光纖Mach-Zehnder干涉法超聲波檢測研究

劉穎，郝艷捧，陳彥文，陽林，李立浧

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641)

電纜局部放電(partial discharge，PD)常伴隨著電磁波、超聲波、光、化學(xué)變化等現(xiàn)象[1-3]，局部放電產(chǎn)生超聲波，并從局部放電點(diǎn)以球面波的方式向四周傳播[4-5]，這部分能量估計(jì)占總能量的1%[3,6]。超聲檢測法將電纜局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電纜缺陷診斷[7]。

傳統(tǒng)的電纜局部放電超聲檢測采用壓電傳感器(piezoelectric transducer，PZT)，將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)[8-9]。近年來，開始探索將光纖本身或外部敏感元件作為傳感器?；诼暟l(fā)射的光纖傳感器采用干涉原理檢測超聲波信號(hào)，主要有法布里-珀羅(Fabry-Perot)干涉、薩格納克(Sagnac)干涉、邁克爾遜(Michelson)干涉和馬赫曾德(Mach-Zehnder)干涉4種。

2001年，美國Jiangdong D研究了用Fabry-Perot干涉光纖傳感器檢測變壓器局部放電，試驗(yàn)表明傳感器具有220 kHz高頻率響應(yīng)、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)[10]。2002年，該團(tuán)隊(duì)試驗(yàn)證明該傳感器頻率響應(yīng)為200 kHz[11]。2016年，西安交通大學(xué)研究用單模Sagnac光纖傳感器和多模光纖散斑傳感檢測局部放電，并與高頻電流傳感器、壓電傳感器進(jìn)行間隙放電對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)只有Sagnac光纖傳感器檢測到微弱的間隙放電[12]。2017年，大連交通大學(xué)等研究采用長尾Sagnac光纖傳感器檢測高壓電纜局部放電，利用壓電換能器模擬局部放電產(chǎn)生的超聲波，研究超聲定位的精度為16 m[13]。2017—2018年，太原理工大學(xué)研究的Sagnac干涉儀有效頻帶達(dá)175 kHz，采用10 kV設(shè)備模擬局部放電的特征超聲頻帶在28.9～57.6 kHz間，發(fā)現(xiàn)在10 kV電壓下局部放電信號(hào)的時(shí)域幅度范圍為0.8～1.9 V，頻率響應(yīng)高達(dá)58 kHz[14-15]。1996年，澳大利亞Zargari A和Blackburn T提出用Michelson干涉結(jié)構(gòu)的內(nèi)置光纖傳感器來檢測高壓電氣設(shè)備的局部放電，將100 m長633 nm單模光纖纏繞在一個(gè)直徑為30 mm的圓環(huán)狀模型上，線圈纏繞后用環(huán)氧樹脂封裝構(gòu)成傳感器，該試驗(yàn)表明，該光纖傳感器較壓電傳感器檢測局部放電更靈敏[16]。2010年，葡萄牙Sanderson L提出了基于芯軸結(jié)構(gòu)的光纖Michelson傳感器，將單模光纖繞在直徑為12 mm、壁厚為0.5 mm的聚碳酸酯軸上形成換能器，組建Michelson干涉系統(tǒng)檢測局部放電超聲波。用壓電傳感器在水下產(chǎn)生3 kHz、10 kHz和30 kHz的聲波時(shí)，改變距離，光纖傳感器輸出信號(hào)的快速傅里葉(fast Fourier transform，F(xiàn)FT)頻譜顯示，頻率低、距離短的狀態(tài)下，傳感器信號(hào)更強(qiáng)，距離衰減更加突出[17]。2016年，上海大學(xué)使用Michelson干涉型光纖傳感器檢測高壓電纜附件的局部放電，將1 550 nm的單模光纖纏繞在硅橡膠棒上作為傳感器，該試驗(yàn)表明該傳感器對(duì)聲波具有較高的靈敏度，頻率最高可達(dá)150 kHz[18]。2003—2013年，馬德里卡洛斯三世大學(xué)Lamelarivera H等學(xué)者采用Mach-Zehnder干涉?zhèn)鞲衅鳈z測局部放電，將8 m長光纖纏繞成直徑為25 mm的光纖線圈，或?qū)⒐饫w纏繞在30 mm的圓柱模型上，作為敏感元件，當(dāng)局部放電103pC時(shí)，檢測到20 kHz的超聲信號(hào)，局部放電最精確定位為1 cm[19-23]。2015年，德國Philipp R將1 550 nm單模光纖纏繞在硅橡膠芯棒上測量局部放電，發(fā)現(xiàn)該傳感器的最佳通帶是65 kHz

