CN119125810A - 法布里珀罗干涉仪的超声波传感器面阵定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及变压器局部放电定位技术领域，具体为一种法布里珀罗干涉仪的超声波传感器面阵定位系统及方法，所述系统由法布里珀罗激光器、光纤耦合器、光纤环形器、光纤超声波传感器面阵、光电探测器、数据采集器和主机终端组成；沿所述法布里珀罗激光器出射光传输方向，依次连接光纤耦合器、光纤环形器的第一端口，所述光纤环形器的第二端口连接光纤超声波传输面阵，其第三端口连接光电探测器。将若干个光纤超声波传感器集成在一个不锈钢探头中，简化了超声波传感器阵列搭建过程，将超声波传感器面阵定位系统接收信号的时间差转换为非线性方程组进行求解，实现局部放电位置的坐标定位。

Description

法布里珀罗干涉仪的超声波传感器面阵定位系统及方法

技术领域

本发明涉及变压器局部放电定位技术领域，具体为一种法布里珀罗干涉仪的超声波传感器面阵定位系统及方法。

背景技术

随着电网建设的发展，高压电力设备的应用也愈加广泛。电力变压器作为高压电力系统中的核心组成部分，如若发生故障，可能会导致大面积停电，对社会生产生活造成巨大损失。因此，对局部放电实施精准监测，已成为保障电力系统稳定运行不可或缺的技术支撑。

目前，电力变压器局部放电的监测，依托于局部放电过程中出现的多种物理现象，包括超声波、电脉冲、电磁辐射、局部过热、气体生成物等现象。基于上述现象，局部放电检测技术已发展出多种方法，包括超声波检测法、电脉冲检测法、气相色谱检测法、电磁波检测法等。常规的局部放电检测元件为电学元器件，但在检测过程中，容易受到电磁干扰。

目前，常见的超声波传感器为电学传感器，在局部放电检测应用中，高压电力设备与传感器均带电，绝缘性差、易受电磁干扰，导致危险性较大；近年来，一些研究人员提出了基于干涉型光纤结构的超声波传感器，可以有效避免绝缘性差、电磁干扰等问题，但常用光源为单波长激光器，使用时易受外界因素干扰，并且使用强度型解调法时易产生工作点漂移现象从而导致超声波传感器灵敏度下降，监测系统稳定性无法得到保障；同时，单个超声波传感器有时无法满足局部放电定位需求，一些科研人员搭建了超声波传感器阵列，但搭建传感器阵列相对复杂，布放时需要进行校准，增加了安装和维护的难度。

发明内容

为解决上述的问题，本发明一方面提供了一种法布里珀罗干涉仪的超声波传感器面阵定位系统，由法布里珀罗激光器、光纤耦合器、光纤环形器、光纤超声波传感器面阵、光电探测器、数据采集器和主机终端组成；沿所述法布里珀罗激光器出射光传输方向，依次连接光纤耦合器、光纤环形器的第一端口，所述光纤环形器的第二端口连接光纤超声波传输面阵，其第三端口连接光电探测器，所述光电探测器与数据采集器输入端电连接，所述数据采集器输出端与主机终端电连接；

所述光纤超声波传感器面阵，用于检测局部放电时的超声波信号，并根据超声波信号振动产生携带超声波特征信息的干涉光强信号；所述光纤超声波传感器面阵包括不锈钢探头、不锈钢膜片和光纤组件，所述不锈钢探头沿轴向方向贯穿设置有若干个插孔，不锈钢探头的一侧位于插孔位置固定粘合若干个不锈钢膜片，不锈钢探头远离不锈钢膜片一侧的插孔固定安装若干个光纤组件，所述光纤组件的插入深度小于不锈钢探头的轴向长度。

在具体实施方式中，所述光纤组件包括单模光纤、光纤陶瓷插芯和不锈钢套管，所述单模光纤与光纤陶瓷插芯的一端固定连接，所述单模光纤外部套接不锈钢套管，所述不锈钢套管与光纤陶瓷插芯固定连接。

