非本征光纖法-珀傳感器局部放電檢測研究進展

陳起超 張偉超 白仕光 杜 亮 趙 洪

非本征光纖法-珀傳感器局部放電檢測研究進展

陳起超1張偉超1白仕光2杜 亮3趙 洪1

（1. 哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院 工程電介質及其應用技術教育部重點實驗室 黑龍江省電介質工程重點實驗室 哈爾濱 150080 2. 大唐東北電力試驗研究院有限公司 長春 130102 3.國網浙江省電力有限公司 杭州 310007）

電力設備局部放電檢測一直是國內外學者的研究重點，局放超聲信號由于具有抗干擾易定位等優點而成為近年來的研究熱點。隨著科技的發展，使用光學傳感器檢測局放超聲信號成為一種新興的技術方法。在眾多的光學傳感器中非本征光纖法布里-珀羅（EFPI）傳感器由于具有體積小、靈敏度高和抗電磁干擾等優點而備受關注。首先，介紹了國內外關于EFPI傳感器的研究現狀；其次，對EFPI傳感器的檢測原理、膜片材料的基本性能及制備方法進行了細致的闡述，并分析了可用于外置耦合檢測的傳感器可行性和優化完善傳感器靈敏度設計方法的意義；最后，對EFPI傳感器在局放檢測中的局放點定位研究進行了分析，總結了傳感器在應用研究中遇到的問題及解決方法，并根據EFPI傳感器的實際情況，對傳感器未來的發展趨勢和研究重點進行了展望。

局放超聲信號檢測 非本征光纖法-珀傳感器 膜片材料 制備方法 特性參數

0 引言

局部放電（簡稱局放）是危害高壓電力設備安全運行的重要因素，其發生時伴隨有電信號、光信號、超聲信號及化學反應產生[1-4]。在這些現象中超聲信號具有高時效性、易于檢測及抗電磁干擾等特點，成為近年來的研究熱點[5-6]。對局放超聲信號的檢測方法逐步由傳統的外置壓電陶瓷（Piezoelectric, PZT）檢測法轉變為內置的光纖聲波傳感器檢測法。在眾多的光纖聲波傳感器中非本征光纖法布里-珀羅（Extrinsic Fiber Fabry-Perot Interferometer, EFPI）傳感器由于具有結構簡單、體積小及靈敏度高等優點而獲得國內外研究學者的高度關注[7-8]。

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[9]。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[10-13]。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[14]；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[15-16]。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[17]。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[18]；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[19]。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[20]；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[21]。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[22-24]。2013年，Ma Jun等設計制作了具有1 100nm/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[25]。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[26]。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[27]；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[28]。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[29]。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[30]；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[31]。

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[32]；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[33]；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[34-35]。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[36-38]；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[39]；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[40]；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[41-42]。

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[43]；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[44-45]。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[46]。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[47]；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[48]，并基于上述研究工作完成對傳感器方向響應特性的測試[49]。

針對于EFPI光纖聲波傳感器的國內外研究現狀，本文首先介紹EFPI光纖聲波傳感器檢測局放超聲信號的基本原理；然后詳細敘述EFPI光纖聲波傳感器在設計制備中的技術難點（例如加工方式、結構尺寸設計等）；最后總結EFPI光纖聲波傳感器在局放檢測中的局放點定位研究以及實際應用中遇到的問題，并根據實際問題對其未來在局放超聲信號檢測中的發展趨勢進行展望。

1 EFPI傳感器基本檢測原理及設計方法

1.1 EFPI傳感器的基本檢測原理

EFPI傳感器的光學原理是多光束干涉[50]，其基本結構多采用膜片式，即將聲光換能元件根據設計要求加工成微米級或納米級膜片，將膜片與光纖尾纖端面鍍有一定反射率的薄膜，且這兩個面相互平行并有一定距離，兩個端面間的腔體就是法-珀腔，光束入射到法-珀腔后在兩個端面間多次反射后形成干涉，其基本結構示意圖如圖1所示。

圖1 膜片式EFPI傳感器結構示意圖

根據多光束干涉的基本原理可知，經法-珀腔反射后的輸出光強[51]為

式中，0()為入射光光強；1、2分別為尾纖端面與耦合膜片的反射率；為法-珀腔長；為入射光波長；為腔內介質折射率，當介質為空氣時=1。當局放產生的聲波信號傳播到膜片表面時，膜片受聲波信號驅動開始振動從而改變了法-珀腔的長度，使干涉光譜發生變化，輸出光強隨之改變。

1.2 EFPI傳感器設計方法

EFPI傳感器依據膜片位移振動實現聲信號調制，膜片的動力學特性決定傳感器的頻響帶寬和靈敏度[52]。傳感器膜片多以圓形為主，根據彈性力學的基本原理，對受固定約束的薄圓片，其固有諧振頻率為[53]

式中，為膜片材料抗彎剛度；為重力加速度。為膜片有效振動半徑；為傳感器膜片厚度；為膜片材料密度；為膜片材料彈性模量；為膜片材料泊松比。可見，傳感器性能是膜片材料和尺寸的相關函數。

另外，通常以傳感器膜片中心點形變位移即靜壓靈敏度衡量EFPI傳感器的響應靈敏度，其理論解析式為

式中，為作用在膜片表面的靜壓力。

一般情況下，可以認為當超聲信號頻率超過傳感器膜片固有諧振頻率0時，膜片受迫振動位移接近于零，則傳感器的有效檢測帶寬為0～0。考慮到局放超聲信號通常在20～300kHz間，因此在設計制備傳感器時，其固有諧振頻率應當在300kHz以內。利用上述公式對30μm、40μm、100μm厚的石英膜片進行仿真計算，獲得其固有諧振頻率及靈敏度與傳感器膜片有效約束半徑之間的關系，如圖2所示[53]。

根據上述公式及其計算結果可知，傳感器檢測靈敏度受其檢測帶寬和靜壓靈敏度共同影響，且檢測帶寬和靜壓靈敏度相互制約，即檢測帶寬增加時靜壓靈敏度降低，提高靜壓靈敏度后檢測帶寬變窄。因此在已確定膜片材料的傳感器設計及制備過程中，需要根據局放超聲信號特點合理計算設計傳感器的結構尺寸，以滿足所需的檢測帶寬和靜壓靈敏度。

