點接觸式光纖超聲波傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于光纖光柵技術(shù)的點接觸式超聲波傳感器。該傳感器包括核心部分和封裝外殼。所述核心部分由光纖超聲波敏感元件構(gòu)成；所述封裝外殼為電絕緣外殼；所述光纖超聲波敏感元件封裝在所述電絕緣外殼內(nèi)，構(gòu)成單體式傳感器。該傳感器具有體積小，無任何金屬部件，對被測點表面的平整度要求不高，可實現(xiàn)點接觸測量，特別適合于對高電壓傳輸變壓器、氣體絕緣開關(guān)柜（GIS）等高電壓設(shè)備內(nèi)，局部放電所產(chǎn)生的高頻超聲波信號的檢測，是一種新型的光纖超聲波傳感器。
【專利說明】點接觸式光纖超聲波傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于測量領(lǐng)域，尤其涉及一種對固體表層傳播的高頻超聲波振動檢測的點接觸光纖超聲波傳感器。
技術(shù)背景
[0002]在工業(yè)領(lǐng)域，長期以來主要依靠傳統(tǒng)的、基于壓電效應(yīng)的壓電陶瓷超聲波傳感器對金屬等固體物體內(nèi)或其表層傳播的超聲波信號進行測量。但壓電陶瓷超聲波傳感器對固體表面接觸部分的平整度要求很高，對于一些不規(guī)則表面，如弧形表面則不能直接使用。另一方面，為了得到高的檢測靈敏度，需要保持傳感器表面與固體表面的良好接觸。使用時常常需要在兩接觸面之間涂敷聲波耦合介質(zhì)，如硅脂等耦合液，以減小聲場界面耦合損失。這導(dǎo)致操作手續(xù)繁瑣。
[0003]另一方面，在高電壓設(shè)備場合，如高壓電力傳輸變壓器，往往不容許外部金屬導(dǎo)體部件導(dǎo)入其中，以防止高壓電產(chǎn)生爬電現(xiàn)象。壓電陶瓷類型的超聲波傳感器屬于電傳感器，探頭與測量裝置需通過電氣線路相連接，因此在高電壓設(shè)備場合，嚴(yán)格限制了壓電陶瓷類型的超聲波傳感器的使用。
[0004]在電力行業(yè)，在如高壓電力傳輸變壓器，氣體絕緣開關(guān)柜(GIS)等高電壓設(shè)備內(nèi)，由于局部放電的產(chǎn)生，往往容易導(dǎo)致設(shè)備的毀壞或火災(zāi)的發(fā)生。因此對這些高壓設(shè)備內(nèi)部的局部放電的實時監(jiān)測是一項維護設(shè)備安全，防止災(zāi)難發(fā)生的重要工作。對于電力設(shè)備內(nèi)部的局部放電進行測量的主要方法之一，是對由局部放電所產(chǎn)生出的微弱高頻超聲壓力波信號進行測量。由局部放電所產(chǎn)生的微弱高頻超聲波信號其頻率分布大致在20 kHz到300kHz之間，因此要求傳感器應(yīng)同時具備有良好的高頻響應(yīng)特性以及對微弱振動的反應(yīng)靈敏度。
[0005]隨著光纖制造、測量技術(shù)的不斷完善，人們對光纖傳感方面的研究變得更加深入和廣泛。目前以光纖、光纖光柵為基礎(chǔ)的光纖傳感器的研究，正成為光纖傳感器研究領(lǐng)域的一大熱點。同傳統(tǒng)的電傳感器相比，光纖傳感器所具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢在于:
1.作為傳感元件，光纖的主要成分為二氧化硅(SiO2),為不導(dǎo)電材料，因此不會產(chǎn)生高壓電爬電現(xiàn)象；
