- 頭條科研簡報：EFPI光纖聲波傳感器的國內外研究現狀2022-07-17 作者：陳起超、張偉超 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語隨著光學解調技術和微納加工技術的進步，光學傳感器也隨之快速發展。由于光學傳感器依靠光作為信息傳遞的載體，其具有抗強磁場和強電場干擾的先天優勢，因此在大型電力設備內部安裝光學傳感器檢測局放超聲信號成為一種新的檢測方法。在眾多光學傳感器中，非本征光纖法布里-珀羅（EFPI）傳感器在局放超聲信號檢測應用中具有結構小、易安裝及檢測靈敏度高等優點，使其獲得國內外廣大學者的關注研究。
1991年K. A. Murphy等首次報道了可檢測動態應力變化的EFPI傳感器，受限于當時的技術水平，該傳感器并不能應用于高頻聲波信號檢測中。在隨后幾年中，P. C. Bear和T. N. Mills等多次報道了可用于檢測超聲波信號的EFPI傳感器，該傳感器的聲光換能元件為聚合物膜片。
20世紀90年代末，P. C. Bread等利用聚乙二醇（Polyethylene Glycol, PEG）的彈性效應將其制作成聲光換能元件，并使用此換能元件完成了EFPI傳感器的設計制作，該傳感器具有25MHz的檢測帶寬，且檢測靈敏度為25mV/MPa，最小可測聲壓為20kPa；此研究團隊還利用聚偏二氟乙烯膜（Polyvinylidene Fluoride, PVDF）作為聲光換能元件完成了EFPI傳感器的制備，但靈敏度較低。
21世紀初，Wang Anbo等利用石英作為聲光換能元件，設計制作了厚度為125μm、直徑為2.5mm的石英膜片，并利用其制作了腔長為15.6μm的EFPI傳感器，靈敏度為3.5nm/kPa，分辨率為10Pa。Deng Jingdong等設計并制作了腔長為0.66μm的EFPI傳感器，該傳感器的聲光換能元件是厚度為20μm、有效直徑為955μm的石英膜片，并利用其局放產生的超聲信號，得到局放超聲信號輸出幅值與局放聲源距離的關系；隨后該團隊利用六氟化硫（Sulfur Hexafluoride, SF6）氣體作為法-珀腔填充介質制備EFPI傳感器，并應用于變壓器局放檢測中，實驗結果表明該傳感器耐壓等級到達10kV/mm，且針對不同壓強下封裝傳感器的性能進行了對比測試。
2006年，Wang Xiaodong等利用微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）技術設計制作了厚度為25μm、邊長為2mm的硅膜片作為聲光換能元件，EFPI傳感器的腔長為90μm，利用多周期解調的方法，每個干涉條紋可對應552Pa的聲壓，該傳感器最小可測聲壓為2.8Pa；隨后該團隊在油箱內安裝多支EFPI傳感器，展開局放定位研究，實驗結果表明經計算后定位位置與實際放電位置接近。
2010年~2012年，O. Akkaya等多次報道使用光子晶體膜片作為EFPI光纖聲波傳感器的聲光換能元件，并按照該制作方式成功制作10支具有相同靈敏度的EFPI光纖聲波傳感器，解決了由于制作工藝水平而導致的傳感器參數性能不同的問題，但該研究團隊提出的制作方法十分復雜，且對工藝水平要求極高。
2013年，Ma Jun等設計制作了具有1100nm/kPa靈敏度的EFPI傳感器，該傳感器的聲光換能元件為100nm厚多層石墨烯膜片，其頻響帶寬為0.2~22kHz，雖然此傳感器具有極高的檢測靈敏度，但其響應范圍較低，不適合應用于局放超聲信號檢測中。
S. Poeggel等將光纖光柵（Fiber Bragg Grating, FBG）與EFPI傳感器相結合，其中柵區與法-珀腔相鄰，通過FBG中心波長的變化實時測定傳感器敏感區域的溫度，實現對傳感器的溫度補償，雖然該FBG-EFPI傳感器無法實現對高頻聲信號的測量，但這種溫度補償方式對實際應用于動態溫度變化區域內檢測局放超聲信號的EFPI傳感器具有一定的積極意義。
2017年，Zhang Weichao等利用EFPI傳感器對局放超聲信號的傳播特性進行研究，發現處于液體域的固體介質周圍出現了局放超聲信號增強現象；隨后通過對圓形膜片與方形膜片聲敏感特性進行計算分析，通過優化膜片結構尺寸提高EFPI傳感器檢測靈敏度。
