外置油腔耦合局放超声非本征光纤法布里-珀罗传感器

发布时间：2022-02-21 20:32

　　为解决非本征光纤法布里-珀罗（Extrinsic Fiber Fabry-Perot Interferometor,EFPI）在电力变压器内体绝缘安装困难且易损坏的问题,设计了高灵敏度的EFPI传感器,提出采用油腔结构的变压器油箱壁外置式安装方法。在阐述EFPI传感和液气介质下膜片振动原理的基础上,分析了传感器检测灵敏度与其法-珀腔膜片尺寸的关系,设计EFPI传感器法-珀腔膜片尺寸并制备传感器。然后,设计外置油腔耦合结构,采用压电陶瓷（Piezoelectric,PZT）声发射传感器构建EFPI传感器性能测试系统,测得EFPI传感器的幅频特性和检测灵敏度。最后,使用板-板电极和变压器实体模型搭建局放检测系统,外置EFPI传感器与PZT传感器同时探测电极局放信号。实验结果表明:EFPI传感器的一阶固有谐振频率为113 kHz,静压灵敏度为7.5 nm/kPa,外置油腔耦合结构EFPI传感器局放超声信号的检测灵敏度高于传统的PZT传感器。外置结构可有效保护传感器膜片,降低安装难度,且避免了EFPI传感器置于变压器绝缘高场强度区域带来的安全隐患。 

【文章来源】：光学精密工程. 2020,28(07)北大核心EICSCD

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

仿真计算结果

EFPI传感器的法-珀腔由光纤尾纤端面与石英膜片平行放置组成,石英膜片的有效振动约束半径依靠石英套管内径确定,其结构如图1所示[9]。由光源发出的光经光纤传输进入法-珀腔,在腔体内不断进行反射和折射,最终在腔的两侧发生干涉现象,形成相位差恒定、波长相同的相干光信号并由光纤输出[10-11]。根据多光束干涉理论,法-珀腔的反射光输出光强为[12]:

目前,用于局放超声信号检测的传感器响应频带一般在100～200 kHz之间,根据上述理论分析可知,石英膜片越薄且约束半径越大则其静压灵敏度越高,同时其一阶固有谐振频率也会相应降低。受限于实际加工技术,本文所用石英膜片厚度为30 μm,有效约束半径为0.55 mm。利用COMSOL有限元软件,计算获得膜片振动位移分布云图及幅频特性曲线,结果如图2所示。该结构尺寸下膜片的一阶固有谐振频率为113 kHz,静压灵敏度为7.5 nm/kPa。图2 仿真计算结果

【参考文献】：
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博士论文
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本文编号：3637995