2.光纖傳感器采用的是全光測量，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離的測量，并易于級聯(lián)實現(xiàn)準(zhǔn)分布式傳感網(wǎng)絡(luò)；
3.具有小的尺寸和低的制造成本。能嵌入或埋入到各類材料之中進行實時、安全監(jiān)測。
[0006]由于這些技術(shù)優(yōu)勢，使得光纖傳感器的應(yīng)用范圍非常之廣，在電力工業(yè)，橋梁、建筑、海洋石油勘探、油井及航空、大壩等工程等方面，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)，材料的健康狀態(tài)無源、實時監(jiān)測。
[0007]利用光干涉技術(shù)、光纖光柵技術(shù)等構(gòu)成的光纖超聲波傳感器是最新發(fā)展起來的。在眾多類型的光纖傳感器之中，該類型的傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，對外界擾動非常敏感等優(yōu)點。但目前所研究開發(fā)出來的光纖超聲波傳感器，由于光纖細(xì)長結(jié)構(gòu)的限制，對高頻超聲波的響應(yīng)特性并不太理想。目前大多數(shù)超聲波傳感器的最高響應(yīng)頻率僅僅停留在幾十kHz到百kHz之間，難于覆蓋由局部放電所產(chǎn)生的高頻超聲波的頻譜范圍。另一方面，目前大多數(shù)類型光纖超聲波傳感器還屬于面接觸型，因此對所接觸固體表面的平整度還有一定的要求。常常由于表面耦合狀態(tài)不理想，以及時常變化導(dǎo)致傳感器靈敏度大大降低，并且給測量過程帶來許多不確定的因素。
[0008]利用基于光纖光柵技術(shù)的光纖F-P傳感器，采用預(yù)拉力結(jié)構(gòu)使光纖F-P諧振腔體繃直，以改善光纖F-P諧振腔體對高頻振動的響應(yīng)特性，并通過面垂直、點接觸方式將超聲波在固體表層面內(nèi)傳播時所產(chǎn)生的微小振動直接傳遞給光纖F-P諧振腔，以減小振動能量的傳遞損失，實現(xiàn)寬頻帶、高靈敏、全光纖超聲波傳感器，是針對目前傳統(tǒng)的壓電陶瓷類型的超聲波傳感器以及其他類型光纖超聲波傳感器存在的各類問題的解決方案之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是針對已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種基于光纖光柵技術(shù)的點接觸式光纖超聲波傳感器，減小振動能量的傳遞損失，實現(xiàn)寬頻帶、高靈敏、全光纖超聲波傳感。
[0010]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是:
在一根單模光纖上寫入一個低反射率的光柵，相隔一定長度后再寫入相同波長、相同反射率的光柵，在光纖內(nèi)部形成一對光柵波長反射鏡，由此構(gòu)成一個雙光柵光纖F-P諧振腔。同樣，在光纖F-P諧振腔的光纖外層涂敷高分子的聚酰亞胺樹脂薄膜，以加強光纖F-P諧振腔的拉伸強度和硬度，改善其對高頻振動的響應(yīng)特性。
[0011]在光纖頭部，接近光纖F-P諧振腔處，將光纖插入到一個作為傳感觸頭的陶瓷插芯內(nèi)并膠合在一起，以此構(gòu)成一個光纖超聲波敏感兀件。
[0012]將光纖超聲波敏感兀件，封裝到一根電絕緣外殼內(nèi)，并在封裝外殼上端，光纖出口處采用環(huán)氧樹脂將光纖與外殼粘合住，并在陶瓷插芯上部與封裝外殼內(nèi)的內(nèi)孔之間，安裝一根微型塑料彈簧。通過塑料彈簧的彈力，對封裝外殼內(nèi)部的光纖形成一個預(yù)拉力，使光纖始終保持伸直繃緊狀態(tài)，并使陶瓷插芯稍微露出絕緣外殼以方便與固體表面相接觸，由此構(gòu)成一種點接觸式光纖超聲波傳感器。
