专利名称：非本征型光纤法珀声发射传感器和含有该传感器的超声波检测装置及其使用方法
技术领域：
本发明为非本征型光纤珐珀声发射传感器和含有该传感器的超声波检测装置及其使用方法，涉及PID控制方式和光纤声发射传感器领域。
背景技术：
光纤传感器具有体积小、灵敏度高、高频响应优良、抗腐蚀、抗电磁干扰及绝缘性好等优点，在物理和化学参数的测量领域得到广泛应用。近些年基于光纤传感技术的水听器，大型建筑健康状态检测及电力设备局部放电监测等方面的应用报道也较为活跃。其中，膜片耦合方式的非本征光纤法珀声发射传感器用于油浸式设备的局部放电的在线监测就是典型应用之一，该测试方式也被IEEE标准列入油浸式变压器局放监测标准之中。目前报道所述的膜片耦合方式的非本征法珀传感器的结构比较复杂，其解调方式主要采用基于正交工作点的强度解调方式。但是，强度解调的正交工作点容易受到环境温度影响产生漂移；另外，当传感器置于液体介质中时，其入液面深度变化时，传感器受到不同的静压力作用也会使预先设置的工作点发生改变。因而，周围环境综合物理场的影响造成传感器正交工作点的漂移大大影响了传感器工作的稳定性，制约了其在工业领域中的应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决当前非本征型法珀声发射传感器的结构复杂、以及该传感器在偏离稳态工作点后，无法对稳态工作点进行有效动态补偿，从而影响非本征型法珀声发射传感器的稳定性的问题，本发明提供非本征型光纤珐珀声发射传感器和含有该传感器的超声波检测装置及其使用方法，本发明的技术方案为:非本征型光纤法拍声发射传感器包括石英膜片、支撑结构和光纤插芯，圆形的石英膜片粘贴于圆筒状的支撑结构的两个底面中的一面，光纤插芯通过支撑结构的另一面插入支撑结构内，且所述光纤插芯与支撑结构同轴，所述光纤插芯的直径与支撑结构的内径相等，光纤插芯的末端、石英膜片和支撑结构的内侧壁形成非本征型光纤法珀腔。含有所述非本征型光纤法珀声发射传感器的超声波检测装置的使用方法包括以下步骤:步骤一、DFB激光器作为光源，在DFB激光器控制系统的控制下输出单模光源，该单模光源经过光电耦合器入射到非本征型光纤法珀声发射传感器，数字信号处理器采集获得非本征型光纤法珀声发射传感器反馈的光信号，同时利用示波器采集非本征型光纤法珀声发射传感器反馈的光信号获得该光信号的光谱谱线，将该光光谱上峰值与相邻的最低值之间的平均值所在点确定为非本征型光纤法珀声发射传感器的标准静态工作点，该标准静态工作点对应的控制电压为非本征型光纤法珀声发射传感器标准静态工作点的控制电压Vs;
步骤二、将非本征型光纤法珀声发射传感器置于液体介质中，采集外界动态声发射信号，在采集过程中，数字信号处理器根据步骤一获得的标准静态工作点控制电压和数据采集卡采集的信号发送控制信号给，进而控制DFB激光器输出激光的波长，使非本征型光纤法珀声发射传感器工作在标准静态工作点，当非本征型光纤法珀声发射传感器的实际工作点偏离标准静态工作点时，通过DFB激光器控制系统调整DFB激光器发射激光的中心波长，对非本征型光纤法珀声发射传感器的标准静态工作点进行动态调整。步骤二中，对非本征型光纤法珀声发射传感器7的标准静态工作点进行动态调整是由以下步骤实现的:步骤二一、DFB激光器控制系统11确定含有非本征型光纤法珀声发射传感器的超声波检测装置的标准静态工作点，得到标准静态工作点控制电压Vs ；
