一种光纤声发射振动传感器及局部放电传感系统的制作方法

本发明涉及光纤技术领域，特别涉及一种光纤声发射振动传感器及局部放电传感系统。

背景技术：

随着国家经济的迅速发展，国家电网电缆电压等级不断提高，对电力电缆的安全、稳定的运行要求也就显得越来越重要。就高压电力本体电缆而言，其生产工艺有着严格的行业标准，工艺成熟，因此，高压电力电缆本体几乎是不会发生局部放电事件，而对于制作繁杂的电缆附件，如电缆终端和电缆中间接头，不仅受限于当前的生产水平的不足，以及现场安装时不可控因素，其在高压的环境下运行，可能存在由于绝缘薄弱而导致的局部放电现象，如果不能及时发现并进行预警，将加重缺陷的扩大，最终引发高压电力电缆起火或者断裂，产生巨大的损失，类似地，各种电力高压设备也存在局部放电的事故隐患，也必须进行在线监测。

城市中高压电力电缆呈现线形网络化分布，特别需要可以远程、网络化监测的安全预警技术。当高压电力电缆接头出现绝缘问题时，将有可能发生局部放电，会伴随着光辐射、电脉冲、电磁辐射、气体、声发射等不同的物理现象，主要的检测方法有脉冲电流法、高频电磁波、声发射检测法等。其中脉冲电流法应用于电缆出厂测试，因此在实验室的环境下该方法灵敏度较高，但是也是会受到外界的噪声的影响，因此抗干扰比较差，且不能大批量的实用。高频电磁波检测法只能定点检测，易受监测环境的影响。声发射检测法通常采用压电陶瓷换能器进行探测，需要远程供电，且容易受到电磁干扰。近年来，随着光纤传感技术的不断发展，针对高压电力电缆运行状态和安全的监控技术受到了国内外的广泛关注，光纤传感技术具有灵敏度高、抗电磁场干扰、灵敏度高、远程监测、易于组网及本质安全等特点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种光纤声发射振动传感器及局部放电传感系统。针对电力电缆接头和终端局部放电在线监测这一难题，提出基于光纤相位敏感光时域反射局部放电传感系统，采用3d打印圆柱形硅橡胶弹性体，将传感光纤缠绕于该弹性体，实现对背向散射光相位调制灵敏度增强的传感头，基于光时域反射时分复用技术，结合3d打印传感头，可以实现反映电力电缆早期故障特征的局放声发射参量的实时、在线、远程定位及网络化监测。

为达到上述目的，本发明提供了一种光纤声发射振动传感器及局部放电传感系统，光纤声发射振动传感器包括圆柱形的传感器头，传感器头的侧壁沿其周向设置有环形凹槽，环形凹槽上缠绕有多匝传感光纤，多匝传感光纤上覆盖有硅橡胶。

其中，传感器头利用3d打印技术制得，传感器头的环形凹槽外径为1～5cm，传感器头的环形凹槽厚度为1～10mm，传感光纤缠绕在环形凹槽上的匝数为1～50匝。

局部放电传感系统包括激光器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、声光调制器、光纤环形器、传感器模块和信号采集处理模块，传感器模块为多个串联的光纤声发射振动传感器。第一光纤耦合器的输入端与激光器连接，第一输出端通过声光调制器与光纤环形器的第一端口连接，第二输出端与第二光纤耦合器的第一输入端连接；光纤环形器的第二端口与传感器模块连接；光纤环形器的第三端口与第二光纤耦合器的第二输入端连接；第二光纤耦合器的输出端与信号采集处理模块连接。激光器激发的光信号穿过第一光纤耦合器分成两路，第一光纤耦合器第一输出端的第一路光信号输入声光调制器，调制为移频的光脉冲，进而输入光纤环形器的第一端口，从光纤环形器的第二端口输出，从而输入传感器模块，并在传感器模块中激发出背向散射光；当电力电缆发生局部放电时，光纤声发射振动传感器引发声发射振动，携带声发射振动信号的背向散射光反向沿光纤环形器的第二端口输入，从光纤环形器的第三端口输出，进而输入第二光纤耦合器的第二输入端；第一光纤耦合器第二输出端的第二路光信号输入第二光纤耦合器的第一输入端，与第二输入端输入的携带声发射振动信号的背向散射光进行相干解调并输出到信号采集处理模块，在信号采集处理模块中进行光电转换将光信号转变为拍频电信号，并将拍频电信号处理为拍频数字信号，并计算拍频数字信号的幅度和相位信息。

其中，信号采集模块包括串联的平衡光探测器、数据采集卡和计算机；平衡光探测器能将光信号进行光电转换，获得拍频电信号；数据采集卡将拍频电信号转换为拍频数字信号；计算机能够计算拍频数字信号的幅度和相位信息。声光调制器还通过光纤放大器与光纤环形器的第一端口连接；光纤放大器将光脉冲的功率放大。光纤放大器为掺铒光纤放大器。

运用此发明，可以实现反映电力电缆早期故障特征的局放声发射参量的实时、在线、远程定位及网络化监测。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、制作过程简单，将3d打印技术与相位敏感光时域反射技术结合，采用3d打印得到的硅橡胶圆柱结构，并在其外侧缠绕一定长度的光纤。

