一种共路径光纤超声传感系统频率响应校验方法和系统与流程

1.本发明涉及电力设备局部放电测试技术领域，尤其涉及一种共路径光纤超声传感系统频率响应校验方法和系统。


背景技术：

2.随着光纤传感技术在电力系统监测中获得了广泛应用，利用光纤测量局部放电超声也受到了广泛关注。光纤作为绝缘材料，可内置入电力设备中，如电力电缆接头屏蔽层内部，相比传统超声检测所用的压电陶瓷传感器更加接近信号源，因此接收到的信号所受的衰减以及色散也就越少。
3.光纤干涉仪目前仍是光纤传感中灵敏度最高的方法，利用光纤干涉仪测量局部放电超声目前也取得了良好的效果。共路径光纤干涉传感系统是一种混合式的光纤干涉传感系统，它通过光纤光栅对激光波长的选择性反射，将两个光纤干涉仪混合搭建在一起，一路干涉仪作为参考干涉仪探测外界环境对传输回路带来的低频扰动，对干涉仪进行实时补偿，另一路干涉仪作为测量干涉仪用于测量待测物理量。
4.由单模sagnac光纤干涉仪与多模speckle光纤干涉仪混合搭建成的共路径光纤传感系统，用于测量电力设备局部放电超声信号，其干涉的光在空间上行经了相似的路径，因此，当光纤被低频信号扰动时，其对互相干涉的光波产生的扰动效应可以相互抵消，从而达到了抑制低频信号的特性。为了得到共路径光纤超声传感系统的频率响应，通常会利用压电陶瓷作为参考来间接校验光纤传感系统的频率响应，然而存在的问题是，由于光纤传感系统与压电陶瓷传感系统属于不同类型的传感系统，无法简单通过对比信号幅值来进行频率响应校验。因此，本发明中提供了一种共路径光纤超声传感系统频率响应校验方法和系统，用于解决现有技术中利用压电陶瓷传感系统作为参考系统无法实现共路径光纤超声传感系统的频率响应测试的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种共路径光纤超声传感系统频率响应校验方法和系统，用于解决现有技术中利用压电陶瓷传感系统作为参考系统无法实现共路径光纤超声传感系统的频率响应测试的技术问题。
6.有鉴于此，本发明第一方面提供了共路径光纤超声传感系统频率响应校验方法，包括：
7.搭建用以校验共路径光纤超声传感系统频率响应的局部放电声模拟平台，局部放电声模拟平台包括参考传感系统和共路径光纤超声传感系统，参考传感系统为压电陶瓷传感系统；
8.获取参考传感系统和共路径光纤超声传感系统在单位信噪比下声源所施加的电压，得到参考传感系统对应的第一电压和共路径光纤超声传感系统对应的第二电压；
9.根据第一电压、第二电压和参考传感系统的频率响应，根据预置公式计算共路径
光纤超声传感系统的频率响应，预置公式计为：
[0010][0011]
其中，α
res2
(f)为共路径光纤超声传感系统的频率响应，α
res1
(f)为参考传感系统的频率响应，v
1source min
(f)为参考传感系统对应的第一电压，v
2source min
(f)为共路径光纤超声传感系统对应的第二电压。
[0012]
可选地，参考传感系统为r15α压电陶瓷传感系统。
[0013]
可选地，共路径光纤超声传感系统为sagnac单模光纤传感系统。
[0014]
可选地，共路径光纤超声传感系统为speckle多模光纤传感系统。
[0015]
可选地，参考传感系统包括压电陶瓷传感器、声源、放大器、斩波器、第一函数发生器、前置放大器和示波器；
[0016]
第一函数发生器与斩波器连接，斩波器与放大器连接，放大器与声源连接，压电陶瓷传感器与前置放大器连接，前置放大器与示波器连接；
[0017]
共路径光纤超声传感系统包括第二函数发生器、延迟光纤、光纤耦合器、调相器、光源、光电探测器和示波器；
[0018]
光源与光纤耦合器的输入端连接，光电探测器一端与光纤耦合器的反射输出端连接，另一端与示波器连接，第二函数发生器与调相器连接，调相器一端与光纤传感器连接，另一端与光纤耦合器的第一光路连接，光纤传感器与延迟光纤连接，延迟光纤与光纤耦合器的第二光路连接。
[0019]
本发明第二方面提供了一种共路径光纤超声传感系统频率响应校验系统，包括用以校验共路径光纤超声传感系统频率响应的局部放电声模拟平台、获取单元和频率响应校验单元；
[0020]
局部放电声模拟平台包括参考传感系统和共路径光纤超声传感系统，参考传感系统为压电陶瓷传感系统；
