非接触型光纤超声传感器的制作方法

本发明属于传感器技术领域，具体涉及到超声波传感器。

背景技术：

电力变压器是电力系统中的重要电气设备，在电力系统中处于枢纽地位，一旦发生故障，有可能发生大面积停电事故，给电力系统和国民经济带来重大损失，因此电力系统非常重视电力变压器的状态，尤其是其绝缘介质的健康状况。由于电力变压器的绝缘结构通常采用绝缘性能良好的油浸式复合绝缘，随着电力系统的发展和电压等级的提高，局部放电已经成为电力变压器绝缘劣化的重要原因，因而局部放电的检测和评价也就成为其绝缘状况监测的重要手段。无论是研究机构、制造厂商，还是电力系统运行部门，都愈来愈关心局部放电检测技术的发展，并广泛地把局部放电检测作为变压器质量监控的重要指标，国际电工委员会(IEC)和我国都在局部放电的测量原理、方法及各类设备允许放电量等方面作了具体规定，制定了一系列标准，国内外变压器制造厂商均将局部放电测量作为出厂试验项目，以控制产品的质量。

局部放电的检测以局部放电所产生的各种现象为依据，通过能描述该现象的物理量来表征局部放电的状态。局部放电过程中会产生电脉冲、气体生成物、超声波、电磁辐射、光、局部过热以及产生能量损耗等现象。相应的就出现了电脉冲检测法、气相色谱检测法、超声波检测法、电磁波检测法、光检测法等多种检测方法。

超声波检测法是用固定在变压器箱壁上的超声波传感器接收变压器内部局部放电产生的超声波，由此来检测局部放电的大小和位置。超声波法检测变压器局部放电具有以下特点:

易于实现在线检测；便于空间定位；可望实现利用超声波法进行模式识别和定量分析；超声波法的进一步研究有望得到一些新的放电信息。尽管电脉冲法是局部放电研究的基础，但是电脉冲信号在现场中检测时会有很大的干扰(通常在几千PC以上)，很难正确得到放电信号，另外在线标定的问题和在线结果与离线结果的等效性等问题，也是长期困扰电脉冲法在线检测变压器局部放电的问题，目前在现场中，工程技术人员往往更关心运行变压器的局部放电检测问题，特别是当放电量较大时，通过检测局部放电以确定变压器绝缘的损坏程度。而这种情况适合超声波法检测，在变压器技术领域，当前需迫切解决的技术问题是提供一种绝缘损坏程度的检测传感器。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服上述技术的缺点，提供一种非接触型光纤超声传感器。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在光纤安装环侧壁高度的中心平面内左侧径向设置有光纤固定管，光纤固定管内设置有中心线相重合的单模光纤和光纤准直镜，单模光纤的右端设置在光纤准直镜左端面，在光纤安装环内侧壁高度的中心平面内右侧设置有反射镜，反射镜与水平激光束入射方向的夹角为45°，光纤安装环下端内设置有空心堵头，光纤安装环内空心堵头上端设置有传感膜。

本发明的传感膜与光纤准直镜外侧面之间的距离为10μm～1mm。

本发明的传感膜采用金箔片，金箔片的厚度为0.13μm～0.02mm。

本发明的光纤准直镜的长度为5～10mm、波长为1560nm，光纤准直镜右端面上真空蒸镀有透光率为50％的半透半反膜。

本发明的反射镜上端与光纤准直镜右端面的距离为10μm～1mm。

由于本发明采用了单模光纤、光纤准直镜以及反射镜，发射超声波时，激光经单模光纤传输到光纤准直镜，光纤准直镜将发散光转变为平行激光，平行激光经反射镜反射到传感膜，超声波加到传感膜时,传感膜产生振动，使反射激光发生变化，反射激光经传感膜反射沿原光路返回，经调制光信息，通过解调光信息，输出电信号。本发明的传感膜采用了厚度为0.13μm～0.02mm的金箔片，经实验证明，本发明对300KHz波段的超声信号具有良好的响应特性、稳定性、灵敏度，在实时采集模式下，光谱信噪比高，适用于检测变压器中局部放电产生的超声波，可用于实时采集超声波。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是测试本发明的系统图。

图3是本发明实施例1接收脉冲超声波信号经解调后的电压曲线。

图4是本发明实施例1接收正弦超声波信号经解调后的电压曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1中，本实施例的非接触型光纤超声传感器由光纤安装环1、光纤固定管2、单模光纤3、光纤准直镜4、反射镜5、传感膜6、空心堵头7联接构成。

光纤安装环1的形状为环状体，在光纤安装环1侧壁高度的中心平面内左侧径向通过螺纹联接安装有光纤固定管2，光纤固定管2内安装有单模光纤3和光纤准直镜4，单模光纤3和光纤准直镜4的中心线相重合，本实施例的光纤准直镜4的长度为8mm，光纤准直镜4的波长为1560nm，光纤准直镜4的右端面上真空蒸镀有透光率为50％的半透半反膜，光纤准直镜4用于将发散光转换成平行光束，单模光纤3的右端用光学胶粘接在光纤准直镜4的左端面。在光纤安装环1内侧壁高度的中心平面内右侧用螺钉固定联接安装有反射镜5，反射镜5与水平激光束入射方向的夹角为45°，反射镜5上端与光纤准直镜4右端面的距离为0.5mm。光纤安装环1的下端内通过螺纹联接安装有空心堵头7，光纤安装环1内空心堵头7上端安装有传感膜6，本实施例的传感膜6采用金箔片，金箔片的厚度为0.13μm，传感膜6与光纤准直镜4外侧面之间的距离为0.5mm，旋转空心堵头7，可以调整传感膜6与光纤准直镜4外侧面之间的距离。没有超声波时，激光经单模光纤传输到光纤准直镜，光纤准直镜将发散的激光转变为平行激光，平行激光经反射镜5反射到传感膜6，经传感膜6反射沿原光路返回；发射超声波时，激光经单模光纤传输到光纤准直镜，光纤准直镜将发散光转变为平行激光，平行激光经反射镜5反射到传感膜6，超声波加到传感膜6时,传感膜6产生振动，使反射激光发生变化，反射激光经传感膜6反射沿原光路返回，经调制光信息，通过解调光信息，输出电信号。