为了满足激光光束的干涉条件，所述光纤陶瓷插芯远离单模光纤一端的端面与不锈钢膜片的内表面平行正对。

所述光纤陶瓷插芯远离单模光纤一端的端面、不锈钢膜片的平面垂直于不锈钢探头轴向方向。

所述单模光纤、光纤陶瓷插芯的中心轴穿过不锈钢膜片的中心。

在具体实施方式中，所述光纤环形器与光电探测器设置有若干个，所述光纤环形器的数量与不锈钢探头的插孔数量相等。

另一方面提供了一种法布里珀罗干涉仪的超声波传感器面阵定位方法，应用于如上所述的法布里珀罗干涉仪的超声波传感器面阵定位系统，包括：

S1、根据光纤超声波传感器面阵的各阵元位置与阵元间距，选取任意一个阵元作为坐标原点建立三维直角坐标系，确定各阵元的三维坐标；

S2、获取光纤超声波传感器各路阵元的干涉光强信号，对干涉光强信号进行光电转换得到电压值；

S3、基于各路阵元的电压值，确定各路阵元电压值变化的出现时刻；根据各路阵元的出现时刻，确定坐标原点阵元与其他阵元的时延差；

S4、基于超声波的介质传播速度，根据各阵元的三维坐标、阵元间距与时延差构建方程组，计算目标声源坐标，即为局部放电位置。

所述S4中根据各阵元的三维坐标、阵元间距与时延差构建方程组为：

，

式中，x,y,z为目标声源的空间坐标；x _i ,y _i ,z _i ，i=1,2,…5，表示第i个阵元的三维坐标；c表示超声波的传播速度；d _i为目标声源到第i个阵元的空间距离；τ _i 为第i个阵元与坐标原点阵元的时延差。

有益效果

（1）本发明的超声波传感器面阵定位系统可有效避免传统电学超声波传感器针对高压电力设备的局部放电检测易受电磁干扰、绝缘性差的问题，降低了安全风险，提高了超声波检测的稳定性。

（2）本发明的超声波传感器面阵定位系统有效避免干涉型光纤超声波传感器系统光源为单波长激光器时使用强度解调法出现的工作点漂移导致灵敏度严重下降的现象，可使系统稳定性增强。

（3）本发明创新性地将若干个光纤超声波传感器集成在一个不锈钢探头中，不仅降低成本，还大大简化了超声波传感器阵列搭建过程；光纤超声波传感器阵元间距固定，无需重新校准，简化了定位流程与布放过程。

（4）本发明基于空气环境中声波信号特点、光纤传输的声波信号的特点及光纤超声波传感器面阵的几何关系，使用TDOA（Time Difference of Arrival，到达时间差）方法，将超声波传感器面阵定位系统接收信号的时间差转换为非线性方程组，进而对该非线性方程组进行求解，实现局部放电位置的坐标定位。

附图说明

图1本发明超声波传感器面阵定位系统的结构示意图；

图2为光纤超声波传感器面阵的结构示意图；

图3为光纤超声波传感器面阵的装配图；

图4为本发明法布里珀罗干涉仪的超声波传感器面阵定位方法的流程示意图；

1、不锈钢套管；2、单模光纤；3、光纤陶瓷插芯；4、不锈钢探头；5、不锈钢膜片。

具体实施方式

下面将结合附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。

参见图1，本实施例提供了一种法布里珀罗干涉仪的超声波传感器面阵定位系统，由法布里珀罗激光器（简称FP激光器）、光纤耦合器、光纤环形器、光纤超声波传感器面阵、光电探测器、数据采集器和主机终端组成。所述FP激光器位于整个系统光路初始一端，沿FP激光器出射光传输方向，依次连接光纤耦合器、光纤环形器的第一端口，所述光纤环形器的第二端口连接光纤超声波传输面阵，其第三端口连接光电探测器，所述光电探测器与数据采集器输入端电连接，所述数据采集器输出端与主机终端电连接。

