基于Sagnac干涉儀的多點局部放電檢測系統

卞曉亮,江俊杰,童 欣,楊 磊,彭揚帆,嚴慶剛

(1.國家電網上海市電力公司崇明供電分公司,上海 202150;2.上海交通大學信息與電氣工程學院,上海 200051)

1 引 言

超聲檢測已廣泛應用于電力設備健康監測[1-2]、石油勘探[3]和生物醫學診斷[4]等領域。傳統的聲學檢測方法通常是基于電容式的傳感器[5],它們通常需要復雜的電子元件或電路來讀取和處理信號,不適合遠程檢測;另外傳統的壓電超聲傳感器的頻率范圍很窄且信噪比較低,無法檢測高頻率聲波信號。光纖聲傳感器由于其不受電磁干擾、傳輸損耗低、靈敏度高和適應惡劣環境等優點,已被用作電聲傳感器的優秀替代品。

自從Bucaro等人于1977年首次報道了使用光纖Mach-Zehnder干涉儀進行聲檢測以來[6],光纖干涉傳感器已成為聲學測量的重要傳感技術[2-8]。Hocker等人通過將Mach-Zehnder干涉儀的傳感臂嵌入到與二氧化硅相比具有更低彈性模量的復合結構中,將靈敏度提高了兩個數量級[9]。其他干涉儀配置,如Michelson干涉儀[10]、Sagnac干涉儀[11]和Fabry-Perot干涉儀[7]也已用于超聲檢測。與Mach-Zehnder干涉儀相比,Fabry-Perot干涉儀是一種反射式點傳感器,適用于空間有限的應用,較短的腔長也降低了對其他被測對象的交叉靈敏度[12]。Beard等人在光纖端面上鍍一薄層透明聚合物構建了一個Fabry-Perot傳感腔,當受到超聲波調制時,其厚度會發生變化[13]。光纖聲傳感器在局部放電檢測領域具有獨特的優勢,因此受到眾多學者的關注。2014年,王偉等人提出了一種基Fabry-Perot的聲傳感器,該傳感器的本征頻率為101.5 kHz,靈敏度為60 nm/kPa,并驗證了局部放電電荷量與局放超聲信號幅值之間的關系[14]。隨后,Zhang等人在2016年將Michelson干涉儀與圓柱形彈性體相結合。實現了靈敏度1.7 rad/mPa的局部放電的聲探測,且能夠實現高達150 kHz的高頻響應[15]。然而,這些方案都只能對局部放電進行單點測量,難以有效監測整個局部放電故障的情況。

為解決這一問題,2019年,武漢理工大學研究團隊介紹了一種用于電力電纜局部放電檢測的弱光纖布拉格光柵陣列OTDR系統,并結合卷積神經網絡模型的事件識別方法,實現了對不同放電類型的識別和分類[16]。另外,陳浩等人通過利用相位敏感型光時域反射儀對電纜接頭中的局部放電進行研究,將多個光纖環傳感器安裝在特定的超聲監測點上,驗證了Φ-OTDR系統在局部放電中的分布式定位檢測能力[17]。然而,盡管這些方案實現了多點探測,但實驗需要結構復雜且成本高昂。因此,開發一種簡單、成本低的光纖多點局部放電檢測系統具有重要意義。Sagnac干涉儀被證明對緩慢的環境干擾不敏感,并已廣泛應用于陀螺儀[18]、水聽器[19]、聲表面波檢測器[20]和光學開關[21]。通過使用3×3定向耦合器[22]或在Sagnac環路中放置移頻器或相位調制器[23],可以實現干涉儀在正交相位偏置周圍的穩定操作。與MZI的主動零差或FPI的激光頻率主動調諧相比,Sagnac干涉儀是被動和全光學的,無需向單個傳感器提供電反饋。

本文提出了一種用于超聲和多點檢測的表面粘結型光纖傳感器,表面粘結的單模光纖臂用于超聲測量,并具備多個點超聲源的檢測能力。然后介紹了傳感系統的的原理,利用Nd∶YAG激光激發表面波,高頻超聲信號由聲源發出,使用表面粘結光纖Sagnac傳感器在鋼試樣進行了實驗驗證。另外還驗證了該Sagnac傳感器對超聲波的多點檢測能力。

