外置贴合式非本征法布里珀罗光纤传感器及测试平台的制作方法

本发明涉及一种非本征法布里珀罗光纤传感器及测试平台，具体涉及一种外置贴合式非本征法布里珀罗光纤传感器及测试平台，用于大型电力变压器局部放电超声信号实时在线检测，属于电力变压器局放检测技术领域。

背景技术：

随着二十一世纪科技的快速发展，社会对于电力能源的需求越来越高，大型变电站的建设进一步加快，电力变压器总装机容量快速增加，电力变压器的安全稳定运行就显得尤为重要。

对于电力变压器局放检测的传统方法无法实现在线检测，因此对于局放超声信号的检测受到了广泛关注。对于电力变压器局放超声信号检测较为认可的方法分为以下两种；第一种方法是利用压电陶瓷传感器，将其按放在变压器油箱璧外侧检测局放超声信号，此方法安装简单操作方便，但传感器换能装置是将声信号转换为电信号，这就使其非常容易受到现场高强电场和磁场的干扰影响，并且这种检测方法不能够实现在线实时检测，只能通过定期巡检的方式来对变压器进行局放检测；第二种方法是利用非本征法布里珀罗光纤传感器，在电力变压器生产装配时将其安装在电力变压器内部检测局放声信号，此方法虽然不仅实现电力变压器局放超声信号的实时在线检测还保证了检测信号不受现场高强电场和磁场干扰，但是极大的增加了电力变压器的生产设计难度，并且非本征法布里珀罗光纤传感器长期浸泡在高温且具有一定腐蚀性的变压器油中其结构的安全可靠性不足，而且对于已经投产运营的电力变压器此种安装方法并不适用。

因此，亟待设计一种贴合在电力变压器油箱璧外侧检测局放超声信号的非本征法布里珀罗光纤传感器探头结构及测试平台。

技术实现要素：

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，为了克服上述技术问题，本发明的目的在于针对现有电力变压器局放超声信号检测技术的不足，提供了一种外置贴合式非本征法布里珀罗光纤传感器及测试平台，适用于已投产运营及正在生产中的电力变压器安装使用，检测灵敏度与压电陶瓷传感器相近，并且不受现场高强电场磁场的影响可实现实时在线检测。

方案一：本发明提供了一种外置贴合式非本征法布里珀罗光纤传感器，包括钕铁硼高强磁铁贴合基片、石英膜片、石英毛细管、光纤纤芯和金属环形套管；

所述钕铁硼高强磁铁贴合基片为圆形贴合基片，所述钕铁硼高强磁铁贴合基片的中心位置雕刻有直径为1.8mm，深度为100um的环形槽，作为振动耦合单元；

所述石英膜片固定在振动耦合单元的表面上，且石英膜片的中心轴线与振动耦合单元的中心轴线重合，石英膜片与振动耦合单元共同形成了振动耦合腔；

所述石英膜片上镀有光学反射膜，将石英毛细管安装在石英膜片上，石英毛细管作为法布里珀罗腔，光纤纤芯置于石英毛细管内，所述金属环形套管套在石英毛细管外部，金属环形套管的底部安装在石英膜片上，金属环形套管与石英毛细管之间通过填充物固定。

进一步地：所述石英膜片为直径3mm、厚度40um的圆形片体。

进一步地：所述石英膜片通过紫外固化剂固定在振动耦合单元的表面上。

进一步地：所述石英膜片上镀有百分之五十反射率的光学反射膜。

进一步地：所述金属环形套管与石英毛细管之间通过陶瓷填充物固定。

方案二：本发明提出的一种采用外置贴合式非本征法布里珀罗光纤传感器的测试平台，该方法是基于方案一所述的外置贴合式非本征法布里珀罗光纤传感器实现的，测试平台具体包括：外置贴合式非本征法布里珀罗光纤传感器、压电陶瓷声发射传感器、局放源、变压器油箱、数字示波器、信号放大器、光纤分光器、光电转换器、激光驱动光源、耦合电容、检测阻抗和局放检测仪；