步骤二二、数字信号处理器10通过数据采集卡9实时采集非本征型光纤法珀声发射传感器7反馈的信号，获得非本征型光纤法珀声发射传感器7的实际工作点控制电压Vwt(t)，将该实际工作点控制电压Vwt(t)与非本征型光纤法珀声发射传感器7的标准静态工作点控制电压Vs进行比较，获得偏差值E，根据偏差值E获得Tp，Ti, Td三个参数值，所述Tp表示比例系数，Ti表示积分系数，Td表示微分系数；具体参数值如下所示:当Ε>1.0时，Tp=0.01，Ti=0.001，Td=0.0002 ;当 0.5〈Ε〈1.0 时，Tp=0.001，Ti=0.0003，Td=0.00005 ;当0〈Ε〈0.5 时，Tp=0.0001，Ti=0.0001，Td=0.00001;步骤二三、根据公式
权利要求
1.非本征型光纤法珀声发射传感器，其特征在于:它包括石英膜片(I)、支撑结构(3)和光纤插芯(4)，圆形的石英膜片(I)粘贴于圆筒状的支撑结构(3)的两个底面中的一面，光纤插芯(4)通过支撑结构(3)的另一面插入支撑结构(3)内，且所述光纤插芯(4)与支撑结构(3)同轴，所述光纤插芯(4)的直径与支撑结构(3)的内径相等，所述光纤插芯(4)的末端与石英膜片(I)的距离为100微米，光纤插芯(4)的末端、石英膜片(I)和支撑结构(3)的内侧壁形成非本征型光纤法珀腔(2)； 所述石英膜片(I)的直径为5毫米，该石英膜片(I)的厚度为100微米，该石英膜片(I)的裸露面镀有反射率为50%的二氧化硅反射膜； 所述支撑结构(3)的材料为锰钢，该支撑结构(3)内径为2.5毫米，外径为5毫米，长度为5毫米。
2.根据权利要求1所述的非本征型光纤法拍声发射传感器，其特征在于:光纤插芯(4)的长度为为8毫米。
3.根据权利要求1或2所述的非本征型光纤法拍声发射传感器,其特征在于:所述光纤插芯(4)的外侧镀有反射率为50%的二氧化娃反射膜。
4.含有权利要求1至3任一项所述的非本征型光纤法拍声发射传感器的超声波检测装置，其特征在于它包括DFB激光器(5)、光电稱合器(6)、非本征型光纤法拍声发射传感器(7)、光电转换模块(8)、数据采集卡(9)、数字信号处理器(10)和DFB激光器控制系统(11), DFB激光器(5 )的激光输出端与光电稱合器(6 )的光信号输入端连接,光电稱合器(6 )的光信号输入输出端与非本征型光纤法拍声发射传感器(7)的光纤插芯(4)的光信号输入输出端连接，光电耦合器(6)的光信号输出端与光电转换模块(8)的光信号输入端连接，光电转换模块(8 )的电信号输出端与数据采集卡(9 )的信号输入端连接，数据采集卡(9 )的信号输出端与数字信号处理器(10)的信号输入端连接，数字信号处理器(10)的激光器控制信号输出端与DFB激光器控制系统(11)的控制信号输入端连接，DFB激光器控制系统(11)的控制信号输出端与DFB激光器(5)的温度控制信号输入端连接。
5.根据权利要求4所述的含有非本征型光纤法珀声发射传感器的超声波检测装置，其特征在于，所述DFB激光器控制系统(11)包括80C51单片机(12)和LTC1923温度控制芯片(13),80C51单片机(12)的控制信号输入端与数字信号处理器(10)的激光器控制信号输出端连接，LTC1923温度控制芯片(13)的信号输入端与80C51单片机(12)的信号输出端连接，LTC1923温度控制芯片(13)的温度控制信号输出端与DFB激光器(5)的温度控制信号输入端连接。
6.权利要求4所述的含有非本征型光纤法珀声发射传感器的超声波检测装置的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括以下步骤: 步骤一、DFB激光器(5 )作为光源，在DFB激光器控制系统(11)的控制下输出单模激光，该单模激光经过光电耦合器(6)入射到非本征型光纤法珀声发射传感器(7)，数字信号处理器(10)采集获得非本征型光纤法珀声发射传感器(7)反馈的光信号，同时利用示波器采集非本征型光纤法珀声发射传感器(7)反馈的光信号获得该光信号的光谱谱线，将该光光谱上峰值与相邻的最低值之间的平均值所在点确定为非本征型光纤法珀声发射传感器(7)的标准静态工作点，该标准静态工作点对应的控制电压为非本征型光纤法珀声发射传感器(7)标准静态工作点的控制电压V