圖2 不同膜片厚度EFPI傳感器固有頻率和靈敏度隨有效約束半徑變化關系

2 EFPI傳感器的設計及制備

2.1 傳感器膜片材料的選取

根據傳感器的基本原理可知，膜片材料的選取直接影響傳感器檢測靈敏度。由于傳感器對膜片結構要求的特殊性且不同膜片材料加工難度不同，限制了使用不同材料加工制作而成的傳感器檢測靈敏度極限。目前被報道使用過的膜片材料主要有聚合物膜片、金屬類膜片、半導體硅膜片、石英膜片、多層石墨烯膜片及二硫化鉬膜片。

2.1.1 聚合物膜片

采用聚合物制作膜片具有一定的局限性，這是由于聚合物的楊式模量較低，基本在10GPa以內，導致其加工成型的膜片一階固有諧振頻率相對較低。利用空芯光纖及聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）制備的膜片式EFPI傳感器結構示意圖如圖3所示，其膜片及法-珀腔利用蘸取及熱烘干方式制備而成，機械強度得到較大提升[54]。

圖3 聚合物膜片EFPI傳感器結構示意圖

該傳感器的聲壓靈敏度為0.427mV/mPa，在5～720mPa范圍內具有較好的線性響應，但其主要在10～50Hz低頻范圍內具有較高響應，可實現0.5Hz的分辨率，不適用于檢測高頻的局放超聲信號。

2.1.2 金屬類膜片

現階段采用金屬類膜片制備EFPI傳感器膜片的材料主要有金屬銀膜片和金屬金膜片兩種方式。金屬銀膜片的加工方式有化學電鍍法和磁控濺射法。化學電鍍法可以加工獲得納米級的銀膜片，應用其制備獲得的傳感器如圖4所示，該傳感器檢測靈敏可達到160nm/Pa，但這種加工方式獲得的納米級銀膜片表面平整度較差，傳感器一致性無法得到保證[55-56]。

圖4 化學電鍍法制備的金屬銀膜片EFPI傳感器

磁控濺射法加工獲得的銀膜片厚度在130nm，應用其制備的傳感器結構如圖5所示。銀膜片的表面平整度高于20μm，工藝良好且具有可行性[57]。

圖5 磁控濺射法制備的金屬銀膜片EFPI傳感器結構示意圖及實物圖

金屬金膜片的制備主要利用物理氣相沉積法制備，膜片厚度為100nm且膜片表面平整度較好，利于EFPI傳感器使用，傳感器實物如圖6所示。該傳感器的靜壓靈敏度在0～100kPa范圍內約為19.5nm/kPa，整體線性度高達0.99，在2.6kHz聲壓頻率下，其最大探測聲壓靈敏度可達80.6mV/Pa[58]。

圖6 金屬金膜片EFPI傳感器實物圖

2.1.3 半導體硅膜片

使用MEMS加工半導體硅膜片的技術十分成熟[59]，所獲得的硅膜片一致性非常高，應用其制備獲得的傳感器如圖7所示[60]。

圖7 半導體硅膜片EFPI傳感器實物圖

由于硅的楊氏模量達到190GPa，因此在保證檢測靈敏度的前提下即使極薄的硅膜也具有較高的一階固有諧振頻率，非常適合應用在局放超聲信號檢測中。

2.1.4 石英膜片

使用傳統的機械加工方法很難獲得20μm以下石英膜片。但隨著現代科技發展，石英膜片的加工技術日趨成熟和多樣，目前利用電弧放電工藝可獲得320nm厚石英膜片，利用該技術獲得的石英膜片直徑較小，不適于制備傳感器膜片[61]。采用石英膜片制備獲得的傳感器如圖8所示[34]。

由于石英膜片和光纖端面的光反射率小于4%，因此為了傳感器獲得較好的干涉光譜，需要在石英膜片內側和光纖端面進行鍍膜處理。利用石英膜片制作傳感器時，一般使用準直毛細管玻璃進行配合制作，這是由于石英膜片、光纖及準直毛細管玻璃的熱膨脹系數基本一致，可使傳感器獲得較好的溫度特性。

圖8 石英膜片EFPI傳感器實物圖

2.1.5 多層石墨烯膜片

石墨烯是現在全世界已知材料中可制備獲得的最薄的膜[62-63]，單層石墨烯的厚度約為0.335nm，并且石墨烯的楊氏模量為1TPa，且具有非常高的機械強度，其拉伸度可達到20%。使用石墨烯膜片制備獲得的傳感器如圖9所示。

圖9 多層石墨烯膜片EFPI傳感器

該傳感器使用的石墨烯膜片厚度為100nm，有效振動直徑為125μm。傳感器的一階固有諧振頻率為259.84kHz，檢測靈敏度為1 000nm/kPa。但是石墨烯膜片的光反射率非常低，而且其轉移貼合技術不成熟，極大地限制了其在局放超聲信號檢測中的應用研究。

2.1.6 二硫化鉬膜片

目前已獲得的二硫化鉬膜片最薄可達5nm，其楊氏模量為300GPa，使用其制作而成的傳感器輸出信號具有良好的線性度。傳感器檢測靈敏度為89.3nm/Pa，比常規材料高三個數量級（例如銀膜片、石英膜片等）。其傳感器如圖10所示[64]。

圖10 二硫化鉬膜片EFPI傳感器

使用二硫化鉬膜片制備的傳感器在局放超聲信號檢測中的應用前景令人期待，但受限于該膜片的加工工藝復雜且難度極大，目前國內外學者并未對其在局放超聲信號檢測中的應用開展廣泛研究。

2.2 傳感器制備方法

2.2.1 膠水粘接法

用于局放超聲信號檢測的EFPI傳感器基本結構以插芯套管式為主。目前聚合物膜片、金屬銀膜片及二氧化硅膜片由于材料本身的特性，其與插芯套管的耦合方式為膠水粘接，傳感器制備示意圖如圖11所示[57]。