所述光纤超声波传感器面阵用于检测局部放电时的超声波信号，并根据超声波信号振动产生携带超声波特征信息的干涉光强信号。为了实现光纤超声波传感器面阵对超声波信号的检测，如图2、图3所示，所述光纤超声波传感器面阵包括不锈钢探头4、不锈钢膜片5和光纤组件，所述不锈钢探头4沿轴向方向贯穿设置有若干个插孔，不锈钢探头4的一侧位于插孔位置固定粘合若干个不锈钢膜片5，不锈钢探头4远离不锈钢膜片5一侧的插孔固定安装若干个光纤组件，所述光纤组件的插入深度小于不锈钢探头4的轴向长度。

光纤超声波传感器面阵由多个光纤超声波传感器阵元组成，所述光纤组件与不锈钢膜片5共同组成单个光纤超声波传感器，具体的，所述光纤组件包括单模光纤2、光纤陶瓷插芯3和不锈钢套管1，所述单模光纤2与光纤陶瓷插芯3的一端固定连接，所述单模光纤2外部套接不锈钢套管1，所述不锈钢套管1与光纤陶瓷插芯3固定连接。通过将光纤组件插入至不锈钢探头4的任意一个插孔中，所述光纤陶瓷插芯3远离单模光纤2的一端与不锈钢膜片5设有间隙，且该端的光纤陶瓷插芯3的端面与不锈钢膜片5的内表面平行正对，能够使不锈钢膜片5内表面的反射光束与光纤陶瓷插芯3端面反射的光束满足干涉条件。当光纤超声波传感器面阵的不锈钢探头4接收到电力变压器箱体内部局部放电发射的超声波信号，超声波作用于不锈钢探头4的不锈钢膜片5一侧的前表面，不锈钢膜片5受超声波振动，其内表面与光纤陶瓷插芯3反射的两光束的光程差发生改变，进而引起输出光强的变化。

在具体实施方式中，为保证超声波信号检测的准确性，所述光纤陶瓷插芯3远离单模光纤2一端的端面、不锈钢膜片5的平面垂直于不锈钢探头4轴向方向，组成具有确定腔长的非本征法布里珀罗腔；所述单模光纤2、光纤陶瓷插芯3的中心轴穿过不锈钢膜片5的中心，保证单模光纤2传输的激光光束垂直入射至不锈钢膜片5的中心位置，在没有超声波信号振动的影响下，所述光纤陶瓷插芯3与不锈钢膜片5之间的干涉光强信号为定值。

为实现对局部放电的定位检测，满足光纤超声波传感器面阵的检测数量，所述光纤环形器与光电探测器设置有若干个，所述光纤环形器的数量与不锈钢探头4的插孔数量相同。所述光纤耦合器能够将FP激光器发射的出射光进行分束，并分别通过光纤接入至光纤环形器的第一端口，所述光纤环形器能够将接入的激光进行定向传播，通过第二端口输入到光纤超声波传感器面阵，一方面向光纤超声波传感器面阵传输激光信号为其提高光源；另一方面通过第二端口接收光纤超声波传感器面阵反馈的检测光信号。同时，各光纤环形器的第三端口单独连接一个光电探测器，能够将第二端口传输的检测光信号传输至光电探测器，所述光电探测器能够将光信号转换成电信号，并传输至数据采集器进行电信号数字化转换并收集。

该超声波传感器面阵定位系统的工作原理为：FP激光器作为光源，其位于光路初始一端向光纤耦合器发射出射激光，所述光纤耦合器将出射激光进行分束，并将分束后的若干路激光光束通过光纤环形器的第一端口进行输入，激光光束在光纤环形器内部进行定向传播；通过若干个光纤环形器的第二端口输入至光纤超声波传感器面阵进行超声波信号检测，并将携带超声波特征信息的干涉光强信号经光纤环形器的第三端口传输至对应的光电探测器进行光电转换，所述光电探测器将转换后的电压信号传输至数据采集器，数据采集器将收集的多路电压信号统一传输至主机终端进行数据处理分析，确定电力变压器局部放电的定位信息。

