高灵敏硅凹槽膜片型光纤F-P局部放电超声传感器

文中设计并制备了一种硅凹槽膜片型光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)超声传感器,用于电力设备局部放电检测。采用有限元软件优化设计传感膜片的凹槽参数,与传统圆形膜片相比,硅凹槽膜片的静态灵敏度提升4.09倍且谐振频率基本不变。通过耦合效率修正传统双光束干涉模型,研究F-P腔长对传感器干涉光谱对比度的影响,以提升传感器的声压灵敏度。利用微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)制备硅凹槽膜片,其凹槽直径为829.44 μm,厚度为2.09 μm,F-P腔长为163.600 μm。在谐振频率61.5 kHz处,传感器声压灵敏度可达357.78 mV/Pa,并结合气体绝缘开关(gas insulated switchgear,GIS)局部放电缺陷模型对传感器性能进行验证。实验结果表明,文中所制备的光纤F-P超声传感器具有声压灵敏度高、实时性好、超声信号检测能力强等优点。     

基于保偏光纤模间干涉的光学电压互感器

为了满足高压及超高压电网对新型电压互感器的迫切需要,研究了一种基于保偏光纤模间干涉原理的高压电压互感器。用缠绕了保偏光纤的石英晶体圆柱作为电压传感头,被测电压通过石英晶体的逆压电效应来调制保偏光纤中2个低阶线性偏振模间的相位差,进而改变模间干涉输出光强的分布,通过探测模间干涉输出光强实现对被测高电压的测量。系统通过调整压电陶瓷的驱动电压使得模间干涉静态相位差为正交状态,并采取引入参考光路的方案剔除光源强度波动对测量精度的影响。实验研究结果表明,该互感器在额定被测电压附近能够达到0.2%的测量精度,能够同时反映被测高压的幅值和相位信息,满足高压测量领域对暂态变化的测量要求。     

光源光谱对光纤电压互感器性能的影响

从理论上分析了光源的光谱对双光路光纤电压互感器性能的影响,尤其采用Jones矩阵方法分析了光路中起偏器、1/4波片、电光晶体和偏振光分束器的界面背向反射和背向散射产生的寄生干涉的影响。其次,分析了光源相干函数中次相干峰对光纤电压互感器性能的影响。根据以上分析,给出了计量用光纤电压互感器对光源光谱的要求。采用光谱符合要求的光源进行了试验,结果表明光纤电压互感器性能满足应用要求。     

干涉式电压互感器的有限元分析

设计一种新型的光纤电压互感器以满足电力工业发展对高压电压互感器的要求,成为国内外的研究热点,为此基于石英晶体的逆压电效应,研制了一种双模干涉式的电子电压互感器并给出其基本原理即利用两个低阶模的干涉原理改善电压互感器的性能,为消除外界干扰、提高系统的测量精度提供理论根据。利用有限元软件对该互感器传感头进行电场强度分析和研究的结果显示:在峰值电压作用下,互感器传感头无击穿现象,满足了工程的需要,为光学电压互感器的电压测量的稳定性提供了理论依据。该互感器信号的感应和传输都在光纤中进行,光路结构简单,抗干扰能力强,准确度高,安全可靠,是光学电压互感器设计的一种新思路。     

石英晶体光学电压传感器传感特性实验研究

实验研究基于石英晶体的光学电压传感特性,包括不同光轴偏转角和检偏器角度对传感器输出信号的影响。光学传感单元包括1块石英晶体和2个偏振器,当所用石英晶体的尺寸为6 mm×6 mm×23 mm,工作光源波长为1 550 nm时,晶体的光轴偏转角可选取约为4°,且检偏器角度可选取约为15~25°,此时可获得相对较大的电压测量灵敏度和线性测量范围。实验测量125 V~4.5 k V范围内的工频电压,电压测量灵敏度约为0.294 V/k V,实验数据的非线性误差低于0.21%。     