圖11 采用環氧膠制備的EFPI傳感器示意圖

使用膠水粘接方式制備的傳感器在變壓器油中長期使用的可靠性較差，這是由于變壓器油中含有少量硫，具有一定腐蝕性，膠水長期浸泡在變壓器油中其性能參數會發生改變[65-66]。并且由于大多數膠水的熱膨脹系數都比較大，在溫度發生變化時傳感器靜態工作點易受影響，同時膠水的熱應力也容易破壞傳感器結構。

2.2.2 范德華力耦合法

金屬金膜片、多層石墨烯膜片和二硫化鉬膜片依托于范德華力與插芯套管進行耦合，以多層石墨烯膜片轉移貼合技術為例，其傳感器制備示意圖和實物圖如圖12所示[63]。利用這種方式制作的傳感器膜片與插芯套管耦合程度不易控制，在受到一定外界壓力作用時，傳感器腔體會有泄漏情況發生，這就制約了其在復雜工作環境下的應用。

圖12 采用范德華力制備的EFPI傳感器

2.2.3 鍵合法

利用鍵合技術可將半導體硅膜片與石英套管緊密耦合在一起，采用鍵合法制備的傳感器如圖13所示[67-69]。鍵合技術成熟、結構牢固穩定，這使得傳感器可以較好地應對變壓器內部復雜的工作環境。但利用該技術制備的膜片為半導體硅，其在應用時需要考慮到電力設備高場強的作用，避免自身發生局放而引起運行事故。

圖13 采用鍵合技術制備的EFPI傳感器實物圖

2.2.4 二氧化碳激光熱熔焊接法

采用全石英材料制作的傳感器可以使用二氧化碳激光熱熔焊接法制作而成，使用該方法制備獲得的傳感器如圖14所示[70-72]。

圖14 采用激光焊接制備的EFPI傳感器實物圖

該方法使用的激光焊接方式為熱傳導焊接，此焊接方式對石英膜片進行焊接時容易引起熱應力分布不均勻，導致石英膜片產生裂紋，而且在焊接時非常容易使石英膜片氣化穿孔，導致焊接結構不夠牢固穩定，圖15所示為焊接失敗的傳感器。使用二氧化碳激光熱熔焊接法制備的傳感器性能穩定，結構安全可靠，但是對加工制作工藝要求極高。

圖15 激光焊接失敗的EFPI傳感器

2.3 應用于變壓器油箱壁外側的EFPI傳感器

采用EFPI傳感器檢測變壓器局放超聲信號時，通常將傳感器安裝在變壓器內部進行檢測，此方法雖然檢測精度可以得到保證，但在實際使用時會遇到諸多問題，而且對于已經投產運營的變壓器更是無法進行內部安裝。針對于上述實際問題，目前有外置固體介質耦合EFPI傳感器和外置油腔耦合EFPI傳感器兩種檢測方法，實現在變壓器油箱壁外側安裝EFPI傳感器檢測局放超聲信號。

2.3.1 外置固體介質耦合EFPI傳感器

外置固體介質耦合EFPI傳感器如圖16所示。局放超聲信號傳播到油箱壁，經油箱壁后傳播到與之緊密耦合的鋼片上，鋼片受迫振動并同時帶動貼附在其上的石英膜片振動，此時石英膜片在復頻域局放超聲信號的作用下以諧振的工作方式獲得較大振幅[41]。該傳感器前段鋼片采用與變壓器油箱壁同種材料加工而成，以減少聲波信號在不同阻抗邊界的傳播衰減，套管與石英膜片及固定結構之間采用膠水粘接的方式來固定[73]。

圖16 外置固體介質耦合EFPI傳感器

2.3.2 外置油腔耦合EFPI傳感器

外置油腔耦合EFPI傳感器的結構如圖17所示，該傳感器利用局放超聲信號在液-固-液復合界面的傳播特點設計并制備而成，并結合實驗獲得EFPI傳感器輸出信號強度和傳感器膜片與油箱壁距離的關系，確定傳感器的最佳安裝距離[42]。

圖17 外置油腔耦合EFPI傳感器結構示意圖

該外置油腔耦合EFPI傳感器與傳統PZT傳感器聯合檢測局放超聲信號的安裝示意圖如圖18所示。通過多次實驗結果對比發現，其檢測靈敏度要優于傳統的PZT傳感器。

圖18 EFPI傳感器與PZT傳感器安裝示意圖

上述兩種檢測方法都實現了EFPI傳感器在變壓器油箱壁外側的安裝使用，解決了EFPI傳感器在電力變壓器內部復雜工況下難以保障穩定運行的問題，同時為已投產的變壓器利用EFPI傳感器進行局放超聲信號檢測提供了新的思路和方法，具有一定的研究意義。

3 EFPI傳感器在局放檢測中的定位研究、應用問題及發展趨勢

3.1 EFPI傳感器局放點定位研究

能夠實現對局放點準確定位是局放超聲信號檢測的一大優勢，相比于傳統的PZT傳感器對局放點定位不同，EFPI傳感器能夠直接安裝于電力變壓器內部檢測局放超聲信號，并通過合理布置傳感器位置實現局放點定位，定位所用的傳感器數量少且精度高，EFPI傳感器的布置方式主要有多點分布式和單點陣列式兩種[74-76]。

3.1.1 多點分布式局放點定位研究

多點分布式的定位方法是將EFPI傳感器分布安裝在變壓器內部的三維空間中，一般最少采用四支EFPI傳感器，布置方法示意圖如圖19所示[74]。

圖19 多點分布式布置方法示意圖

當EFPI傳感器分布安裝時，一般采用到達時差法（Time Difference of Arrival, TDOA）進行定位計算。該計算方法簡單且精度高，但該方法需要在變壓器內多點安裝，增加了變壓器設計制造難度。變壓器高低壓繞組傳感器安裝點如圖20所示，其中一共四組八支傳感器，由此可見這種方法大大增加了變壓器的設計與制造難度[75]。