此外，本实施例还提供了一种法布里珀罗干涉仪的超声波传感器面阵定位方法，应用于上述法布里珀罗干涉仪的超声波传感器面阵定位系统中，如图4所示，所述方法具体实现步骤如下：

S1、根据光纤超声波传感器面阵的各阵元位置与阵元间距，选取任意一个阵元作为坐标原点建立三维直角坐标系，确定各阵元的三维坐标；

本申请以五个光纤超声波传感器阵元为例，所述光纤超声波传感器面阵的不锈钢探头4前端面圆心位置设置有一个光纤超声波传感器，其余光纤超声波传感器以圆心进行对称分布设置。各光纤超声波传感器至圆心的光纤超声波传感器的阵元间距相等，

选取圆心处的光纤超声波传感器面阵为坐标原点建立三维直角坐标系，基于阵元间距确定各阵元的三维坐标值分别为：

，

其中，x _i ,y _i ,z _i ，i=1,2,…5，表示第i个阵元的三维坐标；d为阵元间距。

S2、获取光纤超声波传感器各路阵元的干涉光强信号，对干涉光强信号进行光电转换得到电压值；

基于光纤陶瓷插芯3的端面与不锈钢膜片5的内表面形成法布里珀罗干涉腔，通过单模光纤2传输激光光束产生双光束干涉；不锈钢膜片5根据检测接收的超声波信号，基于声波作用进行动态形变；并基于形变后的不锈钢膜片5确定法布里珀罗干涉腔长变化的干涉光强信号；

当超声波作用在不锈钢膜片5上，其表面发生动态形变，致使光纤超声波传感器面阵的法布里珀罗干涉腔长发生变化，干涉条纹的相位移动光程差也随之变化。声压作用下不锈钢膜片5的形变量y为：

，

其中，P为作用于光纤超声波传感器面阵的声压，μ为不锈钢膜片5的泊松比，R为不锈钢膜片5的有效半径，E为不锈钢膜片5杨氏模量，h为不锈钢膜片5厚度，f ₁为不锈钢膜片5一阶振型的振动频率，f ₀₀为超声波信号的振动频率，为不锈钢膜片5受迫振动时的阻尼系数；

根据干涉原理，所述法布里珀罗干涉腔长变化的干涉光强信号为：

，

，

其中，R ₁、R ₂分别表示光纤陶瓷插芯3端面与不锈钢膜片5的反射率，Φ为相邻光束的相位差，n为干涉腔体中空气折射率，L为干涉腔体腔长，λ ₀为FP激光器的波长。

所述光电探测器将传输的干涉光强信号转换为光电流，再将光电流转化为电压信号，其公式为：

，

，

其中，I _ph 为光电流，γ为光电转换效率，V _ph 为电压值，R为光电转换模块电压。

S3、基于各路阵元的电压值，确定各路阵元电压值变化的出现时刻；根据各路阵元的出现时刻，确定坐标原点阵元与其他阵元的时延差；

当电力变压器内部发生局部放电时，不锈钢探头4检测到超声波信号，在超声波振动作用下，各阵元的光纤超声波传感器其不锈钢膜片5振动导致干涉腔体腔长发生改变，进而干涉光强信号发生变化，所述光电探测器输出的电压值也发生变化，所述各路阵元接收到超声波信号的时刻即为各路阵元光电转换后电压值变换的出现时刻。因不同阵元的光纤超声波传感器接收到超声波信号的时间不同，其电压值变化的出现时刻也不同。以超声波信号到达圆心处光纤超声波传感器的时刻为零点，其余光纤超声波传感器阵元在接收到超声波信号，相较于零点存在一定的时间延迟，将时延差分别记为、、、。

S4、基于超声波的介质传播速度，根据各阵元的三维坐标、阵元间距与时延差构建方程组，计算目标声源坐标，即为局部放电位置；

假设局部放电位置产生的超声波在介质中以速度c进行传播，设目标声源的空间坐标为（x,y,z），则根据声波传播的几何关系可得：

，

式中，x,y,z为目标声源的空间坐标；x _i ,y _i ,z _i ，i=1,2,…5，表示第i个阵元的三维坐标；c表示超声波的传播速度；d _i为目标声源到第i个阵元的空间距离；τ _i 为第i个阵元与坐标原点阵元的时延差。