[0013]在具體超聲波傳感應(yīng)用中，點接觸類型光纖超聲波傳感器通過連接光纖與激光振動測量儀相連接，可以構(gòu)成光纖超聲波測量系統(tǒng)。
[0014]根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種點接觸式光纖超聲波傳感器，包括核心部分和封裝外殼，其特征在于:所述核心部分由光纖超聲波敏感71:件構(gòu)成；所述封裝外殼為電絕緣外殼；所述光纖超聲波敏感71:件封裝在所述電絕緣外殼內(nèi)，構(gòu)成單體式傳感器。
[0015]所述光纖超聲波敏感元件由一根表面涂覆聚酰亞胺樹脂薄膜的單模光纖上有兩個間隔的光纖光柵形成的光纖F-P諧振腔和一個與單模光纖頭部膠合在一起的陶瓷插芯構(gòu)成。
[0016]所述的點接觸式光纖超聲波傳感器，所述光纖傳感器敏感元件封裝在電絕緣外殼內(nèi)的封裝結(jié)構(gòu)預(yù)先對光纖F-P諧振腔施加有效的應(yīng)力，使傳感器具備對高頻超聲波傳感功倉泛。
[0017]所述陶瓷插芯內(nèi)端面有一個塑料彈簧支承，該塑料彈簧處于壓縮狀態(tài)安裝在封裝外殼的內(nèi)孔之中，預(yù)先對光纖F-P諧振腔施加有效的應(yīng)力。
[0018]本發(fā)明的點接觸式光纖超聲波傳感器，最好與固體表面垂直接觸，以獲得最大傳感靈敏度。
[0019]本發(fā)明的點接觸式光纖超聲波傳感器，需通過單模光纖與激光振動測量儀相連接。這里，從激光振動測量儀的光輸入/輸出端口送出的傳感光，并通過連接單模光纖入射到本發(fā)明的點接觸類型光纖超聲波傳感器中。
[0020]從本發(fā)明的點接觸式光纖超聲波傳感器的光纖F-P諧振腔中的第一個光纖光柵反射回來的傳感光，與從第二個光纖光柵反射回來的傳感光，通過連接單模光纖返回到激光振動測量儀的光輸入/輸出端口，并在該激光振動測量儀的受光部形成光干涉信號，轉(zhuǎn)換成電信號后，由激光振動測量儀中的信號處理模塊完成超聲波信號的測量。
[0021]使用本發(fā)明的點接觸式光纖超聲波傳感器進行超聲波測量的工作原理，具體描述如下:將光纖超聲波傳感器的陶瓷插芯垂直接觸被測固體表面。通過陶瓷插芯將由超聲波所引起的固體表層面的機械振動，直接傳遞給傳感器內(nèi)部的光纖F-P諧振腔，導(dǎo)致施加在光纖F-P諧振腔的縱向應(yīng)力發(fā)生與固體表層面的振動相一致的變化。這種時變的應(yīng)力最終導(dǎo)致F-P諧振腔體的光學(xué)參數(shù)發(fā)生改變，使光干涉信號強度發(fā)生變化。超聲波強度越強，光纖F-P諧振腔體上的應(yīng)力變化幅度就越大，因此光干涉信號強度也就越強。由于預(yù)拉力作用使光纖F-P諧振腔體始終處于一種繃緊狀態(tài)，其結(jié)果提升了傳感器對高頻段超聲波信號的響應(yīng)能力。
[0022]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著技術(shù)進
I K
少:
在本發(fā)明的點接觸式光纖超聲波傳感器和激光振動測量儀的頻率響應(yīng)范圍內(nèi)，所檢測到的干涉信號能很好地反映出被測超聲波聲場的瞬時變化，如強度、相位和頻率變化。