所述局放源置于变压器油箱内，变压器油箱注入变压器油，局放源浸入变压器油中；压电陶瓷声发射传感器与外置贴合式非本征法布里珀罗光纤传感器固定于变压器油箱两侧，且压电陶瓷声发射传感器与外置贴合式非本征法布里珀罗光纤传感器各自与局放源的距离相等；局放源的高压端与升压变压器高压引线相连，局放源的接地端与油箱接地引线相连，压电陶瓷声发射传感器与外置贴合式非本征法布里珀罗光纤传感器各自的传感器信号输出端链接到同一台数字示波器上进行抓取信号数据，压电陶瓷声发射传感器与数字示波器的信号输出路径上还设置有信号放大器，外置贴合式非本征法布里珀罗光纤传感器与数字示波器的信号输出路径上还设置有光纤分光器、光电转换器，所述光纤分光器的信号源为激光驱动光源，所述高压端与升压变压器高压引线处并联有耦合电容和检测阻抗，并联电路上还电连接有局放检测仪。

进一步地：所述局放源为板-板电极。

进一步地：所述变压器油箱与外置贴合式非本征法布里珀罗光纤传感器的贴合面上涂抹有黄油或硅油。如此设置，使传感器面与变压器油箱更加紧密贴合。

有益效果：

本发明设计一种贴合在电力变压器油箱璧外侧检测局放超声信号的非本征法布里珀罗光纤传感器探头结构，此结构牢固可靠，适用于已投产运营及正在生产中的电力变压器安装使用，检测灵敏度高，并且不受现场高强电场磁场的影响，可实现实时在线检测。

附图说明

图1为本发明的外置贴合式非本征法布里珀罗光纤传感器的结构示意图；

图2为图1的a处局部放大图；

图3为钕铁硼高强磁铁贴合基片的立体图；

图4为钕铁硼高强磁铁贴合基片的主视图；

图5为光纤传感器去除金属环形套管后放入结构示意图；

图6为本发明的采用外置贴合式非本征法布里珀罗光纤传感器的测试平台框图。

图中：1钕铁硼高强磁铁贴合基片、2石英膜片、3石英毛细管、4光纤纤芯、5金属环形套管、6填充物、7外置贴合式非本征法布里珀罗光纤传感器、8压电陶瓷声发射传感器、9局放源、10变压器油箱、11数字示波器、12信号放大器、13光纤分光器、14光电转换器、15激光驱动光源、16耦合电容、17检测阻抗、18局放检测仪、19变压器油。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

实施例1：如附图1-5所示本实施例提供了一种外置贴合式非本征法布里珀罗光纤传感器，包括钕铁硼高强磁铁贴合基片1、石英膜片2、石英毛细管3、光纤纤芯4和金属环形套管5；

所述钕铁硼高强磁铁贴合基片1为圆形贴合基片，所述钕铁硼高强磁铁贴合基片1的中心位置雕刻有直径为1.8mm，深度为100um的环形槽，作为振动耦合单元；

所述石英膜片2固定在振动耦合单元的表面上，且石英膜片2的中心轴线与振动耦合单元的中心轴线重合，石英膜片2与振动耦合单元共同形成了振动耦合腔；

所述石英膜片2上镀有光学反射膜，将石英毛细管3安装在石英膜片上，石英毛细管3作为法布里珀罗腔，光纤纤芯4置于石英毛细管3内，所述金属环形套管5套在石英毛细管3外部，金属环形套管5的底部安装在石英膜片2上，金属环形套管5与石英毛细管3之间通过填充物6固定。

更为具体地：所述石英膜片2为直径3mm、厚度40um的圆形片体。

更为具体地：所述石英膜片2通过紫外固化剂固定在振动耦合单元的表面上。

更为具体地：所述石英膜片2上镀有百分之五十反射率的光学反射膜。

更为具体地：所述金属环形套管5与石英毛细管3之间通过陶瓷填充物固定。

本实施例中使用钢铁结构的贴合基片无法直接快速固定在变压器油箱外壁，现选取钕铁硼高强磁铁为传感器所使用基片，使传感器可以直接紧密贴合在变压器油箱外壁，易于拆卸和安装。

为保证贴合基片具有足够的吸力及刚性且便于加工，其结构尺寸不易过薄过小。现选取直径20mm厚度2mm的钕铁硼高强磁铁为传感器贴合基片。利用激光雕刻技术对传感器基片进行加工，在其中心位置雕刻出一个直径为1.8mm深度为100um的振动耦合单元。基片整体结构如图3和图4所示。