s ；步骤二、将非本征型光纤法珀声发射传感器(7)置于液体介质中，采集外界动态声发射信号，在采集过程中，数字信号处理器(10)根据步骤一获得的标准静态工作点控制电压和数据采集卡(9)采集的信号发送控制信号给，进而控制DFB激光器(5)输出激光的波长，使非本征型光纤法珀声发射传感器(7)工作在标准静态工作点，当非本征型光纤法珀声发射传感器(7)的实际工作点偏离标准静态工作点时，通过DFB激光器控制系统(11)调整DFB激光器(5)发射激光的中心波长，对非本征型光纤法珀声发射传感器(7)的标准静态工作点进行动态调整。
7.根据权利要求6所述的含有非本征型光纤法珀声发射传感器的超声波检测装置的使用方法，其特征在于，所述DFB激光器控制系统(11)包括80C51单片机(12)和LTC1923温度控制芯片(13)，80C51单片机(12)的控制信号输入端与数字信号处理器(10)的激光器控制信号输出端连接，LTC1923温度控制芯片(13)的信号输入端与80C51单片机(12)的信号输出端连接，LTC1923温度控制芯片(13)的温度控制信号输出端与DFB激光器(5)的温度控制信号输入端连接； 步骤二中，对非本征型光纤法珀声发射传感器(7)的标准静态工作点进行动态调整是由以下步骤实现的: 步骤二一、DFB激光器控制系统(11)确定含有非本征型光纤法拍声发射传感器的超声波检测装置的标准静态工作点，得到标准静态工作点控制电压Vs ； 步骤二二、数字信号处理器(10)通过数据采集卡(9)实时采集非本征型光纤法珀声发射传感器(7)反馈的信号，获得非本征型光纤法珀声发射传感器(7)的实际工作点控制电压Vrat (t)，将该实际工作点控制电压Vwt (t)与非本征型光纤法珀声发射传感器(7)的标准静态工作点控制电压Vs进行比较，获得偏差值E，根据偏差值E获得Tp，Ti, Td三个参数值，所述Tp表示比例系数，Ti表示积分系数，Td表示微分系数；具体参数值如下所示:当 Ε>1.0 时，Tp=0.01，Ti=0.001，Td=0.0002 ；当 0.5〈Ε〈1.0 时，Tp=0.001，Ti=0.0003，Td=0.00005 ；当 0〈Ε〈0.5 时，Tp=0.0001，Ti=0.0001，Td=0.00001; 步骤二三、根据公式
全文摘要
非本征型光纤法珀声发射传感器和含有该传感器的超声波检测装置及其使用方法，涉及光纤声发射传感技术领域。它解决了环境影响造成非本征型光纤法珀声发射传感器静态工作点的漂移而影响其工作稳定性的问题。所述传感器中位于圆筒形支撑结构一端的石英膜片和嵌入该支撑结构内部的光纤插芯形成密闭的非本征型光纤法珀腔。含有该传感器的声波检测装置中采用DFB激光器作为激光源，采用数字信号处理器处理传感器反馈的信号，并控制DFB激光器的工作温度。该超声波检测装置的使用方法为首先确定传感器的稳态工作点，然后在传感器工作过程中根据传感器反馈的信号实时对该静态工作点进行动态调整。本发明适用于在液体介质中的声波检测技术领域。
文档编号G01H9/00GK103234620SQ20131015710
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月28日 优先权日2013年4月28日
发明者赵洪, 张伟超, 郑望其, 王颂, 曹小拐, 刘通, 张富春, 李锐海 申请人:哈尔滨理工大学, 南方电网科学研究院有限责任公司, 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局