CN109100670A - 一种光纤局部放电超声传感***的灵敏度校验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力检测技术领域，更具体地，涉及一种光纤局部放电超声传感***的灵敏度校验方法，填补了光纤测量法的校验过程的空缺。将待定校验的光纤超声传感器TUT和两个压电型声发射传感器RT‑0和RT‑1组成三对传感器校验组合，利用逆压电效应向RT‑0或RT‑1的信号端注入具有不同主频的Tone Burst电压信号，在压电陶瓷晶面上激励起声发射振动信号，此振动发声源经过一种PMMA有机玻璃介质块传播形成超声波段的弹性波。通过光纤干涉仪传感***测量到的电压信号还需要经过相位载波解调技术还原成光纤中的传输光波受外界声波扰动形成的相位变化。最后，待定检验的光纤超声传感器的灵敏度响应特性可以通过三组校验试验所得的电学量测量电压计算得出。
Description
技术领域
本发明涉及电力检测技术领域，更具体地，涉及一种光纤局部放电超声传 感***的灵敏度校验方法。
背景技术
电力***的安全稳定性主要取决于其中所用到的各种高压电气设备的运行 状况。局部放电是被广泛认知为导致高压设备绝缘介质长期劣化，甚至发生击 穿事故、火灾或设备永久损坏的主要原因。长期以来，局部放电测量在高压电 气设备预防性试验中是不可或缺的。
目前现场带电情况下对电缆进行局部放电检测常见方法有电气量测量法、 超声波法和光纤测量方法。其中电气测量法极易受到电缆现场的各种干扰噪声 的影响，测量结果可靠性较低；超声波法由于声信号沿电缆传播时衰减较快， 对长电缆的检测效果不佳；而光纤测量法结合了声测法和光测法，对电磁干扰 的屏蔽效果更好，检测灵敏度较高。光纤传感超声测量技术被视为是长距离电 缆状态检测方法中最具有应用前景的新技术和新方法，但存在的问题是，不同 于电测法规定了关于局部放电信号的放电量校正过程，光纤测量法没有校验过 程，使得测试结果无法校准。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种光纤局部放电 超声传感***的灵敏度校验方法，对光纤测量法进行完善，使其测量结果有一 个标准的校验方法。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
一种光纤局部放电超声传感***的灵敏度校验方法，包括如下步骤：
S01：由信号发生器生成Tone Burst激励电压信号；
S02：设置三组校验试验：试验装置包括发射及接收装置和声传输介质块， 发射及接收装置包括第一声发射传感器RT-0、第二声发射传感器RT-1及待校 验的光纤传感器TUT，将上述试验装置设置三组试验如下：
试验1：选用RT-0作为发射装置，选用RT-1作为接收装置，所述Tone Burst 激励电压信号输入发射装置产生声振动信号，通过声传输介质块进行传输，再 由接收装置进行接收；
试验2：选用RT-0作为发射装置，选用TUT作为接收装置，所述Tone Burst 激励电压信号输入发射装置产生声振动信号，通过声传输介质块进行传输，再 由接收装置进行接收；
试验3：选用RT-1作为发射装置，选用TUT作为接收装置，所述Tone Burst 激励电压信号输入发射装置产生声振动信号，通过声传输介质块进行传输，再 由接收装置进行接收；
S03：分别计算步骤S02中试验2和试验3中TUT输出的差分电压信号的 相位变化量；
S04：分别计算步骤S02中RT-1作为发射装置和接收装置时的传输阻抗；
S05：计算光纤传感器TUT的灵敏度响应数值；
S06：扫描所述Tone Burst激励电压信号的主频，得到光纤传感器TUT的 灵敏度频率响应特性曲线。
进一步地，步骤S02的每个试验中，均进行两次光电信号传输，一为将发 射装置及接收装置放在声传输介质块的同侧进行超声波信号传输；二为分别将 发射装置及接收装置分别放在声传输介质块的两侧进行超声波信号传输。
优选地，第一声发射传感器RT-0为D9241A声发射传感器，第二声发射传 感器RT-1为R3α声发射传感器。
