子午工程二期宽频地磁波监测仪研制

地球的磁层中存在各种波现象,其频率从mHz延伸到数千Hz.这些波的研究一直是空间物理学研究的核心问题.针对目前世界上地磁台站的波监测设备均为各自测量相对变化、缺乏统一标定、无法进行从高纬到低纬联合观测、无法进行多台设备观测数据的统一对比研究的现状,本文综合使用磁阻传感器(探测ULF频段:1 mHz~2 Hz)、巨磁感抗传感器(探测ELF频段:0.2 Hz~2 kHz)和线圈传感器(探测VLF频段:0.2 kHz~10 kHz)研制新一代的宽频地磁波监测仪,将这些监测仪放置在120°E子午链附近的黑龙江漠河站(高纬)、北京十三陵站(中纬)、海南乐东站(低纬)等典型区域的地磁台站上,并对各个台站的设备进行统一的时间、振幅和频率标定,结合FY-3E、SMILE等近地空间卫星数据,全面提升对地球磁层的各种波现象的探测能力.研制的宽频地磁波监测仪的性能测试实验表明,其具有对一定频率(1 mHz~10 kHz)的波的探测能力;其幅度探测范围为:±65000 nT(ULF频段)、±1000 nT(ELF频段)、±100 pT(VLF频段);在量程范围内又具有较低的非线性误差:ULF频段≤0.0446%、ELF频段≤0.51%、VLF频段≤1.18%;噪声水平也较低:RMS(方均根)噪声≤0.5554 nT(ULF频段)、NPS(功率谱)噪声≤0.028 nT/√Hz(ELF频段)、NPS(功率谱)噪声≤0.24 pT/√Hz(VLF频段).所有这些特点使得所提出的宽频地磁波监测仪能够满足子午工程二期的波探测需求.

基于宽频带电流传感器的开关柜局部放电检测方法研究

开关柜局部放电信号的采集会受到噪声信号的影响,导致开关柜局部放电检测准确性较差,为此提出基于宽频带电流传感器的开关柜局部放电检测方法。该方法将宽频带电流传感器放置在开关柜的零序电流互感器处,采集宽频带电流,结合独立分量分析方法和经验模态分解方法,消除噪声信号对局部放电检测产生的影响,提取去噪后宽频带电流的集中度特征,将其输入更新后的高斯混合模型中,实现开关柜局部放电检测。实验结果表明:所提方法的电流检测误差在0.1 mA以内,错分率小于0.25%,放点检测耗时为23.5 s。证明了所提方法对开关柜局部放电检测的准确性及效率均较好,能够有效保障开关柜运行的安全稳定性。

微型宽频交流电场传感器设计及其电场无失真测量评价

电场信息是新型电力系统状态智能感知、信息深度融合的基础。电场测量需兼顾无失真、微型宽频、强稳定性、易集成等众多性能需求。针对新型电力系统数字化发展需求,对地线侵入造成的电场测量误差来源进行分析,提出了微型宽频交流电场传感器设计方案和电场无失真测量方法,开展了无失真电场传感器设计,并与微机电系统(microelectro mechanical systems,MEMS)和光学电场传感器进行了无失真测量效果对比。结果表明MEMS电场传感器向上偏移间隙中心2 cm时电场测量误差为13.2%,光学电场传感器的电场测量误差在3%左右。无失真电场传感器的测量误差均在2%左右,且不随传感器的偏移距离而增大或减小,实现了地线干扰的隔离效果,且电场无失真程度优于光学电场传感器。

架空输电线路隐患在线监测方案研究

随着行波法故障测距稳定性以及成熟性的不断提升,故障时刻行波信号中包含的其他信息正逐步被挖掘。从行波法故障测距角度出发,利用行波故障测距原理,结合宽频带传感器以及隐患预警系统算法判定输电线路中是否存在隐患放电情况,开发了一套架空输电线路隐患监测系统。该系统基本可实现架空输电线路的隐患预警,从而辅助输电线路现场运维人员进行故障排查,减小输电线路因隐患发展成故障跳闸。