2、传感灵敏度增强，由3d打印得到的硅橡胶圆柱结构，其泊松比较大，为0.49，受到外界的声压时，横向的界面会产生显著的扩张，缠绕在侧面的光纤也会随之伸长扩张。

附图说明

图1为本发明提供的光纤声发射振动传感器结构示意图；

图2为本发明提供的光纤声发射振动传感器头结构示意图；

图3为本发明提供的光纤声发射振动传感器头组装结构示意图；

图4为本发明提供的局部放电传感系统总体结构示意图；

图5为本发明提供的局部放电传感系统细节结构示意图；

图6为本发明提供的传感器模块结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明是一种光纤声发射振动传感器1，包括图2中的圆柱形的传感器头2，传感器头2的侧壁沿其周向设置有环形凹槽3，环形凹槽3上缠绕有多匝传感光纤4，多匝传感光纤4上覆盖有硅橡胶5，硅橡胶5是通过液态硅橡胶自然固化后覆盖在传感光纤4上的，硅橡胶5材料的泊松比为0.49，其横向尺寸的扩张也会随之增大，缠绕在侧面的传感光纤4也会随之身长扩张，由扰动信号引起的背向散射光相位的变化，经过正交解调，可以得到扰动信号，具有传感灵敏度增强效应。

其中，传感器头2利用热熔型3d打印技术制得，传感器头2的环形凹槽3外径为1～5cm，最优的环形凹槽3外径为25mm；传感器头2的环形凹槽3厚度为1～10mm，最优的环形凹槽3厚度为3mm；传感光纤4缠绕在环形凹槽3上的匝数为1～50匝，最优的缠绕传感光纤4的匝数为25。如图3所示，传感器头2是由第一圆柱6和第二圆柱7组合而成；第一圆柱6和第二圆柱7的底面上分别设置两个内直径和外直径均不同的第一环形凸起8和第二环形凸起9，且第一圆柱6底面上第一环形凸起8的外直径与第二圆柱7底面上第二环形凸起9的内直径相配合。

如图4所示，局部放电传感系统包括窄线宽激光器10、1×2光纤耦合器11、声光调制器12、光纤环形器14、传感器模块15、2×2光纤耦合器16和信号采集处理模块17，如图5所示，传感器模块15为多个串联的光纤声发射振动传感器1。1×2光纤耦合器11的输入端与激光器10连接，第一输出端通过声光调制器12与光纤环形器14的第一端口a连接，第二输出端与2×2光纤耦合器16的第一输入端连接；光纤环形器14的第二端口b与传感器模块15连接；光纤环形器14的第三端口c与2×2光纤耦合器16的第二输入端连接；2×2光纤耦合器16的输出端与信号采集处理模块17连接。窄线宽激光器10激发出光信号，线宽小于1khz，其穿过1×2光纤耦合器11分成两路，1×2光纤耦合器11第一输出端的第一路光信号输入声光调制器12，调制为移频的光脉冲，移频量为10mhz～200mhz，进而输入光纤环形器14的第一端口a，从光纤环形器14的第二端口b输出，从而输入传感器模块15，并在传感器模块15中激发出背向散射光；当电力电缆发生局部放电时，光纤声发射振动传感器1引发声发射振动，携带声发射振动信号的背向散射光反向沿光纤环形器14的第二端口b输入，从光纤环形器14的第三端口c输出，进而输入2×2光纤耦合器16的第二输入端；1×2光纤耦合器11第二输出端的第二路光信号输入2×2光纤耦合器16的第一输入端，与第二输入端输入的携带声发射振动信号的背向散射光进行相干解调并输出到信号采集处理模块17，在信号采集处理模块17中进行光电转换将光信号转变为拍频电信号，并将拍频电信号处理为拍频数字信号，并计算拍频数字信号的幅度和相位信息。

其中，如图6所示，信号采集模块17包括串联的平衡光探测器18、数据采集卡19和计算机20；平衡光探测器18能将光信号进行光电转换，获得拍频电信号；数据采集卡19将拍频电信号转换为拍频数字信号；计算机20能够计算拍频数字信号的幅度和相位信息。声光调制器12还通过光纤放大器13与光纤环形器14的第一端口a连接；光纤放大器13将光脉冲的功率放大。光纤放大器13为掺铒光纤放大器。

本发明的工作原理：

将传感光纤4缠绕于3d打印制得的传感器头2上，并可以在传感光纤4上串联多个光纤声发射振动传感器1，通过时分复用进行组网，当电力电缆发生局部放电时，将引起声发射振动并作用于光纤声发射振动传感器1，基于各光纤声发射振动传感器1前后位置的相位曲线，即可计算得到光纤声发射振动传感器1受到局部放电扰动而引入的声发射振动波形。

综上所述，本发明一种光纤声发射振动传感器及局部放电传感系统，实现了对背向散射光相位调制灵敏度增强的传感头，基于光时域反射时分复用技术，结合3d打印传感头，可以实现反映电力电缆早期故障特征的局放声发射参量的实时、在线、远程定位及网络化监测。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。