2 傳感原理

圖1所示為該傳感系統的示意圖(其中PC1、PC2表示偏振控制器,固體結構為鋼板),分別由光源、隔離器、光纖耦合器、相位調制器、光纖延遲線和光纖偏振控制器組成。從光源發出的光經過單模光纖到達2×2定向耦合器,然后被分為順時針和逆時針兩路光束,從而構成Sagnac干涉儀。由于光纖延遲線的存在,順時針和逆時光束將在不同的時間通過超聲傳感區,由于聲波信息的調制,相位將發生相應的變化,最終由光電探測器接收。假設耦合器耦合系數為理想值0.5,則干涉儀輸出的順時針和逆時針光束的光場可以分別表示為:

(1)

圖1 檢測系統結構示意圖

(2)

式中,φ1和φ2分別是順時針和逆時針的光束的相位;φs是超聲傳感區引起的相位變化;t1和t2分別是光束從傳感點通過干涉儀長臂和短臂傳播到光電探測器所需的時間。因此可以得到干涉儀的輸出光強為:

I=E12+E22+2(E12×E22)

(t-t2)]}

(3)

如果順時針和逆時針光束之間的靜態相位差表示為φ3,動態相位差表示為Δφs,則公式(3)可表示如下:

(4)

其中,I0是光源的輸入強度。如果假設超聲引起的相位變化φs=φs0cos(ωut),則相位差Δφs可以表示為:

(5)

(6)

可以看出,干涉強度的交流分量與超聲波信號的相位變化成正比。通過調整光纖延遲線的長度,可以使Sagnac環路的頻率等于超聲頻率[9,12],因此在單一頻率及其奇次諧波下,ωutrel=π條件很容易滿足。正交相位差是通過使用光纖偏振控制器PC2控制環路中的雙折射來實現的。Sagnac環路中的PZT環形相位調制器和光纖偏振控制器,以確認靜態相位偏置狀態。干涉儀輸出的條紋對比度:

(7)

根據公式(4)和(7),可以發現干涉儀輸出的條紋可見度為1.0,這意味著干涉儀的最小光強度值為零,光纖Sagnac傳感器具有最大的對比度。當條紋可見度為1.0且相位正交時,小振幅超聲時干涉儀輸出信號強度達到最大值。本文中的表面粘結光纖Sagnac傳感器在環路外沒有額外光學損耗,因此低功率光源足以檢測小振幅超聲波。通常,輸出條紋對比度取決于偏振輸入狀態,因此另一個偏振控制器PC1如圖所示1,安裝在輸入光纖臂中,便于控制實現最大對比度。

3 實驗和討論

在圖1所示的示意圖中,使用普通的單模光纖和耦合系數為0.5的光纖耦合器,光源的功率為5 mW,波長為1550 nm。系統總路徑長度差由ωutrel=π的關系確定,為了在1.0 MHz左右的頻率下獲得最佳響應,因此Sagnac環路中的光纖延遲線長度設置為100 m。對于峰-峰值2π范圍內的相位調制,光纖纏繞在圓筒型壓電陶瓷上,電壓通過信號發生器施加在圓筒型壓電陶瓷上。偏振控制器用于將Sagna干涉儀置于正交工作點,干涉信號的強度由光電探測器(Thorlabs PDB450C)獲得,然后由上位機進行處理。

圖2(c)所示為π/2相位差時,在峰-峰值2π相位調制條件下獲得的干涉譜。與圖2(a)中所示的輸出信號進行比較,可以了解到通過控制偏振控制器可以使Sagnac干涉儀在正交工作點。圖2(b)所示為在圓筒型壓電陶瓷施加的電壓。值的注意的是,圖2(c)表示由直流電壓表示的輸出信號,這表明本實驗中的光纖Sagnac傳感器的輸出條紋對比度為0.98,接近最大對比度1.0,該結果與從公式(4)和(7)中得到的估計值吻合良好。由于光纖耦合器的分光比可能與理想的0.5有一定的偏差,因此無法得到理想的1.0的可見度。傳感區域使用長度為20 mm的裸光纖,以提高對聲波檢測的靈敏度。圖3(a)所示為功率100 mJ的Nd∶YAG激光脈沖的Q開關觸發信號;圖3(b)所示為光纖Sagnac傳感器檢測到的表面聲波。圖3(c)顯示了檢測到的表面聲波信號的幅值譜;主頻為3.027 MHz,比Sagnac環的固有頻率大近3倍,且Sagnac干涉儀在其環路基頻的奇數倍處具有最大響應度,因此檢測到的信號保持在最大響應度附近。