进一步地，步骤S03中相位变化量通过光纤干涉仪结构进行检测。
更进一步地，步骤S05中的光纤传感器TUT的灵敏度响应数值通过信号传 递函数计算得出。
优选地，步骤S06中的扫描频率为10kHz～100kHz。
进一步地，在试验1中，发射装置连接有任意波信号发生器，接收装置依 次连接有前置放大器及四通道数据采集***，发射装置和接收装置均与声传输 介质块直接接触。
进一步地，在试验2和试验3中，发射装置连接有任意波信号发生器，接 收装置依次连接有延迟传输光纤、光纤耦合器、宽带激光源，光纤耦合器还连 接有光电探测器，光电探测器连接四通道数据采集***。
优选地，声传输介质块为PMMA有机玻璃介质块。
本发明针对光纤局部放电超声传感***，提出了采用互易原理操作的灵敏 度频率响应特性校验测试方法，将待定校验的光纤超声传感器TUT和两个压电 型声发射传感器RT-0和RT-1组成三对传感器校验组合，利用逆压电效应向RT-0 或RT-1的信号端注入具有不同主频的Tone Burst电压信号，在压电陶瓷晶面上 激励起声发射振动信号，此振动发声源经过一种PMMA有机玻璃介质块传播形 成超声波段的弹性波。通过将接收传感器和发射传感器放置在传输介质块的同 侧可测定声表面波传输，而放置在介质块对侧可测定声纵波传输。光纤超声传 感器不具备可逆操作性，所以只将TUT作为接收传感器用。通过光纤干涉仪传 感***测量到的电压信号还需要经过相位载波解调技术还原成光纤中的传输光波受外界声波扰动形成的相位变化。最后，待定检验的光纤超声传感器的灵敏 度响应特性可以通过三组校验试验所得的电学量测量电压计算得出。
与现有技术相比，有益效果是：提供了一种针对光纤测量法的灵敏度校验 方法，填补了光纤测量法的校验过程的空缺；灵敏度校验只需测定压电传感器 和光纤传感器的输出电压信号，激励信号已做归一化处理，并不涉及声学参量 的测定，这将简化光纤超声传感器灵敏度校验测试***的复杂度，并将提高校 验实验的可重复性。
附图说明
图1是试验1的试验过程示意图一。
图2是试验1的试验过程示意图二。
图3是试验2和3的试验过程示意图一。
图4是试验2和3的试验过程示意图二。
图5是Tone Burst电压信号的时域波形和频谱分析图。
图6是表面波在传输试块中的传播路径示意图。
图7是纵波在传输试块中的传播路径示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明，附图仅用于示例性说明，不能理 解为对本专利的限制。
如图1、2所示，一种光纤局部放电超声传感***的灵敏度校验方法，包括 如下步骤：
S01：由信号发生器生成Tone Burst激励电压信号；
声波在有限尺度介质中传播会在边界上产生反射，使用连续正弦波电压信 号激励引起的入射声波和其反射声波在传播过程中相互叠加，叠加并不改变声 波频率，但会改变声信号的幅值和相位信息。使用时域加窗的正弦波激励电压 信号(Tone Burst)替代连续正弦波信号，可以使得直接入射波在时域波形中 能和其后续反射波区分开来，防止接收传感器检测到的电压波形受到反射波重 复叠加带来的测量错误。
Tone Burst电压信号的时域波形和频谱分析如图5所示。Tone Burst是由 时间连续的正弦波信号通过时域加窗生成具有有限时间长度的波形，其信号包 络线是脉冲方波时间窗，具有一定的时间长度τ，信号内部是正弦波载波信号 f0。在频域方面，Tone Burst的信号特征是中心频率为f0的具有一定频带宽度 的窄带信号，其带宽和时间窗的时长τ成反比关系。
S02：设置三组校验试验：试验装置包括发射及接收装置和PMMA有机玻 璃介质块，发射及接收装置包括第一声发射传感器RT-0、第二声发射传感器 RT-1及待校验的光纤传感器TUT，将上述试验装置设置三组试验如下：
试验1：选用RT-0作为发射装置，选用RT-1作为接收装置，所述Tone Burst 激励电压信号输入发射装置产生声振动信号，通过声传输介质块进行传输，再 由接收装置进行接收；