基于宽频振动传感器的电力设备状态监测方法可行性分析

宽频振动信号包括1 Hz~20 kHz的低频振动信号和20~500 kHz的高频超声信号。近年来,利用振动信号对变压器、电容器、电抗器等电力设备进行状态检测的手段日益成熟,超声信号也可以很好地检测出电力设备中的局部放电并定位,均已有较为成熟的应用。文中提出了基于宽频振动传感器的电力设备状态监测方法,并使用该传感器同时测量了脉冲振动源的振动以及油纸绝缘针板电极局部放电的超声,借助仿真对超声时延进行了修正,对局部放电进行了识别,并与脉冲电流法所得结果进行了对比。结果表明,所提出的监测方法可以很好地监测到振动和超声,并实现局部放电的识别,该方法应用于电力设备状态监测是可行的。

瞬变/谐变一体化的大地电磁收发线圈设计

采用瞬变电磁法和谐变电磁法仪器观测地下空间数据并进行融合处理,能够提高探测成像能力,然而现有的瞬变电磁法和谐变电磁法仪器独立成套,必须配置多套仪器分次采集。设计了一种可满足瞬变/谐变两种模式使用的小型、大带宽、高灵敏度大地电磁收发线圈,为便携、浅层高分辨的瞬变/谐变一体化电磁探测系统开发奠定基础。首先,建立了空心线圈传感器等效电路模型,分析了线圈传感器的灵敏度和噪声特性,制作的传感器经过测试表明,在1125 Hz处,灵敏度为23.12 mV/nT,等效磁噪声9.27 pT/√Hz,传感器带宽1 Hz~100 kHz;然后,通过公式和有限元软件对传感线圈偏心放置时收发耦合进行了计算,确定了收发线圈组合的最佳耦合位置,计算和仿真结果与实际位置分别相差0.21%和0.17%,有效对消了发射磁场(一次场)。构建了时间域和频率域电磁法探测系统,测试表明,设计的瞬变/谐变一体化收发线圈能够满足时间域和频率域电磁法两种探测模式使用。

具有温度自补偿功能的宽频带光纤电场传感器

光纤电场传感器抗电磁干扰能力强、响应速度快,在电力设备运行状态和绝缘状况的监测领域有着广阔的应用前景。现有的光纤电场传感器由多个不同功能的分立光学器件组合而成,光路耦合对准困难、光功率损耗大、灵敏度低。此外,温度交叉敏感问题进一步限制了传感器的实际工程应用。为克服现有技术难题,提出一种以特种功能光纤取代分立光学器件,进而形成全光纤电场传感器的技术思路。传感器中的起偏器、检偏器、波片等功能器件均在光纤上实现,避免了分立元件之间对准、耦合等带来的传感器结构不稳定、性能低等问题。此外,通过双晶体正交级联光路结构的设计,赋予传感器温度自补偿功能,实现对温度交叉敏感的有效抑制。实验结果表明,传感器可同时对50 Hz低频电场和纳秒级脉冲电场进行有效捕获,环境温度变化给测量结果带来的误差仅为0.1%/℃。全光纤电场传感器结构简单、稳定性好、测量频带宽,在电力设备快速暂态过电压的测量方面有着重要的潜在应用价值。

远距离无线宽频振动传感器的设计与实现

设备安全性和稳定性在工业、交通和建筑领域至关重要,而设备振动监测为此类领域的故障诊断提供了关键信息.高频信号采集或远程故障诊断需要无线振动传感器具备较长的通信距离和较宽的频响范围,而现有的无线振动传感器往往不能满足这些需求.为了解决这一问题,采用WiFi通信协议和高带宽MEMS加速度传感器,设计并实现了一种远距离宽频无线振动传感器.通过无线通信效果验证和采样信号效果验证,表明所设计的传感器在不同距离下均可稳定传输数据,并对宽频振动信号具有良好的响应效果.设计的无线振动传感器可以同时满足设备故障诊断中的远距离监测和宽频振动信号采集的需求,为设备健康监测领域提供了一种新的解决方案.

