1 動態(tài)溫度及靜壓力變化對傳感器檢測性能的影響及解決方法

根據(jù)EFPI傳感器的原理可知，其檢測靈敏度受傳感器腔長影響。當(dāng)傳感器在變壓器油中使用時，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，同時傳感器本體材料在自身線性熱膨脹作用下也會改變傳感器腔長，腔長改變后需要重新調(diào)整靜態(tài)工作點以保障傳感器檢測靈敏度。在實際應(yīng)用中，傳感器多數(shù)都處在動態(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）工作點動態(tài)追蹤技術(shù)

利用工作點動態(tài)追蹤系統(tǒng)可有效解決工作點漂移問題，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，窄帶光中心波長由PZT驅(qū)動電源進(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，光電放大器通過耦合器2接收到由傳感器返回的光后轉(zhuǎn)換為電信號，傳入計算機(jī)中。

該系統(tǒng)的工作原理為通過可調(diào)諧窄帶光對傳感器進(jìn)行掃描，獲得傳感器實時干涉光譜對應(yīng)不同窄帶波長的輸出電壓，對輸出電壓分析計算后確定傳感器最優(yōu)工作點，穩(wěn)定傳感器對局放超聲信號的檢測性能。

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EFPI傳感器的正交強度解調(diào)系統(tǒng)，確保用于超聲信號檢測的EFPI傳感器檢測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MG-Y型激光器獲得四個連續(xù)且具有固定偏差（π/2）的光頻，并依托現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA）對光電探測器（Photoelectric Detector, PD）回饋信號進(jìn)行處理，重新調(diào)整激光器輸出光信號，保證EFPI傳感器檢測的穩(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)備中局放點發(fā)生的位置呈不確定性，并且局放所發(fā)出的超聲信號類似于一個點聲源，超聲信號以球面波的形式傳播。傳感器在實際應(yīng)用時安裝位置是固定不動的，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，同一強度聲波以不同角度入射到傳感器膜片上時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靈敏度。為了能夠在實際應(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)角度與檢測靈敏度的關(guān)系。

利用脈沖點火器作為局放聲信號搭建的實驗平臺如圖3所示。脈沖點火器與傳感器固定在可旋轉(zhuǎn)光學(xué)滑軌上，由于脈沖點火器放電量不完全相同，因此每個放電位置進(jìn)行10次有效放電，對輸出信號求平均值以確保測試響應(yīng)的準(zhǔn)確性。測試角度為0~360°，以15°為步長進(jìn)行；脈沖點火器與傳感器之間的距離d分別取25cm、50cm、75cm和100cm，實驗結(jié)果如圖4所示。通過實驗結(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 實驗裝置圖

圖4 不同角度與位置檢測到的超聲波信號

3 變壓器油對傳感器特性參數(shù)的影響

EFPI傳感器在變壓器油中使用時，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增加了膜片振動的附加質(zhì)量，最終使得傳感器膜片固有諧振頻率下降。

搭建實驗平臺對與油接觸和未與油接觸的同一支傳感器進(jìn)行實驗驗證，實驗平臺如圖5所示。實驗用傳感器直接置于變壓器油中進(jìn)行實驗，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)行實驗，封裝后傳感器結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖5 EFPI傳感器超聲測量系統(tǒng)實驗平臺

圖6 EFPI傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖7 EFPI傳感器封裝后結(jié)構(gòu)

該實驗平臺將PZT作為聲波激勵信號，輸入信號從20~200kHz，步長為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比實驗結(jié)果如圖8所示。通過實驗結(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

依托于該實驗平臺對直接置于變壓器油中的傳感器進(jìn)行變溫實驗，測得其在20℃、50℃、80℃下的幅頻特性，實驗結(jié)果如圖9所示。通過實驗結(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》，論文標(biāo)題為“非本征光纖法-珀傳感器局部放電檢測研究進(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，研究方向為高壓電力設(shè)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(xué)基金青年基金、黑龍江省普通高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金和國網(wǎng)浙江省電力有限公司科技項目的資助。