CN105044568A - 自适应型变压器局部放电的光纤超声检测***及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了自适应型变压器局部放电的光纤超声检测***及检测方法，***包括：C波段可调激光光源发出的光进入光纤声发射传感器，光一分为二，分别进入第一、第二光电转换电路，处理后得到各自对应的模拟电压信号，模数转换电路对模拟电压信号分别进行处理后得到数字电压信号，单片机对数字电压信作差，将差值与设定电压范围进行比较，保证数字电压信的差值在设定电压范围内；将处理后的信号传输给差分放大电路，差分放大电路处理后将信号送给有源滤波电路输出。根据不同的传感器不同的分光比和不同的光路损耗，自动调整激光光源的中心波长，使整个测量***具有最佳的响应和动态范围，且解调电路保持一致放大倍数和，利于后续的标定和量化工作。

Description

自适应型变压器局部放电的光纤超声检测***及检测方法

技术领域

本发明涉及一种光纤在线声发射(20kHz-200kHz)检测***，尤其涉及一种自适应型变压器局部放电的光纤超声检测***及检测方法。

背景技术

在电力变压器的使用寿命的后期，通过对其绝缘状态等实现无损在线检测及故障早期预警具有重要意义。变压器局部放电是状态检测的重要手段，变压器局部放电超声信号频谱较宽,且能量大都集中在20kHz～250kHz频段。传统的压电陶瓷类超声传感器，测量效果受电磁干扰比较严重，且由于需要前置放大器，安装和测量不便，在强电场环境下实现长期在线测量有较大困难。相比而言基于光纤的超声检测技术的更有优势。

已报道的基于光纤熔融拉锥技术的声发射传感器具有成本低，结构简单，不受温度漂移影响的特点。但此种传感器的耦合周期很长，导致传感器的静态分光比很容易偏离预设值，即停机时分光比并不是50:50，且不同的传感器之间分光比相差较大，不同的传感器之间附加损耗也不一致，加之在实际应用时不同测量通道间的光路损耗无法做到一致，这样就造成传感器在实际工作时两臂的光功率相差较大，这样每次更换传感器就要重新调整静态工作点，严重影响***的适应性、灵敏度和动态范围。

已报道的采用数字电位器的方式可以实现自动增益调整，但是由于实际应用时两个通道的放大倍数不一致，导致整个测量***无法标定。

已公开的专利CN201310386525.9”一种基于单模光纤耦合器的声发射传感***”，采用ASE宽带光源的方式可以实现光纤超声测量，但由于此类光源光谱范围较宽(40nm)，测量结果是传感器在整个光谱范围内平均的结果，相比窄带光源来讲灵敏度势必会减小，且无法量化其在某一特定波长处的灵敏度，这样就给***的测量、标定和不同传感器之间性能的比较带来较大困难。

如果根据传感器的传输特性选择特定波长的窄带光源也可以达到理想的测量效果，且可以标定和对比，但是由于传感器之间传输特性不一致，因此一旦更换传感器就需要更换光源，这一点也不可取。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种自适应型变压器局部放电的光纤超声检测***及检测方法，它提供了一种采用窄带光源并可以实现波长扫描并锁定的光纤声发射在线检测方案。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

自适应型变压器局部放电的光纤超声检测***，包括：

C波段可调激光光源，所述C波段可调激光光源发出的光进入光纤声发射传感器，光纤声发射传感器将光一分为二，分别进入第一光电转换电路和第二光电转换电路，

所述第一光电转换电路和第二光电转换电路对光进行光电转换处理后得到各自对应的模拟电压信号，模拟电压信号通过模数转换电路转换为数字电压信号V1和V2，数字电压信号V1和V2送入单片机，单片机对数字电压信号V1和V2作差，将差值与设定电压范围进行比较：

如果超出设定电压范围，则单片机通过串口向C波段可调激光光源发出命令，C波段可调激光光源根据命令调整发射光的中心波长，重新发射光信号，重复上述步骤后，单片机通过模数转换电路再次对光电转换后的电压进行采样并比较，一直循环下去，直到数字电压信号V1和V2的差值在设定电压范围内；

如果差值在设定电压范围内，则第一光电转换电路和第二光电转换电路对光进行光电转换处理后，都将处理后的信号传输给差分放大电路，差分放大电路处理后将信号送给有源滤波电路，最后有源滤波电路将信号输出。

所述C波段可调激光光源、光纤声发射传感器、第一光电转换电路/第二光电转换电路、模数转换电路和单片机构成了闭环控制，能根据不同的光纤声发射传感器的不同的分光比自动调整C波段可调激光光源的中心波长，使得不同的光纤声发射传感器接入之后能保持一致的静态工作点，使得不同的光纤声发射传感器接入之后能保持最佳的响应和动态范围。