圖20 EFPI傳感器安裝位置示意圖

3.1.2 單點陣列式局放點定位研究

相比于多點分布式的安裝方式，單點陣列式則具有便于安裝和使用的優點，其實物圖如圖21所示[29]。

圖21 方形平面陣列EFPI傳感器實物圖

圖21中四支EFPI傳感器膜片處于同一水平面上，且每兩支傳感器間相隔90°，這種單點陣列式的方式雖然便于安裝和使用，但定位精度較低，需要對傳感器的排列方式和定位算法進行優化才能滿足檢測需求。將四支傳感器膜片水平高度進行調整后形成的空間三維排列如圖22所示。經實驗研究發現，利用空間三維排列的EFPI傳感器對不同方向的超聲信號測向精度誤差小于4°。

圖22 三維陣列EFPI傳感器示意圖

3.2 EFPI傳感器在局放檢測應用中的問題

3.2.1 動態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EFPI傳感器的原理可知，其檢測靈敏度受傳感器腔長影響。當傳感器在變壓器油中使用時，膜片受液體靜壓力作用發生形變，進而改變傳感器腔長，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整靜態工作點以保障傳感器檢測靈敏度。在實際應用中，傳感器多數都處在動態的溫度及壓力區域內，嚴重影響了傳感器的穩定性。

1）工作點動態追蹤技術

利用工作點動態追蹤系統可有效解決工作點漂移問題，該系統示意圖如圖23所示[33]。

圖23 基于可調諧FP濾波器的工作點調節系統示意圖

放大自發輻射（Amplified Spontaneous Emission, ASE）寬帶光源發射出的光進入隔離器，在經隔離器入射到可調諧FP濾波器中成為窄帶光后進入隔離器，窄帶光中心波長由PZT驅動電源進行控制調節；窄帶光經一分二耦合器1、2進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換為電信號，傳入計算機中。該系統的工作原理為通過可調諧窄帶光對傳感器進行掃描，獲得傳感器實時干涉光譜對應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工作點，穩定傳感器對局放超聲信號的檢測性能。

2）準連續正交調頻技術

準連續正交調頻技術同樣針對EFPI傳感器的正交強度解調系統，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。該技術的基本原理如圖24所示。通過MG-Y型激光器獲得四個連續且具有固定偏差（π/2）的光頻，并依托現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA）對光電探測器（Photoelectric Detector, PD）回饋信號進行處理，重新調整激光器輸出光信號，保證EFPI傳感器檢測的穩定性[77]。

圖24 準連續正交調頻技術系統及原理圖

3.2.2 傳感器響應角度與靈敏度的關系

在電力設備中局放點發生的位置呈不確定性，并且局放所發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生夾角。根據聲學基礎原理可知，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。為了能夠在實際應用中給傳感器選取最佳安裝位置，就需要獲得傳感器響應角度與檢測靈敏度的關系。

利用脈沖點火器作為局放聲信號搭建的實驗平臺如圖25所示[49]。脈沖點火器與傳感器固定在可旋轉光學滑軌上，由于脈沖點火器放電量不完全相同，因此每個放電位置進行10次有效放電，對輸出信號求平均值以確保測試響應的準確性。測試角度為0～360°，以15°為步長進行；脈沖點火器與傳感器之間的距離分別取25cm、50cm、75cm和100cm，實驗結果如圖26所示。通過實驗結果可知，在±60°的范圍內傳感器具有較好的響應靈敏度。

圖25 實驗裝置圖

圖26 不同角度與位置檢測到的超聲波信號

3.2.3 變壓器油對傳感器特性參數的影響

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生變化。產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行實驗驗證，實驗平臺如圖27所示。實驗用傳感器直接置于變壓器油中進行實驗，其結構如圖28所示。隨后取出傳感器，去除表面變壓器油，對其進行封裝處理，使膜片兩面都只與空氣接觸，將封裝后傳感器置于變壓器油中再次進行實驗，封裝后傳感器結構如圖29所示[39]。

圖27 EFPI傳感器超聲測量系統實驗平臺

圖28 EFPI傳感器結構圖

圖29 EFPI傳感器封裝后結構

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，封裝結構和非封裝結構EFPI傳感器在變壓器油中幅頻特性對比實驗結果如圖30所示。通過實驗結構可以看出，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構造成了一定的聲衰減。

依托于該實驗平臺對直接置于變壓器油中的傳感器進行變溫實驗，測得其在20℃、50℃、80℃下的幅頻特性，實驗結果如圖31所示。通過實驗結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量降低而導致的。

圖30 封裝結構和非封裝結構EFPI傳感器在變壓器油中幅頻特性對比

圖31 不同溫度變壓器油中EFPI傳感器的幅頻特性

3.3 EFPI傳感器在局放檢測中的發展趨勢

大型電力設備在發生局部放電時，其放電量一般較小，產生的局放超聲信號較為微弱，同時超聲信號在電力設備內部傳播時受多方因素影響衰減較大。因此為了能夠更好、更全面地檢測到局放信號，就要進一步提高傳感器的檢測靈敏度。傳感器膜片是決定其檢測靈敏度的重要因素，不同材料的膜片本身材料屬性存在一定差異，且加工難度也相差甚遠。以聚合物、硅和石英為基底制作的膜片厚度達到微米級，使用上述材料制備的傳感器檢測靈敏度基本在100nm/kPa左右；以銀、金和多層石墨烯為基底制作的膜片厚度已經達到100nm，使用上述材料制備的傳感器檢測靈敏度可達到1 000nm/kPa；以二硫化鉬為基底制作的膜片厚度達到10nm以下，使用其制備的傳感器檢測靈敏度達到89nm/Pa。通過EFPI傳感器的發展歷程可以看出，為了能夠獲得更高的檢測靈敏度必須要提高膜片基底材料的加工技術，同時尋找性能更為良好的材料。

在確定傳感器膜片所用材料后，為進一步優化傳感器檢測靈敏度需要對傳感器結構尺寸進行深入計算。目前關于對傳感器結構尺寸優化計算的研究較少，對于不同材料在微米甚至納米級別的物性研究也較少，使傳感器結構設計無法形成完善的系統，這也成為制約傳感器發展的一個原因。在獲得最優傳感器結構后，對于其結構穩定性的要求就顯得尤為迫切，這是由于幾乎所有的大型電力設備都工作在極其復雜的工況下。在復雜工況下，安置于其中的傳感器如果結構發生破壞，極容易導致二次事故的發生，危害生產安全，這也是多數電力生產部門對在大型電力設備內部安裝EFPI傳感器的最大顧慮。加快EFPI傳感器的應用推廣，必然要提高其結構穩定性，優化安裝位置，杜絕因傳感器損壞而引發的二次事故。