光学高压电压互感器的设计

为了满足电力工业对高压电压互感器的需求,采用了基于模间干涉原理和石英晶体的逆压电效应的方法,介绍了一种新型的光学高压电压互感器的基本结构和工作原理。该互感器是在圆柱形石英晶体上施加交流电压使其产生压电形变,使缠绕在圆柱表面的椭圆芯双模光纤中的两个传导模LP01模和LP11模的相位差发生变化,最后得到被测电压。通过实验对该互感器的设计进行了可行性研究,表明该互感器具有较好的精度和线性度,为光学电压互感器的研究提供了理论基础。该互感器信号的感应和传输都在光纤中进行,因而不需要耦合器、起偏器、电光晶体等光学元件,加工工艺简化,该系统是具有结构简单、准确度高、安全可靠、造价低等优点的互感器系统。     

利用模间干涉原理的电压互感器仿真

为了满足电力工业发展对高压电压互感器的要求,设计一种新型的光纤电压互感器成为国内外的研究热点,故在理论分析光纤内光模场分布特点后用MATLAB仿真研究了光纤的模间干涉现象,给出了理想情况下LP01模和LPe1v1en模之间干涉光强的分布与光纤轴向长度变化之间的关系;在分析了石英晶体的压电特性基础上,提出了一种采用石英晶体逆压电效应和椭圆芯保偏光纤模间干涉原理的电压互感器设计方案,给出了相应的数学模型;通过仿真研究,得到了该方案的线性测量范围及调节方法。该设计方案光路结构简单,抗干扰能力强,是光学电压互感器设计的一种新思路。     

光学电压互感器偏光干涉测量模式:(一)常见偏光干涉测量模式局限性分析

现有的光学电压互感器(OVT)大多基于电光晶体的Pockels效应,即电光晶体在外加电场的作用下其折射率发生变化,使得沿某一方向射入晶体的线偏振光产生电光相位延迟,延迟量与外加电场成正比。由于无法实现对晶体电光相位延迟的直接测量,通常采用偏光干涉测量模式,将相位延迟转变为光强调制,通过对光强的检测实现电压测量。这种测量模式反映了光功率的大小,但仅能近似线性地测量有限的电光相位延迟,其稳定性与可靠性受到温漂、晶体附加相位延迟、半波电压等问题的限制,无法满足电力系统的实用要求。文中分析了偏光干涉测量模式的局限性,并对双光路补偿法进行了讨论。     

基于光谱法的法珀压力传感器腔长解调方法研究

针对白光干涉复合式光纤法珀压力传感器反射光谱复杂,其准确解调易受光源光谱不稳定与电路噪声等因素影响的问题,通过理论分析,确认了反射光谱包络信号来源于传感器对压力敏感的空气腔,其频率上的周期直接正比于腔长,提取了复合式光纤法珀压力传感器反射光谱的包络信号,通过正弦频率估计的方法,优化四参数正弦拟合为三参数正弦拟合,降低正弦拟合的计算量,并准确寻找包络信号两个峰的峰值位置,通过腔长与信号周期的关系可最终得到准确的腔长值。对该解调算法进行了详细地理论分析与数值仿真,通过实验验证了光谱法中峰值检测方法对复合式光纤法珀压力传感器80 μm空气腔静态腔长的精确解调,相对误差为0.13%。     

一种用于高压电气设备局放超声检测的新型EFPI传感器

本文介绍了一种新型结构的光纤EFPI超声传感器，可内置于变压器、GIS等高压电气设备，并用新型结构的光纤EFPI超声传感器在不同温度和不同压强条件下，进行局部放电超声信号的检测。新型传感器采用全石英焊接工艺，在F-P腔上开孔，使绝缘介质进入F-P腔，平衡了石英膜片两侧由于温度和绝缘介质产生的压强差，并在石英膜片内表面上局部镀铝膜，提高膜片内表面的光反射率，提升了传感器的灵敏度。通过用传感器在不同温度、不同距离下进行测试，验证了传感器的温度、频率等性能，为检测高压电气设备内部局部放电提供了一种新的检测方法。     

基于 F-P 标准具非线性波长校准的 FBG 传感系统解调方法

针对光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)解调系统在变温环境下由于波长漂移引起的解调精度不足问题,提出了一种基于法布里-珀罗(Fabry-Perot, F-P)标准具非线性波长漂移校准的FBG传感系统解调方法。研究建立了引入F-P标准具的FBG解调系统,设计了基于F-P标准具非线性误差补偿的波长校准流程,搭建了FBG解调系统在航空航天实际应用环境中的模拟实验系统,并在恒温及变温环境下进行了实验测试。实验结果表明,本文所提出方法在恒温及变温环境下的传感系统解调稳定性在±0.6 pm及±1.1 pm以内,且在变温环境下传感系统解调的波长漂移量从20.3 pm减小到0.7 pm。验证了解调方法的精度和稳定性,为航空航天等领域的结构健康监测提供了参考。     