所述C波段可调激光光源(tunalbelaser，美国UC公司)，型号GM81022C，波长调节范围1525-1565nm。

所述光纤声发射传感器是采用光纤熔融拉锥耦合技术制作的光纤声发射传感器。

所述光纤声发射传感器用光纤拉锥机制作，制作完成后先用石英V形槽初次固定，然后再封入铝质外壳中。

所述光纤声发射传感器耦合周期为90，静态分光比为30:70，附加损耗0.5dB。

所述自适应型变压器局部放电的光纤超声检测***适用于电力变压器局部放电引起的20-200khz的超声在线检测。

一种自适应型变压器局部放电的光纤超声检测方法，包括如下步骤：

步骤(1)：C波段可调激光光源发出的最长波长处的光进入光纤声发射传感器，光纤声发射传感器将光一分为二，分别进入第一光电转换电路和第二光电转换电路；

步骤(2)：第一光电转换电路和第二光电转换电路对光进行光电转换处理后得到各自对应的模拟电压信号，模拟电压信号通过模数转换电路转换为数字电压信号V1和V2，数字电压信号V1和V2送入单片机，单片机对数字电压信号V1和V2作差，将差值与设定电压范围进行比较；

步骤(3)：根据步骤(2)的比较结果，如果数字电压信号V1和V2的差值在设定电压范围内；第一光电转换电路和第二光电转换电路对光进行光电转换处理后，都将处理后的信号传输给差分放大电路，差分放大电路处理后将信号送给有源滤波电路，最后有源滤波电路将信号输出。

所述步骤(2)中，将差值与设定电压范围进行比较，如果超出设定电压范围，则单片机通过串口向C波段可调激光光源发出命令，C波段可调激光光源根据命令调整发射光的中心波长；一直循环下去，直到数字电压信号V1和V2的差值在设定电压范围内。

本发明的有益效果：

1由于所述解调方法具有自动波长扫描和锁定功能，使得可调光源对于每一只传感器均可以通过波长扫描的方法锁定在传感器在C波段上最灵敏的波长处，从而保证测量***具有最佳的灵敏度。且后级解调电路增益一致，因此可以准确得到传感器在此波长处的灵敏度，且能保持最大的动态范围，消除了传感器本身特性不一致和不同光路损耗对测量***的影响。

2此解调方法可以通过波长扫描的方法得到每一只传感器在可调谐光源扫描光谱范围上的响应，即可以通过电子测量的方法得到光纤声发射传感器的光学响应特性，此响应与通过宽带光源测量光纤声发射传感器的响应一致。这样就可以得到每只传感器在c波段的响应曲线，为选择传感器提供了依据。

3此检测***实现了光纤超声传感，更换不同静态分光比的传感器之后***也保持最佳的灵敏度和动态范围，此种光纤超声传感***不带电，本质安全，不受电磁干扰，无需前置放大器，易于扩展，适用于电力变压器的局部放电超声长期在线检测。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是光纤声发射传感器的输出光谱曲线；其中，横轴代表波长，单位nm，纵轴代表光强，单位dbm；

图3是光纤声发射传感器加不同应变时的反射谱；其中，横轴代表波长，单位nm，纵轴代表反射率，单位dB；

图4是光纤声发射传感***对100kHz的响应；其中，横轴代表时间，单位S，纵轴代表检测***输出，单位v。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

根据可调谐激光光源的特点，波长调整时总是从大往小调整，先控制可调激光光源发出的光为最长波长处，光进入光纤声发射传感器，经过声波调制后的光一分为二，分别进入二路光电转换电路处理。单片机对两路光信号转换而来的电信号分别采集并根据预设的判断条件进行判断，如果合适则不再调整，如果不合适通过串口命令调整可调激光器的波长减小一个步长，再进行采集并判断，这样扫描下去，直到找到合适的中心波长为止。由图2可见，在1525-1565nm范围内，此类传感器至少存在3个幅度一致的波长交点，即这3个波长确定其中一个即可。信号处理电路对两路光强进行差分放大，然后经有源滤波电路输出最终的信号。

如图1所示，它发出的光进入光纤声发射传感器后光一分为二，经过声波调制后的的光信号进入第一光电转换电路和第二光电转换电路，光电转换电路将接收到的光转换为电压V1和V2，V1和V2分别通过模数转换器转换为数字信号，然后送单片机，单片机对此直流电压与预设的电压范围进行比较，如果此值偏小且两路值相差较大，则认为此波长不合适，然后单片机通过串口向可调激光光源发出命令，增加一个步长后再次采样并比较，并一直循环下去直到V1和V2进入预设的范围，且两路差值也在预设的范围。这样可保证解调电路有良好的响应，光电转换之后信号送入差分放大电路进行运算，然后经有源滤波电路得到最终的信号。

