐渐增高,越来越大。发生这一现象的原因是热光系数和热膨胀系数还有光纤的有效折射率实际上都和温度有关,这些都将对温度灵敏度系数造成微小的影响。当温度升高到一定程度的时候,这些影响也就不能被忽视了。
 
  4.3振动对分布式光纤超声传感器的研究
 
  只依靠马赫-泽德干涉仪是没有办法进行检测振动信号。因此,需要以马赫-泽德干涉仪为核心设计完整的光线传感器干涉系统。如下图所示。利用耦合器和光纤传感构成马赫-泽德干涉仪,同时增加光纤,连接各个不同的器件,形成一个环路,拥有正时针和逆时针两个方向,从而满足对振动信号的检测。
 
  图4-5振动对分布式光纤超声传感器的实验研究
 
  实验分别在无干扰源、风吹和晃动光纤的条件下进行实验,得到了以下的数据。
 
  表4-2不同振动下特征值的变化
 
  特征量、信号无干扰风吹光纤晃动光纤
 
  信号均方根/V2 0-0.1 0.1-2.0 0.2-0.25
 
  波动系数/N 0 0-50 50-250
 
  信号的功率/V2 0 0-0.005 0.005-0.035
 
  趋于稳定值的截止频率/Hz 0-100 100-300 300-1600
 
  信号持续时间/ms->100>30
 
  从上表可以看出,不同的干扰情况对信号均方根、波动系数、信号的功率、截止频率、信号的持续时间上存在很大的差异。
 
  晃动光纤具有人为痕迹,可以认为是脉冲式干扰,相对而言能量比无干扰和风吹光纤的能量大,幅值的波动幅度也大。
 
  风吹光纤的时候也会有振幅和能量上的变化,但是比晃动光纤的幅值波动小。风吹类似于不间断的持续振动。
 
  无干扰时均方根和截止频率都很小
 
  因此,可以根据振动的时候的不同特征量的变化来区分不同的振动干扰行为,从而避免光纤受到人为的破坏。


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