光纤Mach-Zehnder干涉法超声波检测研究

2020-03-12刘颖郝艳捧陈彦文阳林李立浧

广东电力 2020年2期

刘颖，郝艳捧，陈彦文，阳林，李立浧

(华南理工大学电力学院，广东广州 510641)

电缆局部放电(partial discharge，PD)常伴随着电磁波、超声波、光、化学变化等现象[1-3]，局部放电产生超声波，并从局部放电点以球面波的方式向四周传播[4-5]，这部分能量估计占总能量的1%[3,6]。超声检测法将电缆局部放电产生的超声波信号转化为电信号，实现电缆缺陷诊断[7]。

传统的电缆局部放电超声检测采用压电传感器(piezoelectric transducer，PZT)，将超声波信号转化为电信号[8-9]。近年来，开始探索将光纤本身或外部敏感元件作为传感器。基于声发射的光纤传感器采用干涉原理检测超声波信号，主要有法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉、萨格纳克(Sagnac)干涉、迈克尔逊(Michelson)干涉和马赫曾德(Mach-Zehnder)干涉4种。

2001年，美国Jiangdong D研究了用Fabry-Perot干涉光纤传感器检测变压器局部放电，试验表明传感器具有220 kHz高频率响应、抗电磁干扰等优点[10]。2002年，该团队试验证明该传感器频率响应为200 kHz[11]。2016年，西安交通大学研究用单模Sagnac光纤传感器和多模光纤散斑传感检测局部放电，并与高频电流传感器、压电传感器进行间隙放电对比试验，发现只有Sagnac光纤传感器检测到微弱的间隙放电[12]。2017年，大连交通大学等研究采用长尾Sagnac光纤传感器检测高压电缆局部放电，利用压电换能器模拟局部放电产生的超声波，研究超声定位的精度为16 m[13]。2017—2018年，太原理工大学研究的Sagnac干涉仪有效频带达175 kHz，采用10 kV设备模拟局部放电的特征超声频带在28.9～57.6 kHz间，发现在10 kV电压下局部放电信号的时域幅度范围为0.8～1.9 V，频率响应高达58 kHz[14-15]。1996年，澳大利亚Zargari A和Blackburn T提出用Michelson干涉结构的内置光纤传感器来检测高压电气设备的局部放电，将100 m长633 nm单模光纤缠绕在一个直径为30 mm的圆环状模型上，线圈缠绕后用环氧树脂封装构成传感器，该试验表明，该光纤传感器较压电传感器检测局部放电更灵敏[16]。2010年，葡萄牙Sanderson L提出了基于芯轴结构的光纤Michelson传感器，将单模光纤绕在直径为12 mm、壁厚为0.5 mm的聚碳酸酯轴上形成换能器，组建Michelson干涉系统检测局部放电超声波。用压电传感器在水下产生3 kHz、10 kHz和30 kHz的声波时，改变距离，光纤传感器输出信号的快速傅里叶(fast Fourier transform，FFT)频谱显示，频率低、距离短的状态下，传感器信号更强，距离衰减更加突出[17]。2016年，上海大学使用Michelson干涉型光纤传感器检测高压电缆附件的局部放电，将1 550 nm的单模光纤缠绕在硅橡胶棒上作为传感器，该试验表明该传感器对声波具有较高的灵敏度，频率最高可达150 kHz[18]。2003—2013年，马德里卡洛斯三世大学Lamelarivera H等学者采用Mach-Zehnder干涉传感器检测局部放电，将8 m长光纤缠绕成直径为25 mm的光纤线圈，或将光纤缠绕在30 mm的圆柱模型上，作为敏感元件，当局部放电103pC时，检测到20 kHz的超声信号，局部放电最精确定位为1 cm[19-23]。2015年，德国Philipp R将1 550 nm单模光纤缠绕在硅橡胶芯棒上测量局部放电，发现该传感器的最佳通带是65 kHz

综合分析以上4种光纤的声学检测法特点，Fabry-Perot干涉光纤传感器可以在电气设备内部或外部进行局部放电检测，结构小巧，方便灵活；但是其需要封装且制作要求高，常用于电力变压器的检测。Sagnac干涉光纤传感器有较好的灵敏度，可进行长距离局部放电检测，局部放电定位具有一定优势。Mach-Zehnder干涉和Michelson干涉可以满足局部放电检测20～300 kHz的检测频带要求，灵敏度高、制作较为容易，具有较好的方向灵敏度。本文提出基于Mach-Zehnder光学干涉原理的超声波检测系统，根据传感器芯棒的共振原理，研究传感器的尺寸，采用保偏弯曲不敏感光纤作为传感光纤，减少光信号衰减以提高灵敏度。