[0023]本發(fā)明的點接觸式光纖超聲波傳感器可以作為一種輕便式超聲波傳感器，對被測固體內(nèi)傳播的超聲波源實現(xiàn)無電源、遠(yuǎn)程、實時的監(jiān)測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1 (a)為本發(fā)明有關(guān)的點接觸式光纖超聲波敏感元件的長度方向的剖視圖。
[0025]圖1 (b)為本發(fā)明的點接觸式光纖超聲波傳感器封裝后的長度方向的剖視圖。
[0026]圖2(a)為本發(fā)明實施例有關(guān)的點接觸式光纖超聲波測量系統(tǒng)的示意圖。
[0027]圖2(b)為本發(fā)明實施例有關(guān)的點接觸式光纖超聲波測量實驗平臺的示意圖。
[0028]圖2(c)為本發(fā)明實施例有關(guān)的點接觸式光纖超聲波局部放電測量實驗平臺的示意圖。
[0029]圖3(a)為壓電陶瓷超聲波發(fā)生器在150kHz正弦信號驅(qū)動時，傳感器輸出信號的時間波形圖。
[0030]圖3(b)為壓電陶瓷超聲波發(fā)生器在150kHz正弦信號驅(qū)動時，傳感器輸出信號的頻譜分布圖。
[0031]圖4(a)為壓電陶瓷超聲波發(fā)生器在300kHz正弦信號驅(qū)動時，傳感器輸出信號的時間波形圖。
[0032]圖4(b)為壓電陶瓷超聲波發(fā)生器在300kHz正弦信號驅(qū)動時，傳感器輸出信號的頻譜分布圖。
[0033]圖5為局部放電的測量，當(dāng)電荷量為45 PC時，傳感器輸出信號的時間波形圖。
[0034]圖1(a)中，1-單模光纖，2，2a, 2b_光纖光柵，3_聚酰亞胺樹脂涂層，4_陶瓷插芯。
[0035]圖1(b)中，5-粘合膠，6-塑料彈簧，7-傳感器封裝外殼。
[0036]圖2(a)和圖2(b)中，8-激光振動測量儀，9-連接單模光纖，10-光纖超聲波傳感器，11-連接電纜，12-數(shù)字示波器，13-金屬平板，14-壓電陶瓷超聲波發(fā)生器，15-超聲波驅(qū)動器。
[0037]圖2(c)中，16-局部放電試驗裝置，17-高壓控制器，18-高壓引線，19-固定支架。 【具體實施方式】
[0038]現(xiàn)結(jié)合附圖及優(yōu)選實施例對本發(fā)明的細(xì)節(jié)作進一步地說明。
[0039]實施例一:
參見圖1和圖2，本點接觸式光纖超聲波傳感器，包括核心部分和封裝外殼，其特征在于:所述核心部分由光纖超聲波敏感兀件構(gòu)成；所述封裝外殼為電絕緣外殼；所述光纖超聲波敏感元件封裝在所述電絕緣外殼內(nèi)，構(gòu)成單體式傳感器。
[0040]實施例二:
本實施例與實施例一基本相同，特別之處是:
所述光纖超聲波敏感元件由一根表面涂覆聚酰亞胺樹脂薄膜的單模光纖上有兩個間隔的光纖光柵形成的光纖F-P諧振腔和一個與單模光纖頭部膠合在一起的陶瓷插芯構(gòu)成。
[0041]所述光纖傳感器敏感元件封裝在電絕緣外殼內(nèi)的封裝結(jié)構(gòu)預(yù)先對光纖F-P諧振腔施加有效的應(yīng)力，使傳感器具備對高頻超聲波傳感功能。
[0042]所述陶瓷插芯內(nèi)端面有一個塑料彈簧支承，該塑料彈簧處于壓縮狀態(tài)安裝在封裝外殼的內(nèi)孔之中，預(yù)先對光纖F-P諧振腔施加有效的應(yīng)力。
[0043]實施例三:
以下采用圖2(a)所示的，與本發(fā)明實施例有關(guān)的光纖超聲波測量系統(tǒng)為例，說明采用本發(fā)明的點接觸式光纖超聲波傳感器實現(xiàn)對金屬平板表層內(nèi)傳播的超聲波信號的測量。