当光纤声发射传感器受到外界声波作用时，耦合区将会产生应变，光纤声发射传感器两臂的透射光谱也发生变化，根据相关理论可知光功率的变化包含了声波信号的幅度和频率的信息。

如图3所示，三条曲线分别代表光纤超声传感器的两臂在没有外界应变，110微应变、220微应变时的光强变化，可以看出在1540nm处，110和220微应变分别带来了约0.8dB和1.3dB的变化，利用这个变化即可将声波信号检测出来，解调电路将此透射光谱的变化转变为电信号输出。如图4所示，光纤声发射传感***对100kHz正弦波激励的响应。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.自适应型变压器局部放电的光纤超声检测***，其特征是，包括：

C波段可调激光光源，所述C波段可调激光光源发出的光进入光纤声发射传感器，光纤声发射传感器将光一分为二，分别进入第一光电转换电路和第二光电转换电路，

所述第一光电转换电路和第二光电转换电路对光进行光电转换处理后得到各自对应的模拟电压信号，模拟电压信号通过模数转换电路转换为数字电压信号V1和V2，数字电压信号V1和V2送入单片机，单片机对数字电压信号V1和V2作差，将差值与设定电压范围进行比较：

如果超出设定电压范围，则单片机通过串口向C波段可调激光光源发出命令，C波段可调激光光源根据命令调整发射光的中心波长，重新发射光信号，重复上述步骤后，然后单片机通过模数转换电路再次对光电转换后的电压进行采样并比较，一直循环下去，直到数字电压信号V1和V2的差值在设定电压范围内；

如果差值在设定电压范围内，则第一光电转换电路和第二光电转换电路对光进行光电转换处理后，都将处理后的信号传输给差分放大电路，差分放大电路处理后将信号送给有源滤波电路，最后有源滤波电路将信号输出。

2.如权利要求1所述的自适应型变压器局部放电的光纤超声检测***，其特征是，所述C波段可调激光光源、光纤声发射传感器、第一光电转换电路/第二光电转换电路、模数转换电路和单片机构成了闭环控制，能根据不同的光纤声发射传感器的不同的分光比自动调整C波段可调激光光源的中心波长，使得不同的光纤声发射传感器接入之后能保持最佳的响应和动态范围。

3.如权利要求1所述的自适应型变压器局部放电的光纤超声检测***，其特征是，所述C波段可调激光光源，是GM81022C光源，波长调节范围1525-1565nm。

4.如权利要求1所述的自适应型变压器局部放电的光纤超声检测***，其特征是，所述光纤声发射传感器是采用光纤熔融拉锥耦合技术制作的光纤声发射传感器。

5.如权利要求1所述的自适应型变压器局部放电的光纤超声检测***，其特征是，所述光纤声发射传感器用光纤拉锥机制作，制作完成后先用石英V形槽初次固定，然后再封入铝质外壳中。

6.如权利要求1所述的自适应型变压器局部放电的光纤超声检测***，其特征是，所述光纤声发射传感器耦合周期为90，静态分光比为30:70，附加损耗0.5dB。

7.如权利要求1所述的自适应型变压器局部放电的光纤超声检测***，其特征是，所述电力变压器局部放电的超声检测***适用于电力变压器局部放电引起的20-200khz的超声在线检测。

8.自适应型变压器局部放电的光纤超声检测方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤(1)：C波段可调激光光源发出的最长波长处的光进入光纤声发射传感器，光纤声发射传感器将光一分为二，分别进入第一光电转换电路和第二光电转换电路；

步骤(2)：第一光电转换电路和第二光电转换电路对光进行光电转换处理后得到各自对应的模拟电压信号，模拟电压信号通过模数转换电路转换为数字电压信号V1和V2，数字电压信号V1和V2送入单片机，单片机对数字电压信号V1和V2作差，将差值与设定电压范围进行比较；

步骤(3)：根据步骤(2)的比较结果，如果数字电压信号V1和V2的差值在设定电压范围内；第一光电转换电路和第二光电转换电路对光进行光电转换处理后，都将处理后的信号传输给差分放大电路，差分放大电路处理后将信号送给有源滤波电路，最后有源滤波电路将信号输出。

9.如权利要求8所述的方法，其特征是，所述步骤(2)中，将差值与设定电压范围进行比较，如果超出设定电压范围，则单片机通过串口向C波段可调激光光源发出命令，C波段可调激光光源根据命令调整发射光的中心波长；一直循环下去，直到数字电压信号V1和V2的差值在设定电压范围内。