流动宽频带地震计自噪声测试研究

分别采用双台地震计自噪声互相关分析法（以下简称“Holcomb双台法”）和3台地震计白噪声互相关分析法（以下简称“Sleeman多台法”）对CMG-3T、BBVS-120、STS-2型流动宽频带地震计进行自噪声测试研究。结果表明：Sleeman多台法因有效地规避了传递函数引起的误差，在处理流动宽频带地震计实际记录数据方面比Holcomb双台法更能有效地滤除背景噪声；在简单测试条件下，3种常用流动地震计的自噪声在0．06～1Hz频带内均低于NLNM曲线，显示了相当好的噪声性能指标；在流动台阵观测过程中，地震计方位准确性以及地震计的保温防护措施是保证发挥仪器性能的重要因素。

测量快速暂态过电压的宽带预埋环传感器的研制

为解决现有测量快速暂态过电压(VFTO)的盆式绝缘子预埋环传感器带宽较窄(2MHz)的问题,研制出带宽较宽的预埋环传感器,以传感器的等效电路为基础,分析了影响传感器测量带宽的主要因素,提出了提高带宽的多种措施,最终研制出了一种±3dB带宽为10Hz～16MHz的宽带预埋环VFTO传感器。应用该传感器对750kV官亭变电站GIS内特定情况下的VFTO进行了测量,测到的VFTO最大值为947kV(标幺值为1.45),最大陡度为5.3kV/ns,主要频率成分为430kHz和3MHz。研究结果表明,通过减小传感器寄生电感因素、合理选择传感器电容,可以设计出带宽更宽的预埋环式传感器,使得其可以适应一定条件下对VFTO的测量。

宽频带窗口式VFTO测量传感器研究

针对武汉特高压实验基地1 100kV特高压GIS实验回路,设计了一宽频带窗口式快速暂态过电压(VFTO)测量传感器,以准确测量其隔离开关操作引起的VFTO。该传感器基于电容分压器的原理,低压臂为平板式薄膜电容,高压臂为GIS导杆与低压电极的分布电容。研究表明,该传感器不仅能较好地响应50Hz工频信号,而且能够准确测量纳秒级的快速信号。实测结果表明,在该1 100kV特高压GIS实验回路下,隔离开关操作产生的VFTO上升时间约为10ns,基本振荡频率为563kHz、1.37MHz,并叠加了7.8MHz和13.2MHz的高频振荡。

基于DSP的骨质疏松症定量超声检测技术研究

根据骨质疏松症定量超声关键参数的检测原理,研制单晶片、非聚焦的收发两用超声传感器,采用脉冲透射方法,研究以DSP为核心的定量超声关键参数检测技术,解决超声波信号在骨骼中衰减前后的数据高速采集,以及信号的同步发送与接收问题,利用DSP在线高速处理特点,对采集的波形数据进行数字滤波、FFT变换及互相关处理,实现宽带超声衰减参数BUA和超声传播速度参数SOS的在线检测。通过对人体在体检测,表明该技术能实现人体骨密度超声参数的有效检测。

极低频/超低频/甚低频宽带磁传感器技术研究

分析了极低频/超低频/甚低频(ELF/SLF/VLF)宽带磁传感器的工作原理,解决了磁天线低噪声、放大器低噪声、传感系数标校等关键技术问题,研制了ELF/SLF/VLF宽带磁传感器的样机并对其幅度特性、相位特性进行了测试,测试结果表明:设备性能达到了预期研究目标。

基于二阶锥的扩展式矢量阵宽带恒定束宽稳健性设计

提出基于二阶锥的低频八臂扩展式矢量阵宽带恒定束宽波束形成设计方法。利用矢量传感器组合特点,采用二阶锥方法设计满足稳健性要求的低旁瓣期望波束,然后利用二阶锥设计满足期望波束的宽带恒定束宽波束。较好地解决了波束稳健性、低旁瓣和恒定束宽问题,仿真分析表明,对于基阵位置误差,该宽带波束形成器具备了稳健性、低旁瓣和宽带恒定束宽等特性。

地震传感器的新技术与发展

宽频带、大动态、低噪声、低功耗、便携式、高度智能化是地球物理观测技术的发展趋势.本文简要回顾了地震传感器的发展,详细介绍了几种设计先进、性能优越、基于不同换能机理的新型地震传感器.这些传感器有些已经有原理样机,有些还处于概念设计中,它们将是未来宽频带地震仪技术发展的主要方向.