綜合分析以上4種光纖的聲學(xué)檢測法特點(diǎn)，F(xiàn)abry-Perot干涉光纖傳感器可以在電氣設(shè)備內(nèi)部或外部進(jìn)行局部放電檢測，結(jié)構(gòu)小巧，方便靈活；但是其需要封裝且制作要求高，常用于電力變壓器的檢測。Sagnac干涉光纖傳感器有較好的靈敏度，可進(jìn)行長距離局部放電檢測，局部放電定位具有一定優(yōu)勢(shì)。Mach-Zehnder干涉和Michelson干涉可以滿足局部放電檢測20～300 kHz的檢測頻帶要求，靈敏度高、制作較為容易，具有較好的方向靈敏度。本文提出基于Mach-Zehnder光學(xué)干涉原理的超聲波檢測系統(tǒng)，根據(jù)傳感器芯棒的共振原理，研究傳感器的尺寸，采用保偏彎曲不敏感光纖作為傳感光纖，減少光信號(hào)衰減以提高靈敏度。

1 Mach-Zehnder光纖傳感原理

1.1 光纖干涉系統(tǒng)

Mach-Zehnder干涉光纖傳感系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)由光源、光纖12耦合器、光纖傳輸臂、光纖傳感臂、光纖傳感器、光電探測器和示波器組成。其工作原理為：光源發(fā)出相干光，經(jīng)耦合器均分成2束，一束光沿傳感臂傳播，另一束沿參考臂傳播；保持2束光正交，當(dāng)傳感臂光纖受到局部放電超聲信號(hào)干擾，光波相位隨局部放電發(fā)出的聲擾變化，于是這2個(gè)波產(chǎn)生干涉，通過傳感器可以檢測到干涉[26]，即光纖相位變化與光纖所受超聲應(yīng)力成正比。

圖1 Mach-Zehnder干涉光纖超聲檢測系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of Mach-Zehnder interference fiber ultrasonic testing system

設(shè)輸入光功率的振幅為A，則輸入光的電壓強(qiáng)度[26-27]

Ei=Aexp(iωt)iu.

(1)

式中：iu為光在偏振方向上的、用復(fù)數(shù)形式表示的單位矢量；ω為光的頻率；t為時(shí)間。經(jīng)過第1個(gè)耦合器，輸入光平分成2束，2束光的功率Pi1和Pi2可表示為

Pi1=Pi2=A2/2 .

(2)

2束光的強(qiáng)度分別為：

(3)

(4)

(5)

式中：E*為E的共軛復(fù)數(shù)；υ為示頻率。

Mach-Zehnder系統(tǒng)中的光纖傳感器可以增強(qiáng)傳感臂對(duì)周圍超聲信號(hào)的傳感能力，由光纖繞在芯棒構(gòu)成。芯棒處于共振頻率ωi下，將以更大的振幅做振動(dòng)[17]。

(6)

其中

λ=mπR/L.

(7)

a2=p2/12R2.

(8)

式中：Eσ為楊氏模量；ρ為芯棒密度；μ為泊松比；R和p分別表示芯棒的半徑和壁厚；m為軸向半波數(shù)；n為徑向半波數(shù)。

光源發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)耦合器均分成2束光，經(jīng)光纖線圈兩臂傳播，每臂長20 m。接通超聲發(fā)生器驅(qū)動(dòng)電路，在傳感臂的傳感線圈處施加超聲波，對(duì)傳感臂光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。在輸出端的耦合器處，2束光發(fā)生干涉，經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，呈現(xiàn)在示波器上。光電探測器的最大輸入功率為70 mW。

1.2 光纖傳感器

Mach-Zehnder光纖傳感器芯棒采用聚碳酸酯圓柱管，長30 mm，外徑11 mm，厚度0.5 mm，使其共振頻率處于40 kHz。將波長1 550 nm的光纖纏繞在聚碳酸酯棒上，共30圈。聚碳酸酯管的彈性模量為2 GPa，泊松比為0.39，密度為1 200 kg/m3。光纖傳感器如圖2所示。

圖2 光纖傳感器示意圖Fig.2 Fiber optic sensor schematic

根據(jù)纏繞的光纖類型不同，本文研制了2種干涉?zhèn)鞲衅鳎捎闷胀▎文９饫w的傳感器記為A，采用保偏彎曲不敏感光纖的傳感器記為B，傳感器的中心頻率均為40 kHz，靈敏度-65 dBm，工作溫度-40 ～+85 ℃。