试验2：选用RT-0作为发射装置，选用TUT作为接收装置，所述Tone Burst 激励电压信号输入发射装置产生声振动信号，通过声传输介质块进行传输，再 由接收装置进行接收；
试验3：选用RT-1作为发射装置，选用TUT作为接收装置，所述Tone Burst 激励电压信号输入发射装置产生声振动信号，通过传输介质块进行传输，再由 接收装置进行接收；
进一步地，如图1和2所示，在试验1中，发射装置2连接有任意波信号 发生器1，接收装置4依次连接有前置放大器5及四通道数据采集***6，发 射装置2和接收装置4均与PMMA有机玻璃介质块3直接接触。任意波信号发 生器1生成主频率为f0的Tone Burst电压信号Ir(f)，注入到发射装置2的信 号输出端口，利用压电晶体的逆压电效应，在RT-0的压电陶瓷晶面上会激励起 垂直于晶面振动的声发射振动模式。此发射声源会在传输介质PMMA试块3中 形成声表面波和声纵波两种声传播模式，通过将接收装置4分别放置在PMMA有机玻璃介质块3的同侧(用于接收声表面波)和对侧(用于接收声纵波)，接 收装置4接收信号经过前置放大器5进行模拟信号的放大，放大增益为Gr。最 后使用四通道数据采集***6的通道A和通道B分别测量Tone Burst触发信号 Ir(f)和RT-1接收到的并经过放大增益Gr后的电压波形Er(f)。
如图3和4所示，在试验2和试验3中，发射装置2连接有任意波信号发 生器1，接收装置10依次连接有延迟传输光纤9、3×3光纤耦合器8、宽带激 光源7，3×3光纤耦合器8还连接有光电探测器11，光电探测器11连接四通 道数据采集***6。
更进一步地，如图3和图4所示，每个试验中，均进行两次声信号传输， 一为将发射装置及接收装置放在声传输介质块的同侧进行声信号传输；二为分 别将发射装置及接收装置分别放在声传输介质块的两侧进行声信号传输。将任 意波信号发生器1所生成的ToneBurst激励电压信号I0(f)注入到发射装置2 的信号输出端，压电晶体产生的声发射振动声源通过PMMA有机玻璃介质块3 形成表面波和纵波两种声波模式，将待定校验的接收装置10放置PMMA有机 玻璃介质块3的同侧或对侧来分别检验这两种声传播模式，最后使用四通道数 据采集***6的通道A和通道C/D分别测量Tone Burst触发信号I0(f)和差分 平衡光电探测器11输出端的电压信号E0(f)。
上述步骤S01中各组校验试验中所用的Tone Burst信号，其最大时间长度 受限于声波在传输介质中从发射传感器到接收传感器的直接传播路径和经过界 面反射到达接收传感器的诸次反射波传播路径的时间差。如图6所示，为表面 波在传输试块中的传播路径示意图，直接路径是两个传感器之间的传播距离D， 一般取为10～20cm，直接路径的传播时间由Δt0＝D/vR计算，式中vR是传输介 质中表面波的声速。反射波共有三条传播路径，两条是左右端面反射路径：一 是声表面波经过试块左端面反射后到达接收传感器，二是声表面波经过试块右 端面反射后返回接收传感器，传播时间由Δt1,2＝(D+2R)/vR计算，式中R是传感 器与试块边界的距离；三是折射和二次反射路径：折射进入试块内部形成的声 纵波模式在底面反射后到达接收传感器，传播时间由Δt3＞2L/vL确定下限，式中 vL是传输介质中纵波声模的声速，L是试块厚度。如图7所示，为纵波在传输 试块中的传播路径示意图，直接路径是纵波沿试块厚度方向从发射传感器到达 接收传感器，其传播时间由Δt0＝L/vL计算。反射波也有三种传播路径，两条路 径是纵波声模在试块的上、下端面反射到达接收传感器的传播路径，传播时间 由Δt1,2＞2R/vL；(3)是纵波声模在两个传感器之间多次反射路径，传播时间由 Δt3＞3L/vL确定下限。无论是图6中的表面波传播情况还是图7中的纵波传播情 况，要抑制反射波与直接入射波的混叠效应，对Tone Burst激励信号的限定条 件是：同时满足Δt1,2-Δt0＞τ和Δt3-Δt0＞τ。
S03：分别计算步骤S02中试验2和试验3中TUT输出的差分电压信号的 相位变化量；
