专利名称：光纤非本征法布里-珀罗干涉超声传感检测装置的制作方法
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 (partialdischarge， 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。
本发明的工作原理光由1550nm光源发出，经过光纤环形器到达光纤法布里-珀 罗传感器发生反射，当超声波作用于传感器时，反射光受到超声波的调制，反射信号再次经 过环形器到达光电转换模块，将光信号转换成电信号，经放大后可利用示波器来观测到超 声信号。
本发明与现有的技术相比，具有以下显而易见的突出实质性特点和显著优点
(1)光纤法布里-珀罗超声传感器的外陶瓷壁上开有一个狭缝，且外陶瓷套管的 内径略小于内陶瓷套管的外径(2. 5mm)，内外陶瓷套管在应力作用下结合的更加紧密；
(2)由于外陶瓷套管和内陶瓷套管之间应力作用，使得在腔长的调节过程中，传感 器的稳定性得到提高，并易于封装； (3)检测装置采用低成本的1550nm光源，以光纤环形器代替3dB耦合器，减少了光 在传输过程中的损耗； (4)传感器的制作过程简单、方便，周期短，便于批量生产； (5)本检测装置性能优良，不仅可以应用于变压器局部放电的定位检测，还可以应 用于工业生产、电力安全等相关领域。
图l为本发明系统原理图。 图2为光纤法布里_珀罗超声传感器结构示意图。
图3为传感器横截面示意图。
具体实施例方式
本发明所涉及的一个优选实施例结合
如下
4
实施例一 参见图l，本光纤法布里_珀罗超声传感检测装置包括光源l，所述光 源l，连接一个光纤环形器2，所述光纤环形器2的一个接口连接一个光纤法布里_珀罗超 声传感器3，另一个接口经一个光电转换模块4和一个信号放大模块5连接一个示波器6， 一个信号发生器9连接一个压电换能器7，该压电换能器产生超声波信号8，传输给所述法 布里_珀罗超声传感器3 ;所示光源1为1550nm光源，光纤环形器2为1550nm光纤环形器。
实施例二 参见图2，上述的本实施例与实施例一相同，特别之处如下光纤法布 里_珀罗超声传感器的基本结构是一根由单模光纤10插在一个内陶瓷套管14中再外套
一个外陶瓷套管13，在所示内陶瓷套管14和外陶瓷套管13的两端分别有金属底座15和石 英振动膜11。所述单模光纤10内端面、石英振动膜11的内侧面、外陶瓷套管13的内壁面 和内陶瓷套管14端面构成法布里_珀罗腔12 ;所述法布里-珀罗腔的腔长为单模光纤10 端面到石英振动膜11内表面的距离；所述光纤法布里-珀罗超声传感器3的外陶瓷套管13 的内径比内陶瓷套管14的外径略小而使外陶瓷套管13卡紧在内陶瓷套管14上；所述外陶 瓷套管13的侧壁上开有一个狭缝16 ;所述外陶瓷套管13与所述内陶瓷套管14利用狭缝 16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11的厚度通过氢氟酸腐蚀控制。 参见图3，法布里-珀罗超声传感器中的外陶瓷套管的侧壁上开有一个狭缝。
工作原理1550nm光源1发出的光经过1550nm光纤环形器2到达光纤FP超声传 感器3。由于信号发生器9的作用，压电换能器7发出超声波8，超声波8作用于光纤FP超 声传感器3引起石英振动膜11的振动，导致FP腔12的腔长发生变化。入射光到达输入/ 输出单模光纤10的端面产生菲涅尔反射(小于4% )形成第一束反射光，剩余的光入射进 入FP腔12。入射光到达石英振动膜ll的内表面产生反射形成第二束反射光。由于超声波 8的作用使得FP腔12腔长发生变化，这样第二束反射光的光程发生变化，相应的其相位发 生变化。这样第二束反射光就是被超声波8调制的光，其携带了超声波8的相关信息。第 二束反射光被单模光纤IO捕捉进入光纤内部，与第一束反射光发生干涉，形成干涉光。干 涉光沿着光纤传输经过1550nm光纤环形器2被光电转换模块4转换成电信号，实现了对超 声波信号的解调，再经过信号放大模块5最后显示在示波器6。
权利要求
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(1)，其特征在于所述光源(1)连接一个光纤环形器(2)，所述光纤环形器(2)的一个接口连接一个光纤法布里-珀罗超声传感器(3)，另一个接口经一个光电转换模块(4)和一个信号放大模块(5)连接一个示波器(6)，一个信号发生器(9)连接一个压电换能器(7)，该压电换能器产生超声波信号(8)，传输给所述法布里-珀罗超声传感器(3)；所示光源(1)为1550nm光源，光纤环形器(2)为1550nm光纤环形器；所述1550nm光源(1)发出的光经过所述1550nm光纤环形器(2)导入到所述光纤法布里-珀罗超声传感器(3)；所述信号发生器(9)作用于所述压电换能器(7)产生超声波信号(8)，并在空气中传输到达所述光纤法布里-珀罗超声传感器(3)；所述光纤法布里-珀罗超声传感器(3)将接收到的所述超声波信号(8)通过所述光电转换模块(4)、所述信号放大模块(5)最终显示在所述示波器(6)上。
2. 根据权利要求1所述的光纤非本征法布里_珀罗干涉超声传感检测装置，其特征在 于所述光纤法布里_珀罗超声传感器(3)的结构是一根由单模光纤(10)插在一个内陶 瓷套管(14)中再外套一个外陶瓷套管(13)，在所示内陶瓷套管(14)和外陶瓷套管(13) 的两端分别有金属底座(15)和石英振动膜(11)。所述单模光纤(10)内端面、石英振动膜(11) 的内侧面、外陶瓷套管(13)的内壁面和内陶瓷套管(14)端面构成法布里-珀罗腔(12) ;所述法布里-珀罗腔的腔长为单模光纤(10)端面到石英振动膜(11)内表面的距离； 所述光纤法布里-珀罗超声传感器(3)的外陶瓷套管(13)的内径比内陶瓷套管(14)的外 径略小而使外陶瓷套管(13)卡紧在内陶瓷套管(14)上；所述外陶瓷套管(13)的侧壁上开 有一个狭缝(16);所述外陶瓷套管(13)与所述内陶瓷套管(14)利用狭缝(16)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 (11)的厚度通过氢氟酸腐蚀控制。
全文摘要
本发明述及一种光纤非本征法布里珀罗干涉超声传感检测装置，它包括1550nm光源、1550nm光纤环形器、光纤法布里-珀罗超声传感器、光电转换模块、信号放大模块、示波器、压电换能器、信号发生器。光纤法布里-珀罗超声传感器由光纤法布里-珀罗超声传感器的基本结构由单模光纤、石英振动膜、外陶瓷套管、内陶瓷套管和金属底座共同构成。由1550nm光源发出光经光纤环形器到达光纤法布里-珀罗超声传感器，当超声波作用于超声传感器时，由光纤法布里-珀罗超声传感器反射的光受到超声信号调制，反射光经环形器到达光电转换模块，转换为电信号，经放大后由示波器可观测到超声信号。本发明结构简单，制作容易，成本低，灵敏度高，有很强的实用性，并易于封装，便于大批量生产，可用于工业检测、电力安全等相关领域。
文档编号G01H9/00GK101762318SQ20101002311
公开日2010年6月30日 申请日期2010年1月21日 优先权日2010年1月21日
发明者丁悦通, 孙庆国, 庞拂飞, 张超, 王廷云, 陈娜, 陈振宜 申请人:上海大学