利用紫外固化剂，将直径为3mm厚度为40um的石英膜片固定在基片刻有振动耦合单元的面上，并使圆形石英膜片中心轴线与振动耦合单元中心轴线重合。结构示意图如图2所示。石英膜片与振动耦合单元共同形成了振动耦合腔，当超声信号传递到传感器贴合基片上时，石英膜片外周边受固定约束，中间由于振动耦合腔的作用在超声信号激励下形成受迫振动。

将固定于传感器振动基片上的石英膜片镀百分之五十反射率的光学反射膜。利用石英毛细管做为固定约束制作法布里珀罗腔，其结构示意图如图5所示。

传感器外部刚性支撑结构设计，由于直接将毛细管玻璃固定于传感器基片上，其结构并不牢靠且容易受到为振动影响，所以需对其整体进行加固。应用金属加工技术制作一个金属环形套管安装在传感器上，金属环形套管与毛细管玻璃之间填充固定约束物质，使二者紧密接触，进一步加强传感器整体结构的稳定性。其结构示意图如图1所示。

实施例2：如附图6所示本实施例提供了一种采用外置贴合式非本征法布里珀罗光纤传感器的测试平台，测试平台具体包括：外置贴合式非本征法布里珀罗光纤传感器7、压电陶瓷声发射传感器8、局放源9、变压器油箱10、数字示波器11、信号放大器12、光纤分光器13、光电转换器14、激光驱动光源15、耦合电容16、检测阻抗17和局放检测仪18；

所述局放源9置于变压器油箱10内，变压器油箱1o注入变压器油19，局放源9浸入变压器油中；压电陶瓷声发射传感器8与外置贴合式非本征法布里珀罗光纤传感器7固定于变压器油箱10两侧，且压电陶瓷声发射传感器8与外置贴合式非本征法布里珀罗光纤传感器7各自与局放源9的距离相等；局放源9的高压端与升压变压器高压引线相连，局放源9的接地端与油箱接地引线相连，压电陶瓷声发射传感器8与外置贴合式非本征法布里珀罗光纤传感器7各自的传感器信号输出端链接到同一台数字示波器11上进行抓取信号数据，压电陶瓷声发射传感器8与数字示波器11的信号输出路径上还设置有信号放大器12，外置贴合式非本征法布里珀罗光纤传感器7与数字示波器11的信号输出路径上还设置有光纤分光器13、光电转换器14，所述光纤分光器13的信号源为激光驱动光源15，所述高压端与升压变压器高压引线处并联有耦合电容16和检测阻抗17，并联电路上还电连接有局放检测仪18。

更为具体地：所述局放源9为板-板电极。

更为具体地：所述变压器油箱10与外置贴合式非本征法布里珀罗光纤传感器7的贴合面上涂抹有黄油或硅油。如此设置，使传感器面与变压器油箱更加紧密贴合。

本实施例通过搭建局放测试平台，使用外置贴合式非本征法布里珀罗光纤传感器和压电陶瓷声发射传感器对局放声信号进行联合检测，并对比测试结果。测试平台整体框图如图6所示。

测试平台所使用的局放源为板-板电极，将此电极浸入在盛满变压器油的油箱中，油箱尺寸为50cm*50cm*50cm(长宽高)。将压电陶瓷声发射传感器与外置贴合式非本征法布里珀罗光纤传感器固定于油箱两侧，使其各自与局放源的距离相等，以保证其各自接受到的局放超声信号都经过相同的声衰减路劲。板-板电极高压端与升压变压器高压引线相连，接地端与油箱接地引线相连，两支传感器信号输出端链接到同一台示波器抓取信号数据。

测试时将高压端电压升至25kv，板-板电极出现局放现象并伴随有超声信号产生。此时通过数字示波器读取到两支传感器接收到的局放超声信号，并对外置贴合式非本征法布里珀罗光纤传感器进行快速傅里叶变化，通过对两支传感器抓取的信号分析可知，外置贴合式传感器，能够较好的检测局放超声信号。

对于已经投产的大型电力变压器进行局放在线监测时，可直接将传感器贴合在变压器油箱外壁上，贴合面涂抹适量的黄油或硅油，使传感器面与变压器面更加紧密贴合。根据变压器时间尺寸的大小，可适当布置多个传感器在不同位置，实现对变压器局放的有效监测，并且多支传感器也可以对变压器局放点进行有效定位。对于正在生产中的变压器，此安装方法同样适用，并且可以根据实际情况预留出更加理想的安装位置。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。