QMEMS晶振的MEMS器件真空度测量方法研究

QMEMS晶振是一种采用MEMS(micro-electro-mechanical system)加工技术充分发挥石英(Quartz)晶体材质特性制造出的高性能、高集成度的新型石英晶振。利用QMEMS晶振体积小、性能稳定的特点,提出将QMEMS晶振作为传感器内置于MEMS器件管壳内部,对MEMS器件腔体内部真空度进行实时监测的方法。在对石英晶振测量真空原理进行分析的基础上,研究了QMEMS晶振的结构和管壳开口方法,设计了一套基于QMEMS晶振气压传感器的真空度测量系统,实现了对真空度的测量,并对系统进行了标定。试验表明,该真空计可实现1~30kPa压强范围的测量,测量精度约为5%,能满足MEMS器件实时真空度测量要求。     

基于标准具的XLPE电缆接头光栅测温系统

采用光纤光栅(FBG)测量电缆温度已逐步成为在线监测XLPE电缆绝缘状态的重要手段。文中介绍了采用F-P滤波器解调光纤光栅测量结果的原理,并通过实验指出了该方法的固有缺陷。为克服该缺陷,提高测量精度,本文采用F-P标准具标定波长漂移量,完全避免了滤波器选通波长和调谐电压之间的非线性关系造成的影响,大大提高了光纤光栅的测量精度。经过在实验室三相110kV XLPE电缆接头进行测量可知,采用该方法后系统测量误差控制在±0.4℃以内,具有良好的工程实用性。     

光纤光栅解调技术在电力系统中的应用

实现对电力设备的温度监测是电力系统安全与稳定的重要保障。文章比较了光纤光栅传感器和传统传感器的性能,介绍了光纤光栅传感器的工作原理,设计并实现了基于可调谐F-P滤波器的光纤光栅波长解调系统,并就光纤光栅解调技术在高压开关柜、电力电缆、高压变压器绕组等电力系统设备温度监测中的应用进行了介绍。     

光纤光栅测量技术的应用研究

分析了高压输电线路覆冰的危害,介绍了变电站电气设备温度测量的意义。利用光纤既是传感材料又是传输材料以及抗电磁干扰等优点,引出了光纤光栅温度和应变测量系统。通过对光纤光栅传感原理的研究,结合高压输电线路和变电站电气设备的特点,设计了波分复用传感系统和C/S模式的监测系统网路结构模型,对大范围的高压输电线路和其他电气设备进行温度和应力的同时监测有参考价值。     

新型光电式电压互感器研究

本文提出一种应用于500KV的光电式电压互感器。该互感器基于石英晶体的逆压电效应。高压经圆筒电容器分压后加到圆柱状的石英晶体上,晶体的压电形变被缠绕在晶体圆柱表面上的椭圆芯双模光纤传感,由低相干干涉仪对光纤中传播的两个空间模(LP01模和偶数LP11模)的微分光波相位的调制进行检测。该互感器除电容分压、石英晶体外,是一个全光纤的解决方案,没有准直仪、偏振片和波片等块状光学元件;进而降低了成本、提高了精度、便于规模化生产。本文给出了电压互感器的系统结构及绝缘设计,研究了互感器的性能,为高压电压互感器的应用提供了理论依据。     

高精度光纤光栅振动解调系统研究与应用

为实现工程系统中对振动信号的检测,提出了一种基于衍射光栅的光纤布拉格光栅(FBG)振动解调系统。解调系统通过色散成像原理获取传感器反射光谱,由所设计的嵌入式单元进行信号处理,并通过专用的上位机解调软件完成数据处理与分析。将系统封装为解调仪器,能实际应用于振动信号的探测。所设计的系统波长解调范围为1 525～1 570 nm,波长重复性可达±1 pm,分辨率为0.5 pm,可实现8通道复用测量,最高光谱解调速度可达10 kHz。实验结果表明,该FBG振动解调系统能够高精度测量不同频率与幅度的振动信号,最小可探测应变约为0.319με/Hz^1/2,在结构安全监测等领域具有重要的应用前景。