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。

基于EFPI传感器的GIS局部放电模式识别研究

为了在复杂电磁环境中精准捕捉局部放电产生的微弱信号,设计了基于非本征法布里—帕罗干涉(EFPI)传感器的GIS局部放电模式识别方法。通过差分双波长光强强度比解调算法,粗解调EFPI传感器的腔长;利用复域相关算法,结合粗解调结果,精解调腔长,确定最终的EFPI传感器腔长,用于检测GIS设备的超声波信号;通过希尔伯特(Hilbert)变换GIS设备的超声波信号,得到Hilbert边际谱;利用2维—1维深度残差网络,提取Hilbert边际谱的特征,输出GIS局部放电模式识别结果。实验分析结果表明:该方法可有效确定EFPI传感器的腔长,采集GIS设备的超声波信号;得到GIS设备超声波信号的Hilbert边际谱;在复杂噪声环境下,该方法可精准识别GIS局部放电模式。

基于EFPI传感器的立体形阵列传感器对局放测向的仿真分析

局部放电超声阵列定位技术是将传感器阵列与阵列信号处理方法相结合。文章采用非本征法布里帕罗干涉(Extrinsic Fabry-Perot Interferometric,EFPI)的光纤超声传感器,其灵敏度高,不受电磁干扰的影响,并充分发挥EFPI传感器可放置于油中的优势,改进阵列结构。设计了4阵元EFPI超声传感器正四面体结构阵列,将其置于油箱内部检测局放超声信号,利用多信号分类算法(Multiple Signal Classification,MUSIC)对局放源进行测向,并与平面2×2阵列进行对比,针对阵元位置误差进行校正。结果表明该阵列传感器能够在油中检测到信噪比较高的局部放电信号,且较传统平面阵具有更高的测向准确度;尤其在阵列盲区方面,立体型阵列传感器可有效地实现空间多角度的信源测向。利用TCT算法对阵元位置误差进行校正,提高了测向精度,满足了实际工程需要。

基于光纤EFPI传感器的GIS局部放电研究

光纤(extrinsic fabry-perot interferometric,EFPI)传感器是基于Fabry-Perot光学干涉原理来检测局放超声信号的一种传感器,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。该文提出了一种采用内置式光纤EFPI传感器来检测GIS中局放超声信号的方法,利用有限元法对GIS内部SF6中超声信号的传播特性进行了仿真和试验研究。发现当超声信号经过第一个隔板式盆式绝缘子后,衰减度已经达到近90%,当GIS内采用支撑式盆式绝缘子时,局放超声信号的衰减情况则接近于其在单纯SF6气体内传播时的衰减情况。通过光纤EFPI传感器在GIS中距离检测特性的研究,发现不同距离的传感器所测到的局放信号幅值衰减由快到慢,与仿真中的信号衰减规律接近。通过对比光纤EFPI传感器和压电传感器的检测效果,证实光纤EFPI传感器的灵敏度明显高于压电传感器。

应用LPFG/EFPI集成式光纤传感器实现温度及应变的同时测量

叙述了基于LPFG/EFPI的集成式光纤传感器的结构、温度和应变同时测量的原理及实验 ,首次制作了该传感器并测试了其性能 实验结果表明温度精度为± 0 .5℃ ,应变精度为± 2 0 με 。

EFPI光纤传感器腔长解调方法研究

研究了非本征型法布里-珀罗干涉(EFPI)光纤传感器系统的传感原理和腔长解调方法,考虑到EFPI传感器的腔长解调精度会直接影响到传感系统的稳定性和测量精确性,提出了一种新的基于傅里叶变换的腔长解调方法。该方法利用傅里叶变换的频移性,有效地消除了快速傅里叶变换的栅栏效应,提高了傅里叶变换的精度。理论和实践证明,相比传统的快速傅里叶变换方法,这种利用傅里叶变换频移特性的方法的解调精度至少提高10倍。

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。

基于三波长强度解调的光纤EFPI解调系统

基于三波长正交的特性和强度解调的原理,设计搭建了一种针对EFPI(非本征型法布里-珀罗干涉型传感器)的解调系统。利用相位实时补偿的方式,该解调系统克服了传统强度解调中腔长解调范围受限的缺点,同时兼具解调速度快的优点。在瞬间释压实验中,结果表明该解调系统实现了腔长变化范围大于1μm的解调,且解调腔长精度达到0.01μm。在高频正弦电压驱动实验中,该系统可成功分辨频率为5 k Hz的信号,且解调精度为0.01μm。

基于EFPI传感器的GIS局部放电模式识别研究

非本征法布里-帕罗干涉(EFPI)光纤超声传感器可用于气体绝缘全封闭组合电器(GIS)内部的局部放电超声信号检测及模式识别研究,相较于传统的压电式传感器,具有灵敏度高、抗干扰能力强等优点。基于此,文中在充有0.4 MPa SF_(6)气体的GIS腔体内设置尖端、金属颗粒、悬浮和沿面4种典型的局部放电模型,创新性地利用EFPI传感器对放电超声信号进行检测,提取单次超声脉冲信号波形特征形成特征参数数据库,分别应用概率神经网络(PNN)算法和支持向量机(SVM)算法进行模式识别并比较分析。EFPI传感器检测到的超声信号特征突出,在提取特征参数的基础上,2种模式识别算法均能达到85%以上的平均识别率,且SVM的识别效果要优于PNN。

