1 動(dòng)態(tài)溫度及靜壓力變化對(duì)傳感器檢測(cè)性能的影響及解決方法

根據(jù)EFPI傳感器的原理可知，其檢測(cè)靈敏度受傳感器腔長(zhǎng)影響。當(dāng)傳感器在變壓器油中使用時(shí)，膜片受液體靜壓力作用發(fā)生形變，進(jìn)而改變傳感器腔長(zhǎng)，同時(shí)傳感器本體材料在自身線性熱膨脹作用下也會(huì)改變傳感器腔長(zhǎng)，腔長(zhǎng)改變后需要重新調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)以保障傳感器檢測(cè)靈敏度。在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器多數(shù)都處在動(dòng)態(tài)的溫度及壓力區(qū)域內(nèi)，嚴(yán)重影響了傳感器的穩(wěn)定性。

1）工作點(diǎn)動(dòng)態(tài)追蹤技術(shù)

利用工作點(diǎn)動(dòng)態(tài)追蹤系統(tǒng)可有效解決工作點(diǎn)漂移問(wèn)題，該系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1

放大自發(fā)輻射（Amplified Spontaneous Emission, ASE）寬帶光源發(fā)射出的光進(jìn)入隔離器，在經(jīng)隔離器入射到可調(diào)諧FP濾波器中成為窄帶光后進(jìn)入隔離器，窄帶光中心波長(zhǎng)由PZT驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行控制調(diào)節(jié)；窄帶光經(jīng)一分二耦合器1、2進(jìn)入到光譜儀和傳感器中，光電放大器通過(guò)耦合器2接收到由傳感器返回的光后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳入計(jì)算機(jī)中。

該系統(tǒng)的工作原理為通過(guò)可調(diào)諧窄帶光對(duì)傳感器進(jìn)行掃描，獲得傳感器實(shí)時(shí)干涉光譜對(duì)應(yīng)不同窄帶波長(zhǎng)的輸出電壓，對(duì)輸出電壓分析計(jì)算后確定傳感器最優(yōu)工作點(diǎn)，穩(wěn)定傳感器對(duì)局放超聲信號(hào)的檢測(cè)性能。

2）準(zhǔn)連續(xù)正交調(diào)頻技術(shù)

準(zhǔn)連續(xù)正交調(diào)頻技術(shù)同樣針對(duì)EFPI傳感器的正交強(qiáng)度解調(diào)系統(tǒng)，確保用于超聲信號(hào)檢測(cè)的EFPI傳感器檢測(cè)靈敏度不受靜壓力及溫度變化的影響。該技術(shù)的基本原理如圖2所示。通過(guò)MG-Y型激光器獲得四個(gè)連續(xù)且具有固定偏差（π/2）的光頻，并依托現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA）對(duì)光電探測(cè)器（Photoelectric Detector, PD）回饋信號(hào)進(jìn)行處理，重新調(diào)整激光器輸出光信號(hào)，保證EFPI傳感器檢測(cè)的穩(wěn)定性。

圖2 準(zhǔn)連續(xù)正交調(diào)頻技術(shù)系統(tǒng)及原理圖

2 傳感器響應(yīng)角度與靈敏度的關(guān)系

在電力設(shè)備中局放點(diǎn)發(fā)生的位置呈不確定性，并且局放所發(fā)出的超聲信號(hào)類似于一個(gè)點(diǎn)聲源，超聲信號(hào)以球面波的形式傳播。傳感器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)安裝位置是固定不動(dòng)的，這使得傳感器膜片法向與聲波波矢方向產(chǎn)生夾角。

根據(jù)聲學(xué)基礎(chǔ)原理可知，同一強(qiáng)度聲波以不同角度入射到傳感器膜片上時(shí)傳感器膜片受迫形變不同，傳感器膜片的形變量直接影響其檢測(cè)靈敏度。為了能夠在實(shí)際應(yīng)用中給傳感器選取最佳安裝位置，就需要獲得傳感器響應(yīng)角度與檢測(cè)靈敏度的關(guān)系。

利用脈沖點(diǎn)火器作為局放聲信號(hào)搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示。脈沖點(diǎn)火器與傳感器固定在可旋轉(zhuǎn)光學(xué)滑軌上，由于脈沖點(diǎn)火器放電量不完全相同，因此每個(gè)放電位置進(jìn)行10次有效放電，對(duì)輸出信號(hào)求平均值以確保測(cè)試響應(yīng)的準(zhǔn)確性。測(cè)試角度為0~360°，以15°為步長(zhǎng)進(jìn)行；脈沖點(diǎn)火器與傳感器之間的距離d分別取25cm、50cm、75cm和100cm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在±60°的范圍內(nèi)傳感器具有較好的響應(yīng)靈敏度。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖4 不同角度與位置檢測(cè)到的超聲波信號(hào)

3 變壓器油對(duì)傳感器特性參數(shù)的影響

EFPI傳感器在變壓器油中使用時(shí)，傳感器膜片兩面分別與變壓器油和空氣接觸，這使得膜片固有諧振頻率發(fā)生變化。產(chǎn)生上述問(wèn)題的原因在于變壓器油具有一定黏度，其與傳感器膜片接觸時(shí)增加了膜片振動(dòng)的附加質(zhì)量，最終使得傳感器膜片固有諧振頻率下降。

搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)與油接觸和未與油接觸的同一支傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。實(shí)驗(yàn)用傳感器直接置于變壓器油中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。隨后取出傳感器，去除表面變壓器油，對(duì)其進(jìn)行封裝處理，使膜片兩面都只與空氣接觸，將封裝后的傳感器置于變壓器油中再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，封裝后傳感器結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖5 EFPI傳感器超聲測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖6 EFPI傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖7 EFPI傳感器封裝后結(jié)構(gòu)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將PZT作為聲波激勵(lì)信號(hào)，輸入信號(hào)從20~200kHz，步長(zhǎng)為10kHz，封裝結(jié)構(gòu)和非封裝結(jié)構(gòu)EFPI傳感器在變壓器油中幅頻特性對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)可以看出，傳感器膜片完全置于空氣中的固有諧振頻率為133kHz，而在變壓器油中的固有諧振頻率降低到58kHz，在固有諧振頻率下封裝后傳感器輸出幅值降低是由于封裝結(jié)構(gòu)造成了一定的聲衰減。

圖8

圖9 不同溫度變壓器油中EFPI的幅頻特性

依托于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)直接置于變壓器油中的傳感器進(jìn)行變溫實(shí)驗(yàn)，測(cè)得其在20℃、50℃、80℃下的幅頻特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出傳感器固有諧振頻率隨溫度增加而升高，這是由于變壓器油的黏度隨溫度升高而降低，膜片外表面的附加質(zhì)量降低而導(dǎo)致的。

本文編自2022年第5期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“非本征光纖法-珀傳感器局部放電檢測(cè)研究進(jìn)展”，作者為陳起超、張偉超 等。本文第一作者為陳起超，1988年生，博士研究生，研究方向?yàn)楦邏弘娏υO(shè)備絕緣檢測(cè)。通訊作者為張偉超，1984年生，博士，副教授，研究方向?yàn)楣饫w傳感及高壓絕緣檢測(cè)。本課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金、黑龍江省普通高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金和國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司科技項(xiàng)目的資助。