[0044]例如，采用圖1 (a)所示的光纖超聲波敏感元件，以及采用圖1 (b)所示的傳感器的封裝結(jié)構(gòu)，可構(gòu)成點接觸式光纖超聲波傳感器10。
[0045]例如，采用圖1(a)所示的光纖超聲波敏感元件，其中，兩個光纖光柵2a和2b的中心波長為1552.3 nm,線寬為1.8nm,反射率為10%，光纖F-P諧振腔長度Z為20臟，表面涂敷單層聚酰亞胺樹脂薄膜，陶瓷插芯為光纖連接器材料，外徑為2.5 mm，長度為10.5 mm。
[0046]如圖1 (b)所示，光纖超聲波敏感元件放入一個傳感器封裝外殼7內(nèi)，例如，絕緣陶瓷管內(nèi)。采用環(huán)氧樹脂膠5將光纖超聲波敏感元件的光纖一端與封裝外殼粘合固定，在此之前光纖上套入一根內(nèi)徑略小于陶瓷插芯4外徑的塑料彈簧6,彈簧6處于壓縮狀態(tài)安放在封裝外殼7的內(nèi)孔之中，以此構(gòu)成點接觸式光纖超聲波傳感器10。
[0047]根據(jù)本發(fā)明實施例有關(guān)的光纖超聲波測量系統(tǒng)，其中，點接觸式光纖超聲波傳感器10，與一定長度的，例如1 km長的連接單模光纖9的一頭相連接。連接方式可以采用光纖接頭通過適配器相連接的方式，也可以采用通過放電進行熔接的方法，將兩根光纖接合起來。連接單模光纖9與光纖超聲波敏感元件所用的單模光纖I應(yīng)為同種類型光纖，例如，同為SMF-28類型的光纖。
[0048]連接單模光纖9的另一端為光纖接頭，與激光振動測量儀8的光接口相連。激光振動測量儀8的光接口作為傳感光的輸入/輸出端口。通過該端口，激光振動測量儀8發(fā)出光波長與點接觸式光纖超聲波傳感器10的中心波長相匹配的傳感光,例如1552.3 nm波長的傳感光，同時能接收來自點接觸式光纖超聲波傳感器10反射回來的傳感光。
[0049]激光振動測量儀8的輸出電信號，通過連接電纜11輸入到數(shù)字示波器12中，進行信號波形的顯示和保存。
[0050]為完成該實施例，可以采用圖2(b)所示的，為本發(fā)明實施例有關(guān)的光纖超聲波測量實驗平臺，對實際的超聲波聲場進行測量。
[0051]其中，金屬平板13采用了一塊面積為30 cm x 70 cm,厚度為2.5 mm的平整招板。金屬平板13的一端安置壓電陶瓷超聲波發(fā)生器14。壓電陶瓷超聲波發(fā)生器14與金屬平板接觸面之間涂覆硅脂以減小聲波界面耦合損失。壓電陶瓷超聲波發(fā)生器14通過連接電纜11與超聲波驅(qū)動器15相連接。在金屬平板13的另一端，相距壓電陶瓷超聲波發(fā)生器14的直線距離為50 cm的地方垂直放置點接觸式光纖超聲波傳感器10。
[0052]超聲波驅(qū)動器15可以產(chǎn)生出幅度為70分貝，頻率分別為30 kHz,60 kHz、150 kHz和300 kHz，碼率為100 pps，重復(fù)周期為10 ms的脈動式正弦信號來驅(qū)動壓電陶瓷超聲波發(fā)生器14產(chǎn)生相對應(yīng)的超聲波信號。
[0053]圖3(a)為所測得的超聲波信號(激光振動測量儀8的輸出電信號)的時間波形圖。此時超聲波頻率為150 kHz。
[0054]圖3(b)為所測得的頻率為150 kHz時的超聲波信號的頻譜分布圖。
[0055]圖4 (a)為所測得的超聲波信號(激光振動測量儀8的輸出電信號)的時間波形圖。此時超聲波頻率為300 kHz。
[0056]圖4(b)為所測得的頻率為300 kHz時的超聲波信號的頻譜分布圖。
[0057]實施例四:
例如，采用圖2(a)所示的，與本發(fā)明實施例有關(guān)的點接觸式光纖超聲波測量系統(tǒng)，構(gòu)成圖2(c)所示的點接觸式光纖超聲波局部放電測量實驗平臺，實現(xiàn)對局部放電超聲波信號的測量。