4 結論

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，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。

1）EFPI傳感器依托于微納加工技術的快速發展和大量新型材料的發現，檢測靈敏度獲得了質的飛躍，有望實現對局放微弱超聲信號更準確的檢測。

2）EFPI傳感器制備技術存在成本高和膜片加工工藝復雜等問題，這些都成為EFPI傳感器工業化進程的阻礙。

3）EFPI傳感器傳感膜片易損，且環境因素影響嚴重，是傳感器在電力工業現場使用的一個重要問題。

4）利用光作為信號傳輸載體的EFPI傳感器便于組成檢測網絡，能夠快速融入電站智能設備系統中，為智能變電站的發展起到積極的推動作用。

[1] 郭俊, 吳廣寧, 張血琴, 等. 局部放電檢測技術的現狀和發展[J]. 電工技術學報, 2005, 20(2): 29-35.

Guo Jun, Wu Guangning, Zhang Xueqin, et al. Current status and development of partial discharge detection technology[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2005, 20(2): 29-35.

[2] 付一峰, 陳俊岐, 趙洪, 等. 交聯聚乙烯接枝氯乙酸烯丙酯直流介電性能[J]. 電工技術學報, 2018, 33(18): 4372-4381.

Fu Yifeng, Chen Junqi, Zhao Hong, et al. DC dielectric properties of crosslinking polyethylene grafted chloroacetic acid allylester[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(18): 4372-4381.

[3] 高銘澤, 趙洪, 呂洪雷, 等.SEBS/PP復合材料抗水樹枝性能研究[J]. 電工技術學報, 2019, 34(24): 5252-5261.

Gao Mingze, Zhao Hong, Lü Honglei, et al. Study on anti-water-treeing performance of SEBS/PP composites[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(24): 5252-5261.

[4] 楊峰, 唐超, 周渠, 等. 基于等效電路的油紙絕緣系統受潮狀態分析[J]. 電工技術學報, 2020, 35(21): 4586-4596.

Yang Feng, Tang Chao, Zhou Qu, et al. Analyzing the moisture state of oil-paper insulation system using an equivalent circuital model[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(21): 4586-4596.

[5] 郭少朋, 韓立, 徐魯寧, 等. 光纖傳感器在局部放電檢測中的研究進展綜述[J]. 電工電能新技術, 2016, 35(3): 47-53.

Guo Shaopeng, Han Li, Xu Luning, et al. Review of research progress of fiber optic sensors in partial discharge detection[J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy, 2016, 35(3): 47-53.

[6] Wang Anbo, Pickrell G R. Optical sensor research at virginia tech center for photonics technology[C]// Fiber Optic Sensor Technology and Applications 2001, Boston, US, 2001: 1-7.

[7] Rao Yunjiang. Recent progress in fiber-optic extrinsic Fabry-Perot interferometric sensors[J]. Optical Fiber Technology, 2006, 12(3): 227-237.

[8] Wonuk J, Akkaya O C, Solgaard O, et al. Miniature fiber acoustic sensors using a photonic-crystal membrane[J]. Optical Fiber Technology, 2013, 19(6): 785-792.

[9] Murphy K A, Gunther M F, Vengsarkar A M, et al. Quadrature phase-shifted, extrinsic Fabry-Perot optical fiber sensors[J]. Optics Letters, 1991, 16(4): 273-275.

[10] Beard P C, Mills T N, Baldini F, et al. Optical fiber sensor for the detection of laser-generated ultrasound in arterial tissues[C]//Medical Sensors II and Fiber Optic Sensors, Lille, France, 1994: 112-122.

[11] Beard P C, Mills T N. Evaluation of an optical fiber probe for in vivo measurement of the photoacoustic response of tissues[C]//Advances in Fluorescence Sensing Technology II, San Jose, US, 1995: 446-457.

[12] Beard P C, Mills T N. 2D line-scan photoacoustic imaging of absorbers in a scatterin tissue phantom[C]//Biomedical Optoacoustics II, San Jose, US, 2001: 34-42.

[13] Beard P C, Mills T N. Miniature optical fiber ultrasonic hydrophone using a Fabry-Perot polymer film interferometer[J]. Electronics Letters-IEE, 1997, 33(9): 801-803.

[14] Beard P C, Perennes F, Mills T N. Transduction mechanisms of the Fabry-Perot polymer film sensing concept for wideband ultrasound detection[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency Control, 1999, 46(6): 1575-1582.

[15] Beard P C, Mills T N. Extrinsic optical-fiber ultrasound sensor using a thin polymer film as a low-finesse Fabry-Perot interferometer[J]. Applied Optics, 1996, 35(4): 663-675.

[16] Beard P C, Mills T N. A 2d optical ultrasound array using a polymer film sensing interferometer[C]//IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, San Juan, PR, USA, 2000: 1183-1186.

[17] Yu Bing, Kim D W, Deng Jiangdong, et al. Fiber Fabry-Perot sensors for detection of partial discharges in power transformers[J]. Applied Optics, 2003, 42(16): 3241-3250.

[18] Deng Jingdong, Xiao Hai, Huo Wei, et al. Optical fiber sensor-based detection of partial discharges in power transformers[J]. Optics and Laser Technology, 2001, 33(5): 305-311.

[19] Dong Bo, Han Ming, Wang Anbo, et al. Sulfur hexafluoride-filled extrinsic Fabry-Perot interferometric fiber-optic sensors for partial discharge detection in transformers[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2008, 20(18): 1566-1568.

[20] Wang Xiaodong, Li Baoqing, Xiao Zhixiong, et al. An ultra-sensitive optical MEMS sensor for partial discharge detection[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2005, 15(3): 521-527.