Claims (8)

1.一种法布里珀罗干涉仪的超声波传感器面阵定位系统，其特征在于，由法布里珀罗激光器、光纤耦合器、光纤环形器、光纤超声波传感器面阵、光电探测器、数据采集器和主机终端组成；沿所述法布里珀罗激光器出射光传输方向，依次连接光纤耦合器、光纤环形器的第一端口，所述光纤环形器的第二端口连接光纤超声波传输面阵，其第三端口连接光电探测器，所述光电探测器与数据采集器输入端电连接，所述数据采集器输出端与主机终端电连接；

所述光纤超声波传感器面阵，用于检测局部放电时的超声波信号，并根据超声波信号振动产生携带超声波特征信息的干涉光强信号；所述光纤超声波传感器面阵包括不锈钢探头、不锈钢膜片和光纤组件，所述不锈钢探头沿轴向方向贯穿设置有若干个插孔，不锈钢探头的一侧位于插孔位置固定粘合若干个不锈钢膜片，不锈钢探头远离不锈钢膜片一侧的插孔固定安装若干个光纤组件，所述光纤组件的插入深度小于不锈钢探头的轴向长度。

2.根据权利要求1所述的法布里珀罗干涉仪的超声波传感器面阵定位系统，其特征在于，所述光纤组件包括单模光纤、光纤陶瓷插芯和不锈钢套管，所述单模光纤与光纤陶瓷插芯的一端固定连接，所述单模光纤外部套接不锈钢套管，所述不锈钢套管与光纤陶瓷插芯固定连接。

3.根据权利要求2所述的法布里珀罗干涉仪的超声波传感器面阵定位系统，其特征在于，所述光纤陶瓷插芯远离单模光纤一端的端面与不锈钢膜片的内表面平行正对。

4.根据权利要求3所述的法布里珀罗干涉仪的超声波传感器面阵定位系统，其特征在于，所述光纤陶瓷插芯远离单模光纤一端的端面、不锈钢膜片的平面垂直于不锈钢探头轴向方向。

5.根据权利要求2所述的法布里珀罗干涉仪的超声波传感器面阵定位系统，其特征在于，所述单模光纤、光纤陶瓷插芯的中心轴穿过不锈钢膜片的中心。

6.根据权利要求1所述的法布里珀罗干涉仪的超声波传感器面阵定位系统，其特征在于，所述光纤环形器与光电探测器设置有若干个，所述光纤环形器的数量与不锈钢探头的插孔数量相等。

7.一种法布里珀罗干涉仪的超声波传感器面阵定位方法，应用于权利要求1-6任一项所述的法布里珀罗干涉仪的超声波传感器面阵定位系统，其特征在于，包括：

S1、根据光纤超声波传感器面阵的各阵元位置与阵元间距，选取任意一个阵元作为坐标原点建立三维直角坐标系，确定各阵元的三维坐标；

S2、获取光纤超声波传感器各路阵元的干涉光强信号，对干涉光强信号进行光电转换得到电压值；

S3、基于各路阵元的电压值，确定各路阵元电压值变化的出现时刻；根据各路阵元的出现时刻，确定坐标原点阵元与其他阵元的时延差；

S4、基于超声波的介质传播速度，根据各阵元的三维坐标、阵元间距与时延差构建方程组，计算目标声源坐标，即为局部放电位置。

8.根据权利要求7所述的法布里珀罗干涉仪的超声波传感器面阵定位方法，其特征在于，所述S4中根据各阵元的三维坐标、阵元间距与时延差构建方程组为：

，

式中，x,y,z为目标声源的空间坐标；x _i ,y _i ,z _i ，i=1,2,…5，表示第i个阵元的三维坐标；c表示超声波的传播速度；d _i为目标声源到第i个阵元的空间距离；τ _i 为第i个阵元与坐标原点阵元的时延差。