1 Mach-Zehnder光纤传感原理

1.1 光纤干涉系统

Mach-Zehnder干涉光纤传感系统如图1所示，该系统由光源、光纤12耦合器、光纤传输臂、光纤传感臂、光纤传感器、光电探测器和示波器组成。其工作原理为：光源发出相干光，经耦合器均分成2束，一束光沿传感臂传播，另一束沿参考臂传播；保持2束光正交，当传感臂光纤受到局部放电超声信号干扰，光波相位随局部放电发出的声扰变化，于是这2个波产生干涉，通过传感器可以检测到干涉[26]，即光纤相位变化与光纤所受超声应力成正比。

图1 Mach-Zehnder干涉光纤超声检测系统Fig.1 Schematic diagram of Mach-Zehnder interference fiber ultrasonic testing system

设输入光功率的振幅为A，则输入光的电压强度[26-27]

Ei=Aexp(iωt)iu.

(1)

式中：iu为光在偏振方向上的、用复数形式表示的单位矢量；ω为光的频率；t为时间。经过第1个耦合器，输入光平分成2束，2束光的功率Pi1和Pi2可表示为

Pi1=Pi2=A2/2 .

(2)

2束光的强度分别为：

(3)

(4)

(5)

式中：E*为E的共轭复数；υ为示频率。

Mach-Zehnder系统中的光纤传感器可以增强传感臂对周围超声信号的传感能力，由光纤绕在芯棒构成。芯棒处于共振频率ωi下，将以更大的振幅做振动[17]。

(6)

其中

λ=mπR/L.

(7)

a2=p2/12R2.

(8)

式中：Eσ为杨氏模量；ρ为芯棒密度；μ为泊松比；R和p分别表示芯棒的半径和壁厚；m为轴向半波数；n为径向半波数。

光源发出的连续光经耦合器均分成2束光，经光纤线圈两臂传播，每臂长20 m。接通超声发生器驱动电路，在传感臂的传感线圈处施加超声波，对传感臂光信号进行调制。在输出端的耦合器处，2束光发生干涉，经光电探测器转换成相应的电信号，呈现在示波器上。光电探测器的最大输入功率为70 mW。

1.2 光纤传感器

Mach-Zehnder光纤传感器芯棒采用聚碳酸酯圆柱管，长30 mm，外径11 mm，厚度0.5 mm，使其共振频率处于40 kHz。将波长1 550 nm的光纤缠绕在聚碳酸酯棒上，共30圈。聚碳酸酯管的弹性模量为2 GPa，泊松比为0.39，密度为1 200 kg/m3。光纤传感器如图2所示。

图2 光纤传感器示意图Fig.2 Fiber optic sensor schematic

根据缠绕的光纤类型不同，本文研制了2种干涉传感器，采用普通单模光纤的传感器记为A，采用保偏弯曲不敏感光纤的传感器记为B，传感器的中心频率均为40 kHz，灵敏度-65 dBm，工作温度-40 ～+85 ℃。

1.3 2种光纤干涉系统

采用2种类型光纤分别搭建如图1的干涉系统，不同系统的光源、光纤类型、传感器和耦合器不同，研究光纤类型和不同激光源对Mach-Zehnder干涉光纤传感系统性能的影响。

A系统：采用1 550 nm波长的常规连续普通激光源，功率为30 mW；采用普通单模光纤A，如图3(a)所示，其纤芯直径为9 μm，包层直径为125 μm，涂层直径为250 μm；采用普通光纤制作上文研制的传感器，以及2个分光比为50∶50的普通光纤耦合器。

B系统：光源是1个波长为1 550 nm的低噪声窄线宽激光器模块，采用熊猫型保偏光纤，型号BF14-DFB-1550-I-1-09PMF-40-FC/APC，输出光功率为30 mW；保偏弯曲不敏感光纤B如图3(b)所示，其纤芯直径为9 μm，包层直径为125 μm，涂层直径为245 μm；采用保偏弯曲不敏感光纤制作上文研制的传感器，以及保偏光纤12耦合器，型号为PMSS4150P5E20。保偏弯曲不敏感光纤的弯曲曲率半径更小，光路损耗更小。

1.4 超声源

采用超声波发生器产生频率可调的超声波，以此作为模拟电缆局部放电产生的超声源，由电源、驱动电路和振子3部分构成(如图1)。超声波频率在20～300 kHz间，局部放电产生的超声波频率是不固定的，声压与频率成正比，且频率越高超声波衰减越严重，频率太低或太高都会导致压力应变降低，故常选择共振频率为100 kHz以下的传感器。