[0058]其中，局部放電試驗裝置16采用了油浸式電容鋼珠放電方式作為局部放電源，通過高壓引線18與高壓控制器17相連。其中，與本發(fā)明實施例有關(guān)的點接觸式光纖超聲波傳感器10通過固定支架19垂直固定在局部放電試驗裝置16的頂部電極平面上。
[0059]其中，點接觸式光纖超聲波傳感器10,通過一定長度的連接單模光纖9與激光振動測量儀8的光接口相連。激光振動測量儀8的輸出電信號，通過連接電纜11輸入到數(shù)字示波器12中，進行信號波形的顯示和保存。
[0060]其中，整個試驗按照國家標(biāo)準(zhǔn)GBI7354-2003《局部放電測量》規(guī)定的試驗程序進行。
[0061]圖5為視在電荷量為45皮庫(pC)時,檢測到的局部放電超聲波信號的時間波形圖。
[0062]本發(fā)明的點接觸式光纖超聲波傳感器，可以組合到各種結(jié)構(gòu)固件中，或與其他類型的傳感器組合構(gòu)成復(fù)合型傳感器，對被測超聲波聲場實現(xiàn)無電源、遠(yuǎn)程、實時的監(jiān)測。[0063]其他，在不脫離本發(fā)明的要點的范圍內(nèi)，傳感器的封裝結(jié)構(gòu)與測量系統(tǒng)的設(shè)計，能夠進行種種變更。
[0064]本發(fā)明能夠應(yīng)用在各種工業(yè)測量領(lǐng)域，特別適合于對高電壓傳輸變壓器內(nèi)，氣體絕緣開關(guān)柜內(nèi)局部放電所產(chǎn)生的高頻超聲波信號的檢測，是一種新型的光纖超聲波傳感器。
【權(quán)利要求】
1.一種點接觸式光纖超聲波傳感器，包括核心部分和封裝外殼(7)，其特征在于:所述核心部分由光纖超聲波敏感71:件構(gòu)成；所述封裝外殼(7)為電絕緣外殼；所述光纖超聲波敏感元件封裝在所述電絕緣外殼內(nèi)，構(gòu)成單體式傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的點接觸式光纖超聲波傳感器，其特征在于:所述光纖超聲波敏感元件由一根表面涂覆聚酰亞胺樹脂薄膜的單模光纖(I)上有兩個間隔的光纖光柵(2a,2b)形成的光纖F-P諧振腔和一個與單模光纖(I)頭部膠合在一起的陶瓷插芯(4)構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的點接觸式光纖超聲波傳感器，其特征在于:所述光纖傳感器敏感元件封裝在電絕緣外殼內(nèi)的封裝結(jié)構(gòu)預(yù)先對光纖F-P諧振腔施加有效的應(yīng)力，使傳感器具備對高頻超聲波傳感功能。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的點接觸式光纖超聲波傳感器，其特征在于:所述陶瓷插芯(4 )內(nèi)端面有一個塑料彈簧(6 )支承，該塑料彈簧(6 )處于壓縮狀態(tài)安裝在封裝外殼(7 )的內(nèi)孔之中，預(yù)先對光纖F-P諧振腔施加有效的應(yīng)力。
【文檔編號】G01H9/00GK103487129SQ201310026628
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年1月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月18日
【發(fā)明者】王陸唐, 方捻, 黃肇明 申請人:上海大學(xué)