实施例2

在光纤安装环1侧壁高度的中心平面内左侧径向通过螺纹联接安装有光纤固定管2，光纤固定管2内安装有单模光纤3和光纤准直镜4，单模光纤3和光纤准直镜4的中心线相重合，光纤准直镜4的长度为5mm，光纤准直镜4的波长为1560nm，光纤准直镜4的右端面上真空蒸镀有透光率为50％的半透半反膜，单模光纤3夹持在光纤固定管2上，单模光纤3的右端用光学胶粘接在光纤准直镜4的左端面。在光纤安装环1内侧壁高度的中心平面内右侧径向用螺钉固定联接安装有反射镜5，反射镜5与水平激光束入射方向的夹角为45°，反射镜5上端与右端面的距离为10μm。光纤安装环1的下端内通过螺纹联接安装有空心堵头7，光纤安装环1内空心堵头7上端安装有传感膜6，传感膜6采用金箔片，金箔片的厚度为0.01mm，传感膜6与光纤准直镜4外侧面之间的距离为10μm。

其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例3

在光纤安装环1侧壁高度的中心平面内左侧径向通过螺纹联接安装有光纤固定管2，光纤固定管2内安装有单模光纤3和光纤准直镜4，单模光纤3和光纤准直镜4的中心线相重合，光纤准直镜4的长度为10mm，光纤准直镜4的波长为1560nm，光纤准直镜4的右端面上真空蒸镀有透光率为50％的半透半反膜，单模光纤3夹持在光纤固定管2上，单模光纤3的右端用光学胶粘接在光纤准直镜4的左端面。在光纤安装环1内侧壁高度的中心平面内右侧径向用螺钉固定联接安装有反射镜5，反射镜5与水平激光束入射方向的夹角为45°，反射镜5上端与右端面的距离为1mm。光纤安装环1的下端内通过螺纹联接安装有空心堵头7，光纤安装环1内空心堵头7上端安装有传感膜6，传感膜6采用金箔片，金箔片的厚度为0.02mm，传感膜6与光纤准直镜4外侧面之间的距离为1mm。

其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1制备的非接触型光纤超声传感器进行了测试，测试情况如下。

1、建立测试系统

将可调激光器通过光纤与光纤环形器相连，光纤环形器通过光纤与光电探测器相连，光电探测器通过电缆与示波器相连，超声波发生器通过同轴电缆与压电陶瓷换能器相连，构成用于测试本发明的测试系统。

2、测试方法

(1)将本发明用光纤与光纤环形器相连，接通可调激光器和超声发生器的电源，将超声发生源与本发明底部直接的空心堵头7接触，超声发生器发出的300KHz脉冲超声波使传感膜6振动，引起反射光发生变化，调制光信息。可调激光器发出的窄线宽激光通过光纤环形器传输至本发明，被调制的光信息再经本发明传输至光纤环形器，在传输至光电探测器，光电探测器将光信号转换至电压信号，经同轴电缆传输到示波器，示波器显示出超声信号曲线，如图3所示。

在图3中，横坐标为超声波运动的时间，单位为μs。纵坐标是电压，单位为V，表示采集到超声波信号的能量大小。由图3可见，非接触型光纤超声传感器在120μs处接收到超声信号，灵敏度高。表明非接触型光纤超声传感器检测300kHz脉冲超声波效果良好，可用于检测脉冲超声波。

(2)将本发明通过光纤与光纤环形器相连，接通可调激光器和超声发生器的电源，将超声发生器与本发明底部直接接触，超声发生器发出的300kHz正弦信号使金箔振动，进而引起反射光发生变化，调制光信息。可调激光器发出的窄线宽激光通过光纤环形器传输至本发明，被调制的光信息再经本发明传输至光纤环形器，再传输至光电探测器，光电探测器将光信号转换成电压信号，经同轴电缆传输至示波器，示波器显示出超声信号曲线，如图4所示。

在图4中，横坐标为超声波运动的时间，单位为μs。纵坐标是电压，单位为V，表示采集到超声波信号的能量大小。由图4可见，非接触型光纤超声传感器检测到了300KHz波段的正弦超声波信号，且灵敏度较高。表明非接触型光纤超声传感器检测300kHz正弦超声波效果良好，可用于检测正弦超声波。

实验(1)(2)的结果表明，非接触型光纤超声传感器对300KHz波段的超声信号具有良好的响应特性、稳定性、灵敏度，在实时采集模式下，光谱信噪比高，适用于检测变压器中局部放电产生的超声波检测的需求，可用于实时采集超声波。