[0021]
获取单元，用于获取参考传感系统和共路径光纤超声传感系统在单位信噪比下声源所施加的电压，得到参考传感系统对应的第一电压和共路径光纤超声传感系统对应的第二电压；
[0022]
频率响应校验单元，用于根据第一电压、第二电压和参考传感系统的频率响应，根据预置公式计算共路径光纤超声传感系统的频率响应，预置公式计为：
[0023][0024]
其中，α
res2
(f)为共路径光纤超声传感系统的频率响应，α
res1
(f)为参考传感系统的频率响应，v
1source min
(f)为参考传感系统对应的第一电压，v
2source min
(f)为共路径光纤超声传感系统对应的第二电压。
[0025]
可选地，参考传感系统为r15α压电陶瓷传感系统。
[0026]
可选地，共路径光纤超声传感系统为sagnac单模光纤传感系统。
[0027]
可选地，共路径光纤超声传感系统为speckle多模光纤传感系统。
[0028]
可选地，参考传感系统包括压电陶瓷传感器、声源、放大器、斩波器、第一函数发生器、前置放大器和示波器；
[0029]
第一函数发生器与斩波器连接，斩波器与放大器连接，放大器与声源连接，压电陶瓷传感器与前置放大器连接，前置放大器与示波器连接；
[0030]
共路径光纤超声传感系统包括第二函数发生器、延迟光纤、光纤耦合器、调相器、光源、光电探测器和示波器；
[0031]
光源与光纤耦合器的输入端连接，光电探测器一端与光纤耦合器的反射输出端连接，另一端与示波器连接，第二函数发生器与调相器连接，调相器一端与光纤传感器连接，另一端与光纤耦合器的第一光路连接，光纤传感器与延迟光纤连接，延迟光纤与光纤耦合器的第二光路连接。
[0032]
从以上技术方案可以看出，本发明提供的共路径光纤超声传感系统频率响应校验方法和系统具有以下优点：
[0033]
本发明提供的共路径光纤超声传感系统频率响应校验方法和系统，通过测量参考传感系统和共路径光纤超声传感系统单位信噪比时声源所施加的电压，将参考传感系统对应的第一电压和共路径光纤超声传感系统对应的第二电压相除，再乘以参考传感系统的频率响应，即可得到共路径光纤超声传感系统的频率响应，以信噪比为影响因素来校验共路径光纤超声传感系统的频率响应，避免了因压电陶瓷传感系统和光纤传感系统属于不同类型的传感系统存在的无法简单通过对比信号幅值来校验光纤传感系统的频率响应的问题，解决了现有技术中利用压电陶瓷传感系统作为参考系统无法实现共路径光纤超声传感系统的频率响应测试的技术问题。
附图说明
[0034]
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0035]
图1为本发明中提供的一种共路径光纤超声传感系统频率响应校验方法的流程示意图；
[0036]
图2为本发明中提供的用以校验共路径光纤超声传感系统频率响应的局部放电声模拟平台的结构示意图；
[0037]
图3为本发明中提供的sagnac单模光纤传感系统的频率响应校验结果示意图；
[0038]
图4为本发明中提供的speckle多模光纤传感系统的频率响应校验结果示意图；
[0039]
图5为本发明中提供的一种共路径光纤超声传感系统频率响应校验系统的结构示意图。
具体实施方式
[0040]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
为了便于理解，请参阅图1和图2，本发明中提供了一种共路径光纤超声传感系统
频率响应校验方法的实施例，包括：
[0042]
步骤101、搭建用以校验共路径光纤超声传感系统频率响应的局部放电声模拟平台，局部放电声模拟平台包括参考传感系统和共路径光纤超声传感系统，参考传感系统为压电陶瓷传感系统。
[0043]
需要说明的是，本发明中首先搭建用以校验共路径光纤超声传感系统频率响应的局部放电声模拟平台，该局部放电声模拟平台由参考传感系统和共路径光纤超声传感系统组成，参考传感系统为压电陶瓷传感系统。具体地，共路径光纤超声传感系统为speckle多模光纤传感系统或sagnac单模光纤传感系统。
[0044]