1.3 2種光纖干涉系統(tǒng)

采用2種類型光纖分別搭建如圖1的干涉系統(tǒng)，不同系統(tǒng)的光源、光纖類型、傳感器和耦合器不同，研究光纖類型和不同激光源對(duì)Mach-Zehnder干涉光纖傳感系統(tǒng)性能的影響。

A系統(tǒng)：采用1 550 nm波長的常規(guī)連續(xù)普通激光源，功率為30 mW；采用普通單模光纖A，如圖3(a)所示，其纖芯直徑為9 μm，包層直徑為125 μm，涂層直徑為250 μm；采用普通光纖制作上文研制的傳感器，以及2個(gè)分光比為50∶50的普通光纖耦合器。

B系統(tǒng)：光源是1個(gè)波長為1 550 nm的低噪聲窄線寬激光器模塊，采用熊貓型保偏光纖，型號(hào)BF14-DFB-1550-I-1-09PMF-40-FC/APC，輸出光功率為30 mW；保偏彎曲不敏感光纖B如圖3(b)所示，其纖芯直徑為9 μm，包層直徑為125 μm，涂層直徑為245 μm；采用保偏彎曲不敏感光纖制作上文研制的傳感器，以及保偏光纖12耦合器，型號(hào)為PMSS4150P5E20。保偏彎曲不敏感光纖的彎曲曲率半徑更小，光路損耗更小。

1.4 超聲源

采用超聲波發(fā)生器產(chǎn)生頻率可調(diào)的超聲波，以此作為模擬電纜局部放電產(chǎn)生的超聲源，由電源、驅(qū)動(dòng)電路和振子3部分構(gòu)成(如圖1)。超聲波頻率在20～300 kHz間，局部放電產(chǎn)生的超聲波頻率是不固定的，聲壓與頻率成正比，且頻率越高超聲波衰減越嚴(yán)重，頻率太低或太高都會(huì)導(dǎo)致壓力應(yīng)變降低，故常選擇共振頻率為100 kHz以下的傳感器。

圖3 不同類型的光纖結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of different types of optical fiber structures

本文設(shè)計(jì)的傳感器中心頻率為40 kHz，選擇市面常用的40 kHz和28 kHz這2種超聲波發(fā)生器振子。40 kHz振子直徑為48 mm，28 kHz振子直徑為59 mm，聲驅(qū)動(dòng)電路最大功率300 W，工作頻率50 Hz，工作電壓220 V，電源輸入電流0.5 A。

1.5 試驗(yàn)

調(diào)節(jié)超聲發(fā)生器產(chǎn)生超聲波，模擬電纜局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，分別進(jìn)行光纖類型、超聲頻率f和功率P、超聲源與傳感器間空氣傳感距離x、超聲源與傳感器間硅橡膠厚度d共5組檢測試驗(yàn)，結(jié)果見表。

表1 超聲光纖檢測試驗(yàn)Tab.1 Ultrasonic fiber testing experiment

實(shí)際電纜局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)是通過絕緣層向外傳播的，第5組試驗(yàn)在超聲源和傳感器之間鋪設(shè)厚度分別為1 mm、2 mm和20mm的硅橡膠來模擬電纜接頭和終端的應(yīng)力錐。硅橡膠為傳播介質(zhì)的超聲波檢測如圖4所示。

圖4 硅橡膠為傳播介質(zhì)的光纖檢測超聲示意圖Fig.4 Test diagram of silicone rubber medium

2 試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析

2.1 光纖類型

調(diào)節(jié)超聲驅(qū)動(dòng)電路功率60 W、頻率40 kHz，分別用A系統(tǒng)和B系統(tǒng)進(jìn)行檢測，得到時(shí)域和FFT頻域信號(hào)如圖5所示。

圖5 2種系統(tǒng)檢測40 kHz超聲波信號(hào)Fig.5 40 kHz ultrasonic signal detection results by two systems