圖2 相位差和輸出相應的關系

圖3 實驗結果

同時我們搭建了模擬局部放電環境的實驗平臺,其中聲音傳播介質是 10 號的變壓絕緣油,如圖所示4(a)。放電聲源與傳感器距離為15 cm,在信號發生器的驅動下,依次釋放100 kH,120 kHz,140 kHz,160 kHz,180 kHz,200 kHz的聲信號,該頻率范圍與實際局部放電聲頻率類似。傳感器接收到被光電探測器接收,并由上位記進行處理,得到的頻譜圖如圖4(b)所示,傳感系統探測聲頻率與釋放的聲頻率吻合,且信噪比均高于40 dB,最高可達80 dB,表明該傳感系統的有效性。

圖4 局部放電試驗檢測裝置及結果

電力設備運行現場環境復雜,充斥著各種復雜的背景噪聲。該局部放電檢測傳感需要面對設備低頻振動、外部氣流擾動、可聽聲波擾動以及環境溫度變化等多樣的背景噪聲。這些噪聲普遍保持在20 kHz以下水平[10]。為了驗證該檢測系統在低頻噪音下的檢測能力,在檢測100 kHz超聲信號的時,同時釋放幅值是檢測信號1.5倍,頻率分別為5 kHz、10 kHz和15 kHz的低頻聲信號作為低頻噪音。實驗結果如圖5所示。圖5(a)為在100 kHz聲信號下且含有低頻噪音的頻譜圖;圖5(b)是經過濾波處理后得到的超生信號;圖5(c)對應的頻譜圖。從實驗結果可以看出,當有低頻噪音干擾時,該系統仍然能夠對超聲信號進行檢測。檢測結果中仍含有低頻噪聲,可能是系統本身噪音或者示波器等儀器導致,可以通過信號處理算法進一步優化。

圖5 當有多個低頻噪音時的超聲檢測結果

該系統多點超聲檢測的另一種配置如圖6(a)所示,傳感光纖以70 mm等間隔放置,傳播的超聲波依次與粘結在鋼板表面上的每根傳感光線相遇。圖6(b)表示假設傳感區域中的傳感光纖展開時的情況,這樣可以避免等間隔的排布對每個傳感臂檢測信號的疊加影響。在表面聲波檢測的情況下,每個傳感臂的間隔應大于波列的總長度。利用厚度為0.5 mm的鋼板進行了傳感系統的多點檢測實驗,用Nd∶YAG激光照射薄鋼板激發的蘭姆波可以在板的整個厚度上長距離傳播。

圖6 多點超聲檢測系統另配置結構圖

圖7顯示了連接在鋼板上的傳感臂在三個點檢測到的表面波。可以看出該表面粘結型光纖傳感器可以檢測到由周期性壓力誘導的折射率變化產生的任何相位變化。本中配置的光纖Sagnac傳感器的優點是,系統配置非常簡單,并且通過控制Sagnach環路的雙頻很容易調整相位偏差。該傳感器可用于現場監測傳統探測無法實現的室溫結構,同時可通過高功率脈沖激光產生超聲波。

圖7 環路中具有三個傳感臂的光纖 Sagnac傳感器

4 結 論

本文提出了一種基于表面粘結光纖Sagnac干涉儀的局部放電超聲檢測系統。該傳感系統的傳感臂僅為粘結在鋼板表面的裸光纖,可通過按適當間隔折疊傳感臂來檢測多個點的超聲波,且傳感器的輸出條紋對比度為1.0,通過調整Sagnac環路的雙折射,可以輕松獲得最佳靈敏度的正交相位點。通過在鋼板表面和絕緣油中的聲檢測實驗,證明了該系統的有效性,在100 kHz～200 kHz頻率范圍內具有較的高信噪比。該檢測系統結構簡單成本低廉,高頻響應良好,在實際工程應用中具有廣泛的前景。