图3 不同类型的光纤结构示意图Fig.3 Schematic diagram of different types of optical fiber structures

本文设计的传感器中心频率为40 kHz，选择市面常用的40 kHz和28 kHz这2种超声波发生器振子。40 kHz振子直径为48 mm，28 kHz振子直径为59 mm，声驱动电路最大功率300 W，工作频率50 Hz，工作电压220 V，电源输入电流0.5 A。

1.5 试验

调节超声发生器产生超声波，模拟电缆局部放电产生的超声波信号，分别进行光纤类型、超声频率f和功率P、超声源与传感器间空气传感距离x、超声源与传感器间硅橡胶厚度d共5组检测试验，结果见表。

表1 超声光纤检测试验Tab.1 Ultrasonic fiber testing experiment

实际电缆局部放电产生的超声波信号是通过绝缘层向外传播的，第5组试验在超声源和传感器之间铺设厚度分别为1 mm、2 mm和20mm的硅橡胶来模拟电缆接头和终端的应力锥。硅橡胶为传播介质的超声波检测如图4所示。

图4 硅橡胶为传播介质的光纤检测超声示意图Fig.4 Test diagram of silicone rubber medium

2 试验和数据分析

2.1 光纤类型

调节超声驱动电路功率60 W、频率40 kHz，分别用A系统和B系统进行检测，得到时域和FFT频域信号如图5所示。

图5 2种系统检测40 kHz超声波信号Fig.5 40 kHz ultrasonic signal detection results by two systems

由图5可知：①A系统响应频率分布在低于 20 kHz的非超声波频段，检测不到40 kHz超声波；原因是普通1 550 nm单模光纤的曲率半径为15 mm，实验中光纤传感器的聚碳酸酯棒直径为11 mm，光路损耗高，无法产生干涉。在光纤缠绕聚碳酸酯棒前，将30 mW激光引入光路，输出光功率为14.96 mW。而缠绕聚碳酸酯棒后，输出光功率衰减至μW级。②B系统对40 kHz的超声波响应明显，由于外界干扰，20 kHz以下的非超声波信号较明显，除少量倍频和低于超声频率的信号外，无明显杂波。

以下4组试验均采用B系统检测信号。

2.2 超声波频率

改变频率，调节超声驱动电路功率为120 W，28 kHz和40 kHz频率的检测结果如图6所示。

由图6可知：对于28 kHz和40 kHz的信号，传感器均检测到了相应的响应，并且传感器还响应了由于人为扰动而产生的低于20 kHz的非超声信号。尤其当超声波为28 kHz时，光纤传感器得到了2个频率的响应，分析原因是超声源的信号频率不稳定，而传感器的共振频率为40 kHz，因此检测到了2个频率的响应。

2.3 超声波功率

改变功率，对B系统施加40 kHz的超声信号，信号功率分别为60 W、120 W和180 W，时域和频域信号检测结果如图7所示。

由图7可知：B系统在不同功率作用下的时域波形不同，对3种的超声波均有响应，响应频率接近40 kHz。特别是超声波的功率增大时，由于仪器的震动外界干扰增大，响应的杂波信号相应增多。实际电缆局部放电的超声波是较为微弱的，功率较低时杂波少这一特点有益于将其运用于电缆的局部放电检测。

2.4 空气距离

上述试验传感器均紧贴超声源，本节改变传感器和超声源间的空气距离分别为5 cm和10 cm时，频率40 kHz和功率120 W超声波检测信号检测结果如图8所示。

由图8可知：距离5 cm时，测量结果的时域信号幅值为0.03 mV；而距离10 cm时，信号幅值约为0.005 mV；距离为10cm时杂波较5 cm少，倍频信号也不明显，响应较优。

2.5 硅橡胶传播介质

改变传感器和超声源间的传播介质，试验模型如图4。介质厚度分别为1 mm、2 mm和20mm时的检测信号检测结果如图9所示。

当硅橡胶厚度为1 mm时，可以看到传感器的响应很微弱，随硅橡胶厚度增大，响应逐渐增强。图9的这3组数据显示，当绝缘介质厚度越大，传感器对超声波的响应越好。分析认为，超声波在固体中的衰减速度远低于在空气中，硅橡胶较薄时超声波随空气消散较多，当硅橡胶的厚度增加时，超声波沿着固体介质传播距离增加，故此信号增强。