[21] Wang Xiaodong, Li Baoqing, Roman H T, et al. Acoustic-optical PD detection for transformers[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2006, 21(3): 1068-1073.

[22] Akkaya O C, Kilic O, Digonnet M J F, et al. High-sensitivity thermally stable acoustic fiber sensor[C]//IEEE Sensors Conference, Kona, HI, 2010: 1148-1151.

[23] Akkaya O C, Kilic O, Digonnet M J F, et al. Fabry-Perot fiber sensors with reproducible displacement sensitivities[C]//Optical MEMS and Nanophotonics International Conference, Istanbul, Turkey, 2011: 191-192.

[24] Akkaya O C, Kilic O, Digonnet M J F, et al. Modeling and demonstration of thermally stable high-sensitivity reproducible acoustic sensors[J]. Journal of Microelectromechanical Systems, 2012, 21(6): 1347-1356.

[25] Ma Jun, Xuan Haifeng, Ho H L, et al. Fiber-optic Fabry-Perot acoustic sensor with multilayer graphene diaphragm[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2013, 25(10): 932-935.

[26] Poeggel S, Lehmann P H, Osten W, et al. Miniature low-cost extrinsic Fabry-Perot interferometer for low-pressure detection[C]//Optical Measurement Systems for Industrial Inspection VIII. International Society for Optics and Photonics, Munich, Germany, 2013: 878811.

[27] Zhang Weichao, Chen Qichao, Zhao Hong. Numerical investigation of acoustic emissions distribution from partial discharge in transformer[C]//International Conference on Electrical Materials and Power Equipment, Xi’an, China, 2017: 489-501.

[28] Zhang Weichao, Chen Qichao, Zhang Liyong, et al. Fiber optic Fabry-Perot sensor with stabilization technology for acoustic emission detection of partial discharge[C]//2018 IEEE International Conference on High Voltage Engineering and Application (ICHVE), Athens, Greece, 2018: 1-4.

[29] Wang Peng, Wang Wei, Du Jian, et al. Experimental study of PD direction finding based on stereo ultrasonic array sensor of EFPI[C]//2018 2nd IEEE Conference on Energy Internet and Energy System Integration (EI2), Beijing, China, 2018: 656-661.

[30] Li Haoyong, Wang Xiejun, Li Delin, et al. MEMS-on-fiber sensor combining silicon diaphragm and supporting beams for on-line partial discharges monitoring[J]. Optics Express, 2020, 28(20): 29368-29376.

[31] Li Haoyong, Bu Jian, Li Wenli, et al. Fiber optic Fabry-Perot sensor that can amplify ultrasonic wave for an enhanced partial discharge detection[J]. Scientific Reports, 2021, 11: 8661.

[32] 趙洪, 李敏, 張影, 等. 用于液體介質中局放聲測的非本征光纖法珀傳感器[J]. 中國電機工程學報, 2008, 28(22) : 59-63.

Zhao Hong, Li Min, Zhang Ying, et al. Extrinsic fiber Fabry-Perot sensors for PD-induced acoustic emission detection in liquid dielectrics[J]. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(22): 59-63.

[33] 李敏. 液體電介質局放聲測的光纖非本征法珀型傳感器的研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱理工大學, 2009.

[34] 張偉超, 趙洪, 楚雄. 基于非本征光纖法布里-珀羅干涉儀的局放聲發射傳感器設計[J]. 光學學報, 2015, 35(4): 1-8.

Zhang Weichao, Zhao Hong, Chu Xiong. Partial discharge acoustic emission sensor design based on discharge acoustic emission sensor design based on extrinsic fiber Fabry-Perot interferometer[J]. Acta Optica Sinica, 2015, 35(4): 1-8.

[35] 楚雄. 電纜終端局部放電聲波特性及光纖檢測技術[D]. 哈爾濱: 哈爾濱理工大學, 2015.

[36] 聶德鑫, 陳連凱, 劉杰, 等. 非本征F-P局部放電光纖傳感器設計及靈敏度分析[J]. 應用光學, 2016, 37(6): 954-960.

Nie Dexin, Chen Liankai, Liu Jie, et al. Extrinsic F-P fiber optical sensor design for PD detection and sensitivity analysis[J]. Journal of Applied Optics, 2016, 37(6): 954-960.

[37] 吳巧巧, 周志強, 陳文, 等. 油紙絕緣系統局放光纖傳感檢測方法[J]. 哈爾濱理工大學學報, 2016, 21(4): 96-100.

Wu Qiaoqiao, Zhou Zhiqiang, Chen Wen, et al. PD fiber sensing detection method for oil-paper insulation system[J]. Journal of Harbin University of Technology and Science, 2016, 21(4): 96-100.

[38] 皮本熙, 曹旭, 聶德鑫, 等. 光纖F-P局部放電檢測傳感器優化設計[J]. 變壓器, 2018, 55(5): 39-43.

Pi Benxi, Cao Xu, Nie Dexin, et al. Optimum design of F-P optical fiber sensor PD detection[J]. Transformer, 2018, 55(5): 39-43.

[39] 張偉超, 趙洪, 魏寧, 等. 液體絕緣對光纖法布里-珀羅局放超聲傳感器特性參數影響[J]. 光學學報, 2018, 38(4): 1-9.

Zhang Weichao, Zhao Hong, Wei Ning, et al. Impact of liquid insulation on characteristic parameters of fiber Fabry-Perot PD induced ultrasound sensor[J]. Acta Optica Sinica, 2018, 38(4): 1-9.

[40] 張偉超, 董青青, 趙洪, 等. 液-固復合介質對光纖法-珀局部放電超聲響應強度影響分析[J]. 電工技術學報, 2019, 34(10): 2230-2238.

Zhang Weichao, Dong Qingqing, Zhao Hong, et al. Impact of liquid-solid composite medium on fiber Fabry-Perot response induced by ultrasound from partial discharge[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(10): 2230-2238.

[41] 程立豐, 張偉超, 趙洪, 等. 固體介質聲耦合光纖法-珀傳感器局部放電檢測方法[J]. 廣東電力, 2020, 33(9): 11-17.