局部放电声模拟平台的系统结构示意图如图2所示，压电陶瓷传感系统作为参考传感系统，共路径光纤超声传感系统作为待测传感系统，参考传感系统包括压电陶瓷传感器、声源、放大器、斩波器、第一函数发生器、前置放大器和示波器，第一函数发生器与斩波器连接，斩波器与放大器连接，放大器与声源连接，压电陶瓷传感器与前置放大器连接，前置放大器与示波器连接。第一函数发生器生成正弦波信号，该正弦波信号输入到斩波电路中被斩波后来驱动声源发出具有特定频率的声脉冲信号。压电陶瓷传感器的输出信号连接到前置放大器，可为mistras前置放大器，放大倍数为60db。共路径光纤超声传感系统包括第二函数发生器、延迟光纤、光纤耦合器、调相器、光源、光电探测器和示波器，光源与光纤耦合器的输入端连接，光电探测器一端与光纤耦合器的反射输出端连接，另一端与示波器连接，第二函数发生器与调相器连接，调相器一端与光纤传感器连接，另一端与光纤耦合器的第一光路连接，光纤传感器与延迟光纤连接，延迟光纤与光纤耦合器的第二光路连接。在封闭的箱体内参考传感系统和待测传感系统同时感知声脉冲信号。
[0045]
步骤102、获取参考传感系统和共路径光纤超声传感系统在单位信噪比下声源所施加的电压，得到参考传感系统对应的第一电压和共路径光纤超声传感系统对应的第二电压。
[0046]
步骤103、根据第一电压、第二电压和参考传感系统的频率响应，根据预置公式计算共路径光纤超声传感系统的频率响应，预置公式计为：
[0047][0048]
其中，α
res2
(f)为共路径光纤超声传感系统的频率响应，α
res1
(f)为参考传感系统的频率响应，v
1source min
(f)为参考传感系统对应的第一电压，v
2source min
(f)为共路径光纤超声传感系统对应的第二电压。
[0049]
需要说明的是，假设声源发出的声信号功率为声频率f的函数p
emit
(f)，则传感系统接收到该信号后会有一信噪比，即两者有以下函数关系：
[0050][0051]
其中，v
signal
(f)为输出电信号，v
noise
(f)为噪声信号，p
emit
(f)为输入声信号。
[0052]
通过taylor级数将式(1)展开可得：
[0053]
[0054]
可以推断出上式k0(f)＝0，否则会出现当未有任何信号发出时，传感系统的信噪比不为零，若传感系统工作在线性区，则等式(2)可简化为：
[0055][0056]
其中，v
signal
(f)、k1(f)和均p
emit
(f)是声频率的函数，显然k1(f)越大则相同声信号下传感系统的信噪比越高，也即灵敏度越大。
[0057]
由于所测电信号与声信号存在比例关系，则等式(3)可写为：
[0058][0059]
其中，α
res
(f)为频率响应。
[0060]
等式(4)中的α
res
(f)是待求的，将等式(4)进一步简化可得：
[0061][0062]
灵敏度k1(f)等于单位信噪比时声源幅值的倒数，而声源幅值与加在上面的电压v
source
(f)有以下关系：
[0063]
p
emit
(f)＝β
source
(f)v
source
(f)
ꢀꢀꢀ
(6)
[0064]
其中，β
source
(f)为信号源声压传递函数。
[0065]
对于参考传感系统和待测传感系统，可分别得到以下关系：
[0066][0067][0068]
其中，p
1emit min
(f)为信号等于噪声水平时参考传感系统声源输出声压的幅值，p
2emit min
(f)为信号等于噪声水平时待测传感系统声源输出声压的幅值，v
1source min
(f)为信号等于噪声水平时参考传感系统声源上所加的电压，v
2source min
(f)为信号等于噪声水平时待测传感系统声源上所加的电压，α
res1
(f)为参考传感系统的频率响应，α
res2
(f)为待测传感系统的频率响应。
[0069]
将等式(7)和等式(8)相除，可得：
[0070][0071]
因此，根据等式(9)可得计算待测传感系统的频率响应的计算公式，如式(10)所示：
[0072][0073]
因此，只要测量参考传感系统和共路径光纤超声传感系统在单位信噪比下声源所施加的电压即可根据等式(10)计算获得共路径光纤超声传感系统的频率响应曲线。
[0074]
为进一步体现本发明提供的共路径光纤超声传感系统频率响应校验方法的效果，