本实施例中选用萨格奈克干涉仪结构，***包括宽带激光源7、3×3光纤 耦合器8、延迟传输光纤9、待定校验的光纤传感器探头10、光电探测器11 以及四通道数据采集***6等部组件。萨格奈克干涉仪***采用共路径传感光 纤回路，宽带激光源7输出的连续光波，经过3×3光纤耦合器8分成两路光 波，分别在延迟传输光纤中(内接光纤传感器探头10)沿着顺时针方向和逆时 针方向的相同路径又重新在3×3光纤耦合器8中会聚并发生干涉，干涉光波 通过光电探测器11转换成差分电压信号，最终在四通道数据采集***6中完成数字化采集。
3×3光纤耦合器8输出的相干光的光强具有如下形式：
I＝Idc+Iac·cos[Φ(t)]
式中，Φ(t)＝s(t)+φn包含了由超声波引起的相位偏移被测信号s(t)和激光 源的相位噪声φn。
解调算法的目的是建立被测信号s(t)和相干输出光强的线性关系。本实施例 采用相位载波解调算法(Phase Generated Carrier)，在相干光中引入相位调制项 πsin(ωmt)，则输出光强变为
I＝Idc+Iac·cos[πsin(ωmt)+Φ(t)]
光电探测器11输出差分电压形式，两端输出电压具有180°的反相相位， 输出形式
V1(t)＝Vdc+Vac·cos[πsin(ωmt)+Φ(t)]
V2(t)＝Vdc-Vac·cos[πsin(ωmt)+Φ(t)]
两路电压信号经过差分放大后得到
V3(t)＝2GVac·cos[πsin(ωmt)+Φ(t)]
式中G是放大器增益。
上式可用三角函数展开为
V3(t)＝2GVac·{cos[πsin(ωmt)]cos[Φ(t)]-sin[πsin(ωmt)]sin[Φ(t)]}
并应用第一贝塞尔函数展开式
代入计算可得出V3(t)的一次和二次谐波分量
这两个频率分类的幅值部分就包含了待测信号的有用信息，两者相除，消 掉光强的交流幅值、光电转换系数、差分放大增益等回路参数，则得
S04：分别计算步骤S02中RT-1作为发射装置和接收装置时的传输阻抗；
在如步骤S01所述的试验1和试验3中，RT-1传感器既做为发射传感器， 又作为接收传感器，其传输阻抗定义为
其中T1(f)和R1(f)分别是发射的和接收的灵敏度频率响应函数，两者相除 具有欧姆的单位量纲。这两种传递函数一般可由压电传感器产品的出厂测试数 据获得，所以TR-1具有可逆操作的传输阻抗也是可以计算得出的。
S05：计算光纤传感器TUT的灵敏度响应数值；
上述三组试验的传递函数分别可以表示为：
Er(f)＝Gr(f)R1(f)H(f)T1(f)Ir(f)
E0(f)＝Gpd(f)R(f)H(f)T0(f)I0(f)
E1(f)＝Gpd(f)R(f)H(f)T1(f)I1(f)
信号传递链路根据RT-1具有的互易操作性，可由上面三个方程式组求解出 待定校验的光纤传感器TUT的接收灵敏度响应为
进一步地，还可设定一个简化实验条件：I0(f)＝I1(f)＝Ir(f)＝Es(f)，则上 式可变为
可见，通过设计三组校验实验，我们只需测量压电传感器和光纤传感器的 输出电压信号，就可计算出待定校验的光纤传感器TUT的灵敏度响应函数。
S06：扫描所述Tone Burst激励电压信号的主频，得到光纤传感器TUT的 灵敏度频率相应特性曲线。用于局部放电测量的超声波频带一般在20kHz～ 80kHz范围内，所以扫频范围可以适量扩展到10kHz～100kHz频带内，频率分 辨率则受到Tone Burst脉冲激励信号的时长所限定。
在本实施例中，声传输介质块选用了PMMA有机玻璃介质块，相比较于钢 质材料，PMMA介质的表面波声速是1242m/s，纵波声速是2700m/s，而在钢 介质中的声速分别是2996m/s和5960m/s。如上文所述，为了消除传输介质 边界的反射声波与激励声波的混叠，传输试块必须是足够大的，使用PMMA介 质材料的好处就是其声速并不是很快，所以需用的试块尺寸就不需要做的非常 大了。而且，PMMA的材料密度是1180kg/m3，钢的密度是7700kg/m3，这 样小尺寸低密度的PMMA试块重量也比钢块要轻得多。