Cheng Lifeng, Zhang Weichao, Zhao Hong, et al. Fabry-Perot sensor with solid dielectric acoustic coupling for partial discharge detection[J]. Guangdong Electric Power, 2020, 33(9): 11-17.

[42] 陳起超, 趙洪, 張偉超. 外置油腔耦合局放超聲非本征光纖法布里-珀羅傳感器[J]. 光學精密工程, 2020, 28(7): 1471-1479.

Chen Qichao, Zhao Hong, Zhang Weichao. External oil cavity coupled with EFPI partial discharge ultrasonic detection sensor[J]. Optics and Precision Engineering, 2020, 28(7): 1471-1479.

[43] 王偉, 王贊, 李富平, 等. 用于油中局放檢測的F-P光纖超聲傳感技術[J]. 高電壓技術, 2014, 40(3): 814-821.

Wang Wei, Wang Zan, Li Fuping, et al. Fabry-Perot optical ultrasonic sensing technology for detection of PD in the oil[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(3): 814-821.

[44] 張映月, 張春燕, 王偉, 等. 變壓器局放檢測光纖超聲傳感器優化設計與分析[J]. 電網與清潔能源, 2017, 33(1): 71-78.

Zhang Yingyue, Zhang Chunyan, Wang Wei, et al. Optimization design and analysis of fiber optic ultrasonic sensors for transformer partial discharge detection[J]. Power System and Clean Energy, 2017, 33(1): 71-78.

[45] 張春燕, 張映月, 王偉, 等. 基于光纖超聲傳感器的油紙絕緣局部放電超聲波信號特性試驗研究[J]. 現代電力, 2016, 33(6): 56-63.

Zhang Chunyan, Zhang Yingyue, Wang Wei, et al. Experimental study on ultrasonic signal charac-teristics of oil-paper insulation partial discharge based on fiber-optic ultrasonic sensor[J]. Modern Electric Power, 2016, 33(6): 56-63.

[46] 黃俊, 文溢, 姜飛, 等. 光纖F-P腔傳感器特性研究[J]. 傳感器與微系統, 2017, 36(4): 68-70.

Huang Jun, Wen Yi, Jiang Fei, et al. Research on characteristics of optical fiber F-P cavity sensor[J]. Transducer and Microsystem Technologies, 2017, 36(4): 68-70.

[47] Fu Chenzhao, Si Wenrong, Li Haoyong, et al. A novel high-performance beam-supported membrane structure with enhanced design flexibility for partial discharge detection[J]. Sensors, 2017, 17(3): 1-11.

[48] Si Wenrong, Fu Chenzhao, Peng Yuan, et al. Essential role of residual stress in fiber optic extrinsic Fabry-Perot sensor for detecting the acoustic signals of partial discharge[J]. Optoelectronics and Advanced Materials-Rapid Communications, 2017, 11(11/12): 637-642.

[49] Si Wenrong, Fu Chenzhao, Li Delin, et al. Directional sensitivity of a MEMS-based fiber-optic extrinsic Fabry-Perot ultrasonic sensor for partial discharge detection[J]. Sensors, 2018, 18(6): 1-10.

[50] 方祖捷, 秦關根, 瞿榮輝, 等. 光纖傳感器基礎[M]. 北京: 科學出版社, 2014:.

[51] 畢衛紅. 本征不對稱光纖法布里-珀羅干涉儀的理論模型[J]. 光學學報, 2000, 20(7): 873-878．

Bi Weihong. Mathematical Model for Fiber-Optical Non-Symmetrical Fabry-Perot Interferometric Cavity[J]. Acta Optica Sinica, 2000, 20(7): 873-878.

[52] 王艾琳. 波紋結構對膜片式EFPI光纖聲壓傳感器性能影響的研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2017.

[53] 張偉超. 液-固復合絕緣局放聲發射光纖傳感檢測技術研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱理工大學, 2015.

[54] Zhao Yong, Chen Maoqing, Xia Feng, et al. Small in-fiber Fabry-Perot low-frequency acoustic pressure sensor with PDMS diaphragm embedded in hollow-core fiber[J]. Sensors and Actuators A-physical, 2018, 270: 162-169.

[55] Xu Feng, Shi Jinhui, Gong Kui, et al. Fiber-optic acoustic pressure sensor based on large-area nanolayer silver diaghragm[J]. Optics Letters, 2014, 39(10): 2838-2840.

[56] Xu Feng, Ren Dongxu, Shi Xiaodong, et al. High-sensitivity Fabry-Perot interferometric pressure sensor based on a nanothick silver diaphragm[J]. Optics Letters, 2012, 37(2): 133-135.

[57] 劉彬, 劉歡, 林杰, 等. 銀薄膜結構的高靈敏度Fabry-Perot光纖聲壓傳感器[J]. 哈爾濱工業大學學報, 2016, 48(3): 11-14.

Liu Bin, Liu Huan, Lin Jie, et al. High sensitivity Fabry-Perot fiber acoustic pressure sensor based on large area silver diaphragm[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2016, 48(3): 11-14.

[58] Huang Qiangqiang, Deng Shuo, Li Min, et al. Fabry-Perot acoustic sensor based on a thin gold diaphragm[J]. Optical Engineering, 2020, 59(6): 064105.

[59] Pang Cheng, Hyungdae B, Ashwani G, et al. MEMS Fabry-Perot sensor interrogated by optical system-on-a-chip for simultaneous pressure and temperature sensing[J]. Optics Express, 2013, 21(19): 21829-21839.

[60] Li Haoyong, Li Delin, Xiong Chaoyu, et al. Low-cost, high-performance fiber optic Fabry-Perot sensor for ultrasonic wave detection[J]. Sensors, 2019. 19(2): 406-416.

[61] Liao Changrui, Liu Shen, Xu Lei, et al. Sub-micron silica diaphragm-based fiber-tip Fabry-Perot interferometer for pressure measurement[J]. Optics Letters, 2014, 39(10): 2827-2830.

[62] 周超, 陳思浩, 樓建中, 等. 石墨烯在傳感器中的應用研究進展[J]. 材料導報, 2014, 28(23): 15-20.

Zhou Chao, Chen Sihao, Lou Jianzhong, et al. Recent development on graphene-based sensors[J]. Materials Reports, 2014, 28(23): 15-20.

