熔锥耦合型光纤声发射传感器系统及应用-祁海峰

熔锥耦合型光纤声发射传感器系统及应用

祁海峰刘统玉山东省科学院激光研究所山东省光纤传感技术重点实验室

山东省科学院激光研究所，面向应用需求，开发光纤传感、光学测量技术应用于矿山安全、新能源、油井勘测、电力安全、资源勘探等。代表性的有：光纤瓦斯、多种气体、高温高压、温度、压力传感器系统光纤声发射传感器

材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射(AcousticEmission,简称AE)。当材料和结构产生永久性形变或破坏时会产生声发射现象，因此声发射检测常用于结构的损伤检测和识别定位。常见的光纤声发射传感器有：光纤干涉仪、光纤强度型、光纤光栅型等几种干涉型结构强度型结构光纤光栅检测原理变压器状态监测－－绝缘状况、局部放电变压器是电力重要设备，造价高，出现故障造成巨大损失，影响生产生活；主要故障为绝缘故障，局部放电是征兆和标志声发射作为检测局放的重要手段，可以对局放源定位；工作环境－高电压强磁场常见压电陶瓷声发射传感器－－灵敏度高；受电磁干扰、信号传输距离短、不适合长期在线监测；光纤声发射传感技术用于变压器绝缘状态监测－－抗电磁干扰、信号传输距离远、适合长期在线熔融耦合拉锥设备光纤熔融耦合结构图熔锥耦合型光纤声发射传感器

基于熔锥耦合技术的光纤传感器即属于强度调制型的一种。熔锥耦合技术是指将两根除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温下加热熔融，同时向光纤两端拉伸，最终在熔融区形成双锥形式的特殊波导耦合结构。

石英玻璃封装的耦合结构

在熔锥区，两根光纤包层合在一起，纤芯足够逼近，形成弱耦合，可以利用模式耦合理论进行分析。此时，两根光纤中传输的光会在锥形耦合区域发生能量耦合交换，随着耦合区的加长，能量的耦合交换呈周期性变化。两臂的分光比主要受耦合长度的影响，因此可以通过对分光比的监测实现对应变的传感。施加不同应变引起耦合分光比变化

光功率的变化携带了应变波的幅度和频率信息，且两臂变化趋势相反。根据光波导耦合模式理论，对于正弦声波，经过三角等式变换以及泰勒展开，设两路的分光比为50：50，得到两路光功率的差分信号正比于所受应变经过归一化处理，输出光功率与输入光功率及传输损耗均无关，而与耦合长度成正比，与所受应变成正比。同时输出与应变波的波长呈非线性关系，可认为对输出功率进行调制。

假设两光纤的耦合长度为1cm，得到输出光功率与声波频率的关系如图所示，可见当声波频率小于100kHz时，幅度调制系数大于0.95，而当声波频率大于350kHz时，调制系数小于0.5，输入输出呈现明显的失真，200kHz时，调制系数为0.8。一般情况下，我们可以认为在100kHz内，传感器输出光功率随所受应变成线性变化。光纤声发射传感器系统试验声发射传感器的测试方法根据声发射激励源和传播介质不同可以组成很多方法，激励源通常有噪声源、连续波源和脉冲波源三种类型。我们在实验中分别用高压放电、铅笔芯断裂、压电换能传感器对光纤声发射传感器系统进行了性能测试。响应频率20k～180kHz，峰值灵敏度－55dB

高压放电检测试验装置示意图；检测波形OilTank光纤（左）及压电（右）声发射传感器测得铅笔芯断裂信号

变压器放电模拟试验装置，变压器（上），试品油箱（右）同时用电子局放仪监测对比50pc放电对应的声发射检测波形数百pc放电时声发射波形传感器系统及应用应用前景研制的光纤声发射传感系统可以有效的测量变压器局部放电产生的超声波信号，其灵敏度较高，基本覆盖了变压器局部放电产生的超声信号频谱。由于光纤传感器本质为介电材料，传输光信号，本质安全；另外加上其良好的温度稳定性，因此可应用于高电压、强电磁干扰的恶劣环境；同时光信号衰减小，便于长距离传输；非常适合大型电力变压器等电力设备运