内置于变压器压强平衡光纤EFPI传感器的信号衰减研究

光纤EFPI超声传感器是基于Fabry-Pérot光学干涉原理来检测局放超声信号,具有灵敏度高、抗电磁干扰等优点,广泛应用于电气设备局部放电的检测。应用压强平衡光纤EFPI超声传感器在变压器内部测局部放电时,相对于在空气中测量,存在信号的幅值有较大衰减、传感器的灵敏度会降低的情况。本文研究了检测变压器中局放超声信号的内置式光纤EFPI超声传感器的信号衰减情况,并基于有限元法对光信号在F-P腔体的传播特性进行了仿真。通过仿真和实验确认了内置式传感器光纤端面的光反射率,论证了光在F-P腔的损耗。

基于FFT和复域相关的光纤EFPI压力传感器多腔长解调方法

为实现高温光纤压力传感器的温度补偿,将基于高斯拟合FFT算法与复域相关算法结合,提出一种多腔解调方法。算法首先采用基于高斯拟合的FFT算法,粗解算出各腔的大致腔长,再利用复域相关算法在小范围内解调出各个腔长的精确值。方法降低对FFT解调精度要求,并缩小相关解调算法中的虚拟腔长范围,提高解调精度和效率。最后以初始腔长为50μm、110μm和250μm进行仿真验证,算法解调精度优于10nm,证明了多腔长解调算法的有效性和准确性。

一种用于高压电气设备局放超声检测的新型EFPI传感器

文章介绍了一种新型结构的光纤EFPI超声传感器,可内置于变压器、GIS等高压电气设备,这种新型结构的光纤EFPI超声传感器可在不同温度、不同压强条件下,进行局部放电超声信号的检测。新型传感器采用全石英焊接工艺,在F-P腔上开孔,使绝缘介质进入F-P腔,平衡了石英膜片两侧由于温度和绝缘介质密度不同产生的压强差,并在石英膜片内表面上局部镀铝膜,提高膜片内表面的光反射率,提升了传感器的灵敏度。通过用新型传感器在不同温度、不同距离下进行测试,验证了传感器的温度、频率、灵敏度等性能。新型光纤EFPI超声传感器为检测高压电气设备内部局部放电提供了一种新的检测方法。实际应用中也取得了非常好的效果。

弯曲力矩对EFPI光纤传感器输出应变的影响

为了确定弯曲力矩对EFPI光纤传感器输出的影响,制作了将光纤传感器埋入其中间层的复合板试件,并对试件进行三点弯曲试验,得到了弯曲力矩与光纤传感器输出应变之间的关系。随后,用显微镜对复合板的横截面进行观察,确定光纤传感器的埋入位置。对光纤传感器的埋入位置偏离复合板中间层的试件,运用有限元应变分析法(FEM)计算其应变值。实验结果表明,当光纤传感器的埋入位置偏离复合板中间层时,光纤传感器的应变大于计算值,说明弯曲力矩影响光纤传感器的测试性能。

基于Lissajous曲线拟合的EFPI光纤传感器腔长解调

为提高非本征光纤珐珀传感器(Extrinsic Fabry-Perot Interferometric,EFPI)腔长解调的精度,基于EFPI传感器反射光谱近似余弦函数的特性,设计了一种基于李萨如图形(Lissajous-Figure)与标准形式椭圆曲线拟合的解调方法。将两组光强信号经过坐标变换拟合为标准椭圆曲线,以减少求解参数;并通过经验模态分解对数据进行分析,去余项后将得到的极值点代入椭圆曲线求解。将离散数据点分别移动5、10、15、20、25个点测试五组不同相移对解调结果的影响并选取其中误差最小的一组对EFPI传感器进行横向负载实验,分别施加5~25 N的应力,通过拟合椭圆曲线的解调方法将计算腔长差与理论腔长差相对比。结果表明,实际腔长差随负载成正比,平均误差值为5.690%左右,可以准确获取EFPI的腔长。

基于MEMS声敏结构的光纤声波传感器

基于微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)工艺加工声波敏感结构,将声波敏感结构与光纤端面构成非本征型光纤法布里-珀罗干涉仪(Extrinsic Fabry-Perot Interferometer,EFPI)感知声波。研究了不同厚度和不同增敏环数的声压敏感薄膜结构对声波探测性能的差异,对比了信噪比测试结果。实验结果表明,针对400 nm和1000 nm厚度的声敏薄膜,在相同的测试条件下,前者的声敏结构位移更大、频率响应的信噪比更高。在相同薄膜厚度条件下,具有增敏结构的MEMS薄膜可以释放薄膜的初始应力,降低薄膜的刚性,相比无增敏结构的MEMS薄膜具有更高的灵敏度。

温度自补偿高灵敏度非本征光纤珐珀横向负载传感器

为了提高光纤EFPI传感器的灵敏度,提出了一种新型EFPI传感结构,并对其温度特性以及横向负载特性进行了研究。首先,介绍了采用端面镀钯金膜的光纤EFPI传感器的结构及其制作方法;接着,建立了镀钯金膜光纤EFPI的温度传感模型,并通过Solidworks、Hypermesh与有限元分析软件ANSYS联合仿真,对它在不同受压力下进行理论模拟,获得了腔长变化与压力之间的关系;最后,对传统的光纤EFPI与镀钯金膜光纤EFPI的温度和横向负载特性进行了对比试验。试验结果表明,镀钯金膜光纤EFPI的温度灵敏度为6.083pm/℃,具有温度自补偿特性;它对横向负载的检测灵敏度可达40.83m/g,相对于传统的光纤EFPI横向负载的灵敏度提高了2.10倍。实验结果与理论分析相符合,为实际制作具有温度自补偿的高灵敏度光纤EFPI传感器提供了理论与实验依据。

