熔錐耦合型光纖聲發(fā)射傳感器系統(tǒng)及應(yīng)用-祁海峰

熔錐耦合型光纖聲發(fā)射傳感器系統(tǒng)及應(yīng)用

祁海峰劉統(tǒng)玉山東省科學(xué)院激光研究所山東省光纖傳感技術(shù)重點實驗室

山東省科學(xué)院激光研究所，面向應(yīng)用需求，開發(fā)光纖傳感、光學(xué)測量技術(shù)應(yīng)用于礦山安全、新能源、油井勘測、電力安全、資源勘探等。代表性的有：光纖瓦斯、多種氣體、高溫高壓、溫度、壓力傳感器系統(tǒng)光纖聲發(fā)射傳感器

材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(AcousticEmission,簡稱AE)。當(dāng)材料和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生永久性形變或破壞時會產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象，因此聲發(fā)射檢測常用于結(jié)構(gòu)的損傷檢測和識別定位。常見的光纖聲發(fā)射傳感器有：光纖干涉儀、光纖強度型、光纖光柵型等幾種干涉型結(jié)構(gòu)強度型結(jié)構(gòu)光纖光柵檢測原理變壓器狀態(tài)監(jiān)測－－絕緣狀況、局部放電變壓器是電力重要設(shè)備，造價高，出現(xiàn)故障造成巨大損失，影響生產(chǎn)生活；主要故障為絕緣故障，局部放電是征兆和標(biāo)志聲發(fā)射作為檢測局放的重要手段，可以對局放源定位；工作環(huán)境－高電壓強磁場常見壓電陶瓷聲發(fā)射傳感器－－靈敏度高；受電磁干擾、信號傳輸距離短、不適合長期在線監(jiān)測；光纖聲發(fā)射傳感技術(shù)用于變壓器絕緣狀態(tài)監(jiān)測－－抗電磁干擾、信號傳輸距離遠(yuǎn)、適合長期在線熔融耦合拉錐設(shè)備光纖熔融耦合結(jié)構(gòu)圖熔錐耦合型光纖聲發(fā)射傳感器

基于熔錐耦合技術(shù)的光纖傳感器即屬于強度調(diào)制型的一種。熔錐耦合技術(shù)是指將兩根除去涂覆層的光纖以一定的方式靠攏，在高溫下加熱熔融，同時向光纖兩端拉伸，最終在熔融區(qū)形成雙錐形式的特殊波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)。

石英玻璃封裝的耦合結(jié)構(gòu)

在熔錐區(qū)，兩根光纖包層合在一起，纖芯足夠逼近，形成弱耦合，可以利用模式耦合理論進(jìn)行分析。此時，兩根光纖中傳輸?shù)墓鈺阱F形耦合區(qū)域發(fā)生能量耦合交換，隨著耦合區(qū)的加長，能量的耦合交換呈周期性變化。兩臂的分光比主要受耦合長度的影響，因此可以通過對分光比的監(jiān)測實現(xiàn)對應(yīng)變的傳感。施加不同應(yīng)變引起耦合分光比變化

光功率的變化攜帶了應(yīng)變波的幅度和頻率信息，且兩臂變化趨勢相反。根據(jù)光波導(dǎo)耦合模式理論，對于正弦聲波，經(jīng)過三角等式變換以及泰勒展開，設(shè)兩路的分光比為50：50，得到兩路光功率的差分信號正比于所受應(yīng)變經(jīng)過歸一化處理，輸出光功率與輸入光功率及傳輸損耗均無關(guān)，而與耦合長度成正比，與所受應(yīng)變成正比。同時輸出與應(yīng)變波的波長呈非線性關(guān)系，可認(rèn)為對輸出功率進(jìn)行調(diào)制。

假設(shè)兩光纖的耦合長度為1cm，得到輸出光功率與聲波頻率的關(guān)系如圖所示，可見當(dāng)聲波頻率小于100kHz時，幅度調(diào)制系數(shù)大于0.95，而當(dāng)聲波頻率大于350kHz時，調(diào)制系數(shù)小于0.5，輸入輸出呈現(xiàn)明顯的失真，200kHz時，調(diào)制系數(shù)為0.8。一般情況下，我們可以認(rèn)為在100kHz內(nèi)，傳感器輸出光功率隨所受應(yīng)變成線性變化。光纖聲發(fā)射傳感器系統(tǒng)試驗聲發(fā)射傳感器的測試方法根據(jù)聲發(fā)射激勵源和傳播介質(zhì)不同可以組成很多方法，激勵源通常有噪聲源、連續(xù)波源和脈沖波源三種類型。我們在實驗中分別用高壓放電、鉛筆芯斷裂、壓電換能傳感器對光纖聲發(fā)射傳感器系統(tǒng)進(jìn)行了性能測試。響應(yīng)頻率20k～180kHz，峰值靈敏度－55dB

高壓放電檢測試驗裝置示意圖；檢測波形OilTank光纖（左）及壓電（右）聲發(fā)射傳感器測得鉛筆芯斷裂信號

變壓器放電模擬試驗裝置，變壓器（上），試品油箱（右）同時用電子局放儀監(jiān)測對比50pc放電對應(yīng)的聲發(fā)射檢測波形數(shù)百pc放電時聲發(fā)射波形傳感器系統(tǒng)及應(yīng)用應(yīng)用前景研制的光纖聲發(fā)射傳感系統(tǒng)可以有效的測量變壓器局部放電產(chǎn)生的超聲波信號，其靈敏度較高，基本覆蓋了變壓器局部放電產(chǎn)生的超聲信號頻譜。由于光纖傳感器本質(zhì)為介電材料，傳輸光信號，本質(zhì)安全；另外加上其良好的溫度穩(wěn)定性，因此可應(yīng)用于高電壓、強電磁干擾的惡劣環(huán)境；同時光信號衰減小，便于長距離傳輸；非常適合大型電力變壓器等電力設(shè)備運