请参阅图3至图4，图3为sagnac单模光纤传感系统的频率响应校验结果，图4为speckle多模光纤传感系统的频率响应校验结果。从图3和图4的结果中可以看出sagnac光纤传感系统和peckle多模光纤传感系统具有选通特性的频率响特性，实验结果和理论曲线是趋于一致的，且90
°
入射角的声波场景下的趋势最为接近，验证了利用信噪比校验sagnac超声传感系统和peckle多模光纤传感系统的频率响应的方法的合理性。
[0075]
本发明提供的共路径光纤超声传感系统频率响应校验方法，通过测量参考传感系统和共路径光纤超声传感系统单位信噪比时声源所施加的电压，将参考传感系统对应的第一电压和共路径光纤超声传感系统对应的第二电压相除，再乘以参考传感系统的频率响应，即可得到共路径光纤超声传感系统的频率响应，以信噪比为影响因素来校验共路径光纤超声传感系统的频率响应，避免了因压电陶瓷传感系统和光纤传感系统属于不同类型的传感系统存在的无法简单通过对比信号幅值来校验光纤传感系统的频率响应的问题，解决了现有技术中利用压电陶瓷传感系统作为参考系统无法实现共路径光纤超声传感系统的频率响应测试的技术问题。
[0076]
为了便于理解，请参阅图5和图2，本发明中提供了一种共路径光纤超声传感系统频率响应校验系统的实施例，包括用以校验共路径光纤超声传感系统频率响应的局部放电声模拟平台100、获取单元200和频率响应校验单元300；
[0077]
局部放电声模拟平台100包括参考传感系统和共路径光纤超声传感系统，参考传感系统为压电陶瓷传感系统；
[0078]
获取单元200，用于获取参考传感系统和共路径光纤超声传感系统在单位信噪比下声源所施加的电压，得到参考传感系统对应的第一电压和共路径光纤超声传感系统对应的第二电压；
[0079]
频率响应校验单元300，用于根据第一电压、第二电压和参考传感系统的频率响应，根据预置公式计算共路径光纤超声传感系统的频率响应，预置公式计为：
[0080][0081]
其中，α
res2
(f)为共路径光纤超声传感系统的频率响应，α
res1
(f)为参考传感系统的频率响应，v
1source min
(f)为参考传感系统对应的第一电压，v
2source min
(f)为共路径光纤超声传感系统对应的第二电压。
[0082]
参考传感系统包括压电陶瓷传感器、声源、放大器、斩波器、第一函数发生器、前置放大器和示波器；
[0083]
第一函数发生器与斩波器连接，斩波器与放大器连接，放大器与声源连接，压电陶瓷传感器与前置放大器连接，前置放大器与示波器连接；
[0084]
共路径光纤超声传感系统包括第二函数发生器、延迟光纤、光纤耦合器、调相器、光源、光电探测器和示波器；
[0085]
光源与光纤耦合器的输入端连接，光电探测器一端与光纤耦合器的反射输出端连接，另一端与示波器连接，第二函数发生器与调相器连接，调相器一端与光纤传感器连接，另一端与光纤耦合器的第一光路连接，光纤传感器与延迟光纤连接，延迟光纤与光纤耦合器的第二光路连接。
[0086]
参考传感系统为r15α压电陶瓷传感系统，共路径光纤超声传感系统为sagnac单模
光纤传感系统或speckle多模光纤传感系统。
[0087]
本发明提供的共路径光纤超声传感系统频率响应校验系统，通过测量参考传感系统和共路径光纤超声传感系统单位信噪比时声源所施加的电压，将参考传感系统对应的第一电压和共路径光纤超声传感系统对应的第二电压相除，再乘以参考传感系统的频率响应，即可得到共路径光纤超声传感系统的频率响应，以信噪比为影响因素来校验共路径光纤超声传感系统的频率响应，避免了因压电陶瓷传感系统和光纤传感系统属于不同类型的传感系统存在的无法简单通过对比信号幅值来校验光纤传感系统的频率响应的问题，解决了现有技术中利用压电陶瓷传感系统作为参考系统无法实现共路径光纤超声传感系统的频率响应测试的技术问题。
[0088]
本发明实施例提供的共路径光纤超声传感系统频率响应校验系统和设备，用于执行前述共路径光纤超声传感系统频率响应校验方法实施例中的共路径光纤超声传感系统频率响应校验方法，其原理与前述共路径光纤超声传感系统频率响应校验方法实施例中的共路径光纤超声传感系统频率响应校验方法相同，在此不再进行赘述。
[0089]
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。