环氧树脂封装的EFPI-FBG复合压力温度传感器

为了实现对液压管路中液压油的压力和温度检测,研制了一种EFPI-FBG复合压力温度传感器。对该传感器的压力特性以及温度特性进行研究。首先,介绍了以光纤F-P腔和光纤光栅为敏感元件,利用环氧树脂将EFPI-FBG复合结构经过封装保护构成压力温度传感器结构以及制作方法。接着,建立了压力温度传感模型,对传感器受力进行了理论分析,并使用Matlab和有限元软件分析传感器的压力灵敏度和温度灵敏度。最后对传感器进行压力和温度实验验证。实验结果表明,该传感器的压力灵敏度为2.83μm/MPa,温度灵敏度为1.97μm/℃,温度监测范围为10~80℃,应用于压力测量时的有效工作温度为20~65℃。此EFPI-FBG复合压力温度传感器具有良好的线性度,较小的回程误差,灵敏度高,抗震性能好,可用于液压管路中液压油的压力和温度测量。

基于EFPI光纤传感器的算法对比研究

为研究非本征法布里珀罗干涉仪(EFPI)光纤传感器的算法解调效果,基于波分复用技术设计和实现三波长相位解调算法、三波长自适应强度解调算法两种解调方案。实验测得EFPI光纤传感器解调系统中三波长相位解调算法的声压灵敏度为899.88 mV/Pa(1 kHz),信噪比为75.5 dB(1 kHz),线性拟合系数为0.994;三波长自适应强度解调算法的声压灵敏度较高为1106 mV/Pa(1 kHz),信噪比为67.5 dB(1 kHz),线性拟合系数为0.961。对比两种解调算法的特性,数据客观呈现解调结果,为EFPI光纤传感器音频解调系统在不同场景下的应用提供了算法选择方案。

基于EFPI传感器的变压器套管局放检测

变压器套管是变压器的重要附件之一,局部放电现象是导致套管发生绝缘类故障的主要原因,对其进行局部放电检测有利于提高电网运行的安全稳定性。针对现有套管局放检测方法检测灵敏度低、抗电磁干扰能力差等问题。本研究提出了一种基于光纤EFPI传感器的变压器套管局部放电检测方法。设计并制作了能够伸入变压器套管内部及变压器升高座内部的光纤EFPI传感器。搭建套管局放检测实验平台,对含有4类典型缺陷的套管进行局放检测实验,对比分析了EFPI传感器与其他传统的局放检测传感器对套管内外部放电的检测效果,证明了利用EFPI传感器进行套管局放检测的可行性和优越性,有一定的工程意义。

基于GCC-MSSA的变压器局放超声内部定位方法

变压器绕组因绝缘故障引发的局部放电危害着电力系统的安全运行,而目前针对局部放电的超声波外置检测方法受噪声干扰、传播介质等因素影响较大,故本文在变压器绕组中内置8个传感器内部检测局放产生的超声波信号。由于检测到的信号直接测量法不能反应实际的时延信息,以及传统智能算法定位精度低稳定性差,本文提出了一种广义互相关法(GCC)和混合策略麻雀算法(MSSA)相结合的超声定位方法。在COMSOL中搭建变压器绕组模型并仿真局放现象,通过GCC算法提取出精确的时延信息。根据时差信息建立超声定位的最优化约束方程,用MSSA算法求解得到局放源的位置信息。仿真结果显示,MSSA算法相较于其他传统智能算法定位误差更小。最后使用一种新型EFPI超声传感器进行变压器绕组局放实验,结果显示本文提出的方法定位平均误差为4 cm,比仿真的局放点大2.9 cm,具有工程应用实际价值。

油中绝缘纸和铝箔对局放超声信号传播的影响

变压器套管是变压器的重要附件。油纸绝缘型套管中的电容芯子由多层绝缘纸和铝箔紧密缠绕所制,该结构对局放超声信号的传播存在一定影响,因而分析油中绝缘纸和铝箔对局放超声信号参数传播的影响可以为利用光纤EFPI传感器对套管内部局放检测提供理论基础。本文采用有限元分析方法,对油中局放超声信号经过铝箔传播的二维模型进行仿真,并搭建了EFPI光纤局放检测系统,对局放超声信号经过铝箔,绝缘纸以及绝缘纸和铝箔组合时所产生的衰减进行了量化分析,将试验结果及实际套管尺寸进行对比分析,验证了利用光纤EFPI传感器对套管进行局放监测的可行性。

变压器绕组内部局放超声定位仿真及试验研究

应用有限元方法对变压器绕组内超声信号进行仿真,验证了在变压器绕组内布置多个超声传感器进行检测和定位的方案。设计了一种新型结构的EFPI光纤传感器,可适用于变压器绕组内部的局放检测和定位。最后在35kV变压器单相绕组中进行了传感器布置和局放定位试验。结果表明:该方法对变压器绕组中局放的定位精度在5cm以内,实现了变压器绕组内部局部放电的精确定位,为变压器绕组内部局放信号的检测和定位提供了一种新的方法。

EFPI光纤传感瓦斯浓度信号的小波降噪研究

非本征法布里-珀罗干涉(EFPI)光纤传感瓦斯是一种新型的检测技术,凭借其低成本、易复用、高灵敏度、抗干扰等特点的优势被广泛应用于各领域。由于采集得到的干涉光谱是非限带信号,利用低通滤波器无法对非限带信号进行去噪处理,选用小波变换,首先对光谱信号作层层小波分解,选取合理阈值滤除每层信号中高频成分,最后利用小波重构恢复去噪后的光谱信号。通过在线仿真,结果表明小波变换可以很好的实现干涉光谱信号的去噪,提高了整个光纤瓦斯传感系统的性能和稳定性。