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EFPI光纤超声传感器的油中局部放电定位

非本征法布里帕罗干涉(extrinsic fabry-perot interferometric,EFPI)的光纤超声传感器灵敏度高,不受电磁干扰的影响,文中将其应用于油中局部放电定位。首先设计了2×2的EFPI超声传感器阵列,可放置在油中检测局放超声波信号;然后根据可控响应功率(steered response power,SRP)声源定位理论对局放源进行定位;最后应用SRP和多重信号分类(multiple signal classification, MUSIC)算法处理实验信号并进行对比。结果表明文中设计的EFPI传感器阵列能够在油中检测到信噪比较高的局部放电信号;SRP算法测向误差小于MUSIC算法,能够根据单次测量实现定位,但定位精度有待进一步提高。文中提出的方法对于EFPI光纤超声传感器在电气设备局部放电定位方面的实际应用具有参考意义。

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。

一种EFPI光纤压力传感器的结构分析及零点稳定性

介绍了一种基于法布里-珀罗干涉原理的EFPI光纤压力传感器。详细分析了这种光纤压力传感器的原理、结构和解调方法;讨论分析了材料、结构以及制作工艺对零点稳定性的影响;探讨了传感器内部热应力的分布以及消除方法。该结构传感器在经历-40℃和400℃的严酷温度考验后,零点漂移小于3 nm。

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。

基于EFPI传感器的SF6/N2混合气体GIS局放模式识别研究

非本征法布里帕罗干涉(Extrinsic Fabry-Perot Interferometer, EFPI)的光纤超声传感器具有灵敏度高、抗干扰能力强等优点,将其应用于以新型SF6/N2混合气体作为绝缘介质的GIS内部局部放电的模式识别中,这对于GIS绝缘状态评估具有重要意义。分别在充有0.4 MPa纯SF6气体、20% SF6/80% N2混合气体、纯N2气体的GIS腔体内设置了4种放电模型,在单次超声脉冲波形特征参数提取的基础上,利用支持向量机算法(Support Vector Machine, SVM)对局放超声信号进行了模式识别,三种绝缘气体环境下的识别正确率均能达到85%以上。由于SF6对超声波的强吸收效应,随着SF6气体浓度的升高,超声波的衰减更为严重,不同类型局部放电的识别正确率也随之降低。

Application of the Spectrum Peak Positioning Technology Based on BP Neural Network in Demodulation of Cavity Length of EFPI Fiber Optical Sensor

An Extrinsic Fabry-Perot Interferometric (EFPI) fiber optical sensor system is an online testing system for the gas density. The system achieves the measurement of gas density information mainly by demodulating the cavity length of EF- PI fiber optical sensor. There are many ways to achieve the demodulation of the cavity length. For shortcomings of the big intensity demodulation error and complex structure of phase demodulation, this paper proposes that BP neural net-work is used to locate the special peak points in normalized interference spectrum and combining the advantages of the unimodal and bimodal measurement achieves the demodulation of the cavity length. Through online simulation and actual measurement, the results show that the peak positioning technology based on BP neural network can not only achieve high-precision demodulation of the cavity length, but also achieve an absolute measurement of cavity length in large dynamic range.

高温光纤EFPI应变传感技术研究及应用

针对航天动力系统的高温极端工况结构应变测量问题,采用光学干涉精密测量技术,基于耐高温镀金光纤,设计了一种耐850℃高温的光纤EFPI应变传感器。通过仿真计算,对应变传递模型进行了分析和研究,提出了传感器灵敏度优化设计方法,并在此基础上完成了样机制备和试验测试。结果表明:该传感器具有良好的应变与温度响应重复性,通过搭载运载火箭发动机试车,获取了试车过程涡轮泵表面的应变信息,表明该传感器已具备工程应用能力。

基于EFPI光纤传感器的仿生耦合相位差放大

针对传统声测向阵传感器在恶劣环境和小尺寸条件下工作不稳定和失效的问题,提出了一种基于EFPI(Extrinsic Fabry-Perot Interferometer)光纤传感器的仿生耦合相位差放大技术。首先通过制作的双F-P腔光纤传感器实现对声音信号的动态解调,F-P腔设计时,不需要考虑初始腔长差对解调结果的影响;实验过程中测量的声音信号为5 kHz,解调后的功率谱与声音信号频率一致;然后在传统阵列测向的基础上,引入奥米亚棕蝇听觉耦合机制。实验过程中改变声波入射角度(由0°变为30°),两路信号的相位差被显著放大;耦合后的信号时延相较于原始信号可以放大到15倍,进而提高时延对波达方向角的灵敏度。

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。