2018年，Wang Peng等將4支EFPI傳感器組成陣列應用于變壓器油中檢測局放超聲信號，并采用雙邊相關變換（Two-sided Correlation Transformation, TCT）算法對傳感器列陣單元位置誤差進行校正，提高了傳感器測量精度。
2020年，Li Haoyong等利用MEMS技術成功地制備出具有十字支撐梁結構的硅膜片EFPI傳感器，該膜片厚度為5μm，諧振頻率下的檢測靈敏度為-10dB re. 1V/Pa；隨后該學者又利用菲涅爾區相位修正聚焦結構（Fresnel Zone phase correcting Plate, FZP）對傳感器檢測靈敏度進行優化，將傳感器諧振頻率下的檢測靈敏度由-19.8 dB re. 1 V/Pa提高至-12.4 dB re. 1 V/Pa。
國內對于應用EFPI傳感器檢測局放超聲信號的研究起步較晚。
2008年，哈爾濱理工大學趙洪帶領的研究團隊采用MEMS加工技術制作EFPI傳感器，該傳感器膜片內表面進行了鍍金處理，使傳感器檢測靈敏度得到提高，并在變壓器油中成功地檢測到了局放超聲信號；該研究團隊分別制作由厚度為60μm、直徑為4mm的硅膜片和厚度為200μm、直徑為2.5mm的石英膜片組成的EFPI傳感器，并利用針-板放電模型及PZT聲發射傳感器對所獲得的EFPI傳感器進行靈敏度對比研究，實驗結果表面利用MEMS加工技術制作的EFPI傳感器最小可測放電量為150pC。
2009年，該團隊針對EFPI傳感器中心工作點隨環境溫度及液體靜態壓力變化而改變的問題，設計了具有分布式光源自動追蹤功能的驅動電路；在2015年，該研究團隊針對EFPI傳感器膜片結構尺寸與檢測靈敏度的關系進行了細致分析，完善了傳感器的結構設計系統，并利用波長可調分布式反饋（Distributed Feedback Laser, DFB）激光器作為光源的正交強度解調系統，將DFB激光器中心波長穩定在靜態工作點Q附近，隨后該團隊提出了用于電纜終端及油浸式變壓器內部局放超聲信號檢測的EFPI傳感器布置方案。
2016年，國網電力科學研究院、國網內蒙古電力與該研究團隊共同對EFPI傳感器的幅頻特性以及傳感器腔長與靈敏度的關系進行了大量研究；2017年，該團隊針對應用于變壓器油中EFPI傳感器因黏滯阻尼和附加質量而導致其一階固有諧振頻率及靈敏度變化的問題，進行了細致研究；2019年，該研究團隊利用EFPI傳感器對液-固復合界面超聲信號的傳播特點開展相關研究，初步獲得了經液-固復合介質傳播后超聲信號的強弱變化規律；2020年，該研究團隊采用固體介質聲耦合及液-固-液油腔聲耦合的形式，設計并制備了可應用于變壓器油箱壁外側檢測局放超聲信號的EFPI傳感器，為已經投產運行的大型油浸式電力變壓器局放超聲信號檢測方法提供了新的選擇。
2014年，華北電力大學王偉等設計并制作了具有60nm/kPa靈敏度的EFPI傳感器，該傳感器響應頻率為101.5kHz，利用同一放電模型進行多次放電獲得傳感器檢測角度與檢測靈敏度的關系；該研究團隊將放電模型及EFPI光纖聲波傳感器安裝在長寬高為4.5m×2m×2.5m的油浸式變壓器中，成功利用該傳感器檢測到局放超聲信號。
2017年，昆明理工大學黃俊等設計并制備EFPI光纖聲波傳感器，并在變壓器油中進行聲衰減特性研究，并獲得該傳感器的損耗特性為25.8mV/cm。2018年，司文榮等基于支撐梁臂結構的特點，設計并制備了具有較高靈敏度的EFPI傳感器；隨后該研究團隊對基于MEMS加工技術制作的EFPI光纖聲波傳感器膜片一階固有諧振頻率及靈敏度受殘余應力影響的問題進行了分析研究，并基于上述研究工作完成對傳感器方向響應特性的測試。
本文編自2022年第5期《電工技術學報》，論文標題為“非本征光纖法-珀傳感器局部放電檢測研究進展”，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,研究方向為高壓電力設備絕緣檢測。通訊作者為張偉超，1984年生,博士,副教授,研究方向為光纖傳感及高壓絕緣檢測。本課題得到了國家自然科學基金青年基金、黑龍江省普通高校基本科研業務費專項資金和國網浙江省電力有限公司科技項目的資助。