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并 非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述 说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有 的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替 换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种光纤局部放电超声传感***的灵敏度校验方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01：由信号发生器生成Tone Burst激励电压信号；
S02：设置三组校验试验：试验装置包括发射及接收装置和声传输介质块，发射及接收装置包括第一声发射传感器RT-0、第二声发射传感器RT-1及待校验的光纤传感器TUT，将上述试验装置设置三组试验如下：
试验1：选用RT-0作为发射装置，选用RT-1作为接收装置，所述Tone Burst激励电压信号输入发射装置产生声振动信号，通过声传输介质块进行传输，再由接收装置进行接收；
试验2：选用RT-0作为发射装置，选用TUT作为接收装置，所述Tone Burst激励电压信号输入发射装置产生声振动信号，通过声传输介质块进行传输，再由接收装置进行接收；
试验3：选用RT-1作为发射装置，选用TUT作为接收装置，所述Tone Burst激励电压信号输入发射装置产生声振动信号，通过声传输介质块进行传输，再由接收装置进行接收；
S03：分别计算步骤S02中试验2和试验3中TUT输出的差分电压信号的相位变化量；
S04：分别计算步骤S02中RT-1作为发射装置和接收装置时的传输阻抗；
S05：计算光纤传感器TUT的灵敏度响应数值；
S06：扫描所述Tone Burst激励电压信号的主频，得到光纤传感器TUT的灵敏度频率响应特性曲线。
2.根据权利要求1所述的一种光纤局部放电超声传感***的灵敏度校验方法，其特征在于，所述的步骤S02的每个试验中，均进行两次光电信号传输，一为将发射装置及接收装置放在声传输介质块的同侧进行超声波信号传输；二为分别将发射装置及接收装置分别放在声传输介质块的两侧进行超声波信号传输。
3.根据权利要求1或2所述的一种光纤局部放电超声传感***的灵敏度校验方法，其特征在于，所述的第一声发射传感器RT-0为D9241A声发射传感器，所述的第二声发射传感器RT-1为R3α声发射传感器。
4.根据权利要求1所述的一种光纤局部放电超声传感***的灵敏度校验方法，其特征在于，所述步骤S03中相位变化量通过光纤干涉仪结构进行检测。
5.根据权利要求1所述的一种光纤局部放电超声传感***的灵敏度校验方法，其特征在于，所述步骤S05中的光纤传感器TUT的灵敏度响应数值通过信号传递函数计算得出。
6.根据权利要求1所述的一种光纤局部放电超声传感***的灵敏度校验方法，其特征在于，所述步骤S06中的扫描频率为10kHz～100kHz。
7.根据权利要求1所述的一种光纤局部放电超声传感***的灵敏度校验方法，其特征在于，所述试验1中，所述发射装置连接有任意波信号发生器，所述接收装置依次连接有前置放大器及四通道数据采集***，所述发射装置和接收装置均与声传输介质块直接接触。
8.根据权利要求1所述的一种光纤局部放电超声传感***的灵敏度校验方法，其特征在于，所述试验2和试验3中，所述发射装置连接有任意波信号发生器，所述接收装置依次连接有延迟传输光纤、光纤耦合器、宽带激光源，所述光纤耦合器还连接有光电探测器，所述光电探测器连接四通道数据采集***。
9.根据权利要求1所述的一种光纤局部放电超声传感***的灵敏度校验方法，其特征在于，所述声传输介质块为PMMA有机玻璃介质块。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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