一种新型变栅距闪耀光栅位移传感器测试系统

针对变栅距光栅线位移传感器的不足,提出一种新型传感器测试系统。采用的自主研制的宽带LED光源体积小、效率高,是光位移传感器较为理想的宽带光源;传感器本体使用了变栅距闪耀光栅与套筒式运行机构;信号处理由色敏解调器与数字信号处理器(DSP)完成,制作了新型测试系统样机并进行测试,符合飞行控制系统一般测试精度要求,提高了测试系统的动态特性,实现了小型化、工程化。

基于方形骨架的宽频雷击电流传感器理论研究与实验

通过对国家标准中标准雷击电流波形特性进行准确检测的要求,设计了方形和圆形2种结构参数不同的罗氏线圈。在深入分析和计算线圈测量原理的基础上,结合测量的动态特性进行了仿真和实验研究,可知方形和圆形骨架的罗氏线圈测得的电流频率范围分别为50Hz^394MHz和743Hz^394MHz,线圈骨架方形和圆形所测得的灵敏度分别为117mV/kA和111.3mV/kA,根据实际测试结果显示,所设计的2种线圈可测量各类快速变化的大幅值雷击电流,并具有较好的灵敏度和线性度。同时,对这2种结构形式不同的线圈设计的参数进行对比分析得知,方形骨架线圈比圆形骨架的测量误差小,方形骨架所测得的电流频率更宽。

适用于色敏解调的光位移传感器宽带LED

为保证光位移传感器的工作性能,输入光源在500～800nm波长范围内需具有较高的光谱能量,照明用LED波长在700nm以上光谱能量陡降,限制了传感器的工作范围.针对照明用LED光谱能量不足的问题,研制出适用于色敏解调光位移传感器的宽带LED光源.首先利用单色仪对光位移传感器色敏元件WS7.56的性能进行了测试,依据色敏解调结果提出了光位移传感器正常工作所需的输入光源的光谱能量阈值.在照明用LED光谱特性基础上,配比掺杂氮氧化物红色荧光粉提升LED红光及近红外光光谱能量,得到了满足输入光源光谱能量阈值的宽带LED.最后,对该宽带LED光位移传感器进行了位移测量实验,实验结果较使用照明用LED光源有明显改善,位移解调线性度良好.本文研制的宽带LED光源体积小、效率高,是光位移传感器较为理想的宽带光源.

用于感应式磁传感器低噪声前置放大器的研制

感应式磁传感器是频率域电磁法(FEM)中使用最广泛的磁传感器,通常由感应线圈和前置放大器组成,其中前置放大电路是影响磁感应式磁传感器性能指标的核心因素。为了增加感应式磁传感器探测深度和微弱磁场信号的能力,要求前置放大电路具有宽频带和低噪声等性能。基于磁通负反馈的原理设计并研制了斩波前置放大器,有效抑制了感应线圈的输出噪声,使感应线圈谐振频率两侧具有平坦的幅频特性曲线,拓宽了感应式传感器的响应频带。在屏蔽室内对斩波前置放大器的性能指标进行了测试,其频带范围为0.001Hz^10 k Hz,输入噪声为槡3.75 n V/Hz,为感应式磁传感器在实际中的应用提供了性能保障。

煤矿巷道顶板离层结构健康监测系统设计

针对现有煤矿巷道顶板离层监测主要采用机械式顶板离层仪,存在观测不方便、误差比较大、数据实时性差等问题,设计了煤矿巷道顶板离层结构健康监测系统。该系统通过光纤位移传感器自动测量巷道顶板离层的位移状况,采用计算机监测巷道顶板离层结构的应变、位移等参数,评价离层结构的安全性,进而维护结构的健康。实际应用表明,该系统具有实时观测、误差小、效率高等优点。