[63] Ma Jun, Jin Wei, Lut H H, et al. High-sensitivity fiber-tip pressure sensor with graphene diaphragm[J]. Optics Letters, 2012, 37(13): 2493-2495.

[64] Yu Feifan, Liu Qianwen, Zhang Tianyi, et al. Ultrasensitive pressure detection of few-layer MoS2[J].Advanced Materials, 2017. 29(4): 1603266.1-1603266.9.

[65] 吳奇寶, 連鴻松, 鄭云海, 等. 變壓器油硫腐蝕研究現狀[J]. 電工技術, 2017(7): 118-121.

Wu Qibao, Lian Hongsong, Zheng Yunhai, et al. Research status of transformer oil sulfur corrosion[J]. Electrical Engineering, 2017(7): 118-121.

[66] 鄒平, 胡亞平, 劉明, 等. 變壓器油中腐蝕性硫的危害及應對措施分析[J]. 科技創新與應用, 2014(1): 115.

[67] 許曉昕. 基于MEMS技術的光纖聲傳感器研究[D]. 北京: 中國科學院研究生院, 2007.

[68] Wang Xiaodong, Li Baoqing, Xiao Zhixiong, et al. An ultra-sensitive optical MEMS sensor for partial discharge detection[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2005, 15(3): 521-527.

[69] Ma Weiyi, Jiang Yi, Hu Jie, et al. Microelectromechanical system-based, high-finesse, optical fiber Fabry-Perot interferometric pressure sensors[J]. Sensors and Actuators A-physical, 2020, 302: 111795.

[70] Xu Juncheng, Wang Xingwei, Peng Wei, et al. A novel temperature-insensitive optical fiber pressure sensor for harsh environments[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2005, 17(4): 870-872.

[71] Xu Junchen, Wang Xingwei, Wang Anbo, et al. Miniature all-silica fiber optic pressure and acoustic sensors[J]. Optics Letters, 2005, 30(24): 3269-3271.

[72] 王文華, 于清旭, 姜心聲. 超薄熔石英玻璃的CO_2激光熱熔焊接工藝[J]. 中國激光, 2012, 39(10): 53-59.

Wang Wenhua, Yu Qingxu, Jiang Xinsheng. CO_2 laser heating fusion welding technique of ultra-thin fused silica glass[J]. Chinese Journal of Lasers, 2012, 39(10): 53-59.

[73] 魏寧. 光纖法布里-珀羅傳感器局部放電檢測方法研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱理工大學, 2015.

[74] 司文榮, 李澤春, 熊朝羽, 等. 基于MEMS光纖超聲傳感器的局放定位系統研制[J]. 傳感技術學報, 2020, 33(10): 1522-1528.

Si Wenrong, Li Zechun, Xiong Chaoyu, et al. Design and development of partial discharge positioning system based on MEMS-on-fiber ultrasonic sensors[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2020, 33(10): 1522-1528.

[75] 于雷, 王世杰, 王鵬, 等. 變壓器繞組內部局放超聲定位仿真及試驗研究[J]. 絕緣材料, 2019, 52(6): 72-78.

Yu Lei, Wang Shijie, Wang Peng, et al. Simulation and experimental study on ultrasonic localization of partial discharge in transgormer winding[J]. Insulating Materials, 2019, 52(6): 72-78.

[76] Gao Chaofei, Wang Wei, Song Shu, et al. Localization of partial discharge in transformer oil using Fabry-Pérot optical fiber sensor array[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2018, 25(6): 2279-2286.

[77] Liu Qiang, Jing Zhenguo, Xia Zhenjie, et al. Fiber-optic ultrasonic sensing via quasi-continuous quadraturefrequency modulation [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2020, 32(21): 1385-1388.

Research Progress of Extrinsic Fiber Fabry-Perot Interferometer Sensor in Partial Discharge Detection

Chen Qichao1Zhang Weichao1Bai Shiguang2Du Liang3Zhao Hong1

（1. Key Laboratory of Engineering Dielectrics and Its Application Ministry of Education School of Electrical and Electronic Engineering Harbin University of Science and Technology Harbin 150080 China 2. Datang Northeast Electric Power Test & Research Institute Co. Ltd Changchun 130102 China 3. State Grid Zhejiang Electric Power Co. Ltd Hangzhou 310007 China）

Partial discharge detection of power equipment has always been the research focus of scholars at home and abroad, the partial discharge ultrasonic signal has become a research hotspot in recent years due to its strong anti-interference and easy positioning. With the development of science and technology, the use of optical sensors to detect partial discharge ultrasonic signals has become an emerging technical method, among many optical sensors, Extrinsic Fiber Fabry-Perot Interferometer (EFPI) sensors, because of its small size, high sensitivity and anti-electromagnetic interference and other advantages, it has attracted much attention. Firstly, the research status of EFPI sensor at home and abroad is introduced, secondly, the detection principle of the EFPI sensor, the basic properties of the diaphragm material and the preparation method are described in detail, and the feasibility of the sensor that can be used for external coupling detection and the significance of optimizing the sensor sensitivity design method are analyzed, finally, the EFPI sensor's partial discharge point positioning research in the partial discharge detection is analyzed, and the problems and solutions encountered in the application research of the sensor are summarized, and according to the actual situation of the EFPI sensor, the future development trend and research focus of sensors are prospected.

Partial discharge ultrasonic signal detection, extrinsic fiber Fabry-perot interferometer (EFPI) sensor, diaphragm material, preparation method, characteristic parameter

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210125

TM931

國家自然科學基金青年基金（51607049）、黑龍江省普通高校基本科研業務費專項資金（LGYC2018JC029）和國網浙江省電力有限公司科技項目（5211WF200005）資助。

2021-01-22

2021-06-18

陳起超 男，1988年生，博士研究生，研究方向為高壓電力設備絕緣檢測。E-mail：qichaochen@hrbust.edu.cn

張偉超 男，1984年生，博士，副教授，研究方向為光纖傳感及高壓絕緣檢測。E-mail：weichaozhang@163.com（通信作者）

（編輯 赫蕾）