由圖5可知：①A系統(tǒng)響應(yīng)頻率分布在低于 20 kHz的非超聲波頻段，檢測不到40 kHz超聲波；原因是普通1 550 nm單模光纖的曲率半徑為15 mm，實(shí)驗(yàn)中光纖傳感器的聚碳酸酯棒直徑為11 mm，光路損耗高，無法產(chǎn)生干涉。在光纖纏繞聚碳酸酯棒前，將30 mW激光引入光路，輸出光功率為14.96 mW。而纏繞聚碳酸酯棒后，輸出光功率衰減至μW級(jí)。②B系統(tǒng)對(duì)40 kHz的超聲波響應(yīng)明顯，由于外界干擾，20 kHz以下的非超聲波信號(hào)較明顯，除少量倍頻和低于超聲頻率的信號(hào)外，無明顯雜波。

以下4組試驗(yàn)均采用B系統(tǒng)檢測信號(hào)。

2.2 超聲波頻率

改變頻率，調(diào)節(jié)超聲驅(qū)動(dòng)電路功率為120 W，28 kHz和40 kHz頻率的檢測結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知：對(duì)于28 kHz和40 kHz的信號(hào)，傳感器均檢測到了相應(yīng)的響應(yīng)，并且傳感器還響應(yīng)了由于人為擾動(dòng)而產(chǎn)生的低于20 kHz的非超聲信號(hào)。尤其當(dāng)超聲波為28 kHz時(shí)，光纖傳感器得到了2個(gè)頻率的響應(yīng)，分析原因是超聲源的信號(hào)頻率不穩(wěn)定，而傳感器的共振頻率為40 kHz，因此檢測到了2個(gè)頻率的響應(yīng)。

2.3 超聲波功率

改變功率，對(duì)B系統(tǒng)施加40 kHz的超聲信號(hào)，信號(hào)功率分別為60 W、120 W和180 W，時(shí)域和頻域信號(hào)檢測結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知：B系統(tǒng)在不同功率作用下的時(shí)域波形不同，對(duì)3種的超聲波均有響應(yīng)，響應(yīng)頻率接近40 kHz。特別是超聲波的功率增大時(shí)，由于儀器的震動(dòng)外界干擾增大，響應(yīng)的雜波信號(hào)相應(yīng)增多。實(shí)際電纜局部放電的超聲波是較為微弱的，功率較低時(shí)雜波少這一特點(diǎn)有益于將其運(yùn)用于電纜的局部放電檢測。

2.4 空氣距離

上述試驗(yàn)傳感器均緊貼超聲源，本節(jié)改變傳感器和超聲源間的空氣距離分別為5 cm和10 cm時(shí)，頻率40 kHz和功率120 W超聲波檢測信號(hào)檢測結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知：距離5 cm時(shí)，測量結(jié)果的時(shí)域信號(hào)幅值為0.03 mV；而距離10 cm時(shí)，信號(hào)幅值約為0.005 mV；距離為10cm時(shí)雜波較5 cm少，倍頻信號(hào)也不明顯，響應(yīng)較優(yōu)。

2.5 硅橡膠傳播介質(zhì)

改變傳感器和超聲源間的傳播介質(zhì)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D4。介質(zhì)厚度分別為1 mm、2 mm和20mm時(shí)的檢測信號(hào)檢測結(jié)果如圖9所示。

當(dāng)硅橡膠厚度為1 mm時(shí)，可以看到傳感器的響應(yīng)很微弱，隨硅橡膠厚度增大，響應(yīng)逐漸增強(qiáng)。圖9的這3組數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)絕緣介質(zhì)厚度越大，傳感器對(duì)超聲波的響應(yīng)越好。分析認(rèn)為，超聲波在固體中的衰減速度遠(yuǎn)低于在空氣中，硅橡膠較薄時(shí)超聲波隨空氣消散較多，當(dāng)硅橡膠的厚度增加時(shí)，超聲波沿著固體介質(zhì)傳播距離增加，故此信號(hào)增強(qiáng)。

圖6 不同頻率的超聲波信號(hào)Fig.6 Ultrasonic signals with different frequencies

圖7 不同功率的超聲波信號(hào)Fig.7 Ultrasonic signals with different powers

圖8 不同空間距離的超聲信號(hào)Fig.8 Ultrasonic signals at different spatial distances

圖9 不同厚度硅橡膠的檢測信號(hào)Fig.9 Optical fiber detection signals of silicone rubbers with different thickness

3 結(jié)論

本文研制了普通單模光纖、保偏彎曲不敏感光纖2種光纖局部放電傳感器，共振頻率均為40 kHz。搭建了光纖干涉檢測系統(tǒng)進(jìn)行超聲檢測試驗(yàn)研究，通過光纖檢測超聲信號(hào)頻域分析，研究超聲源距離、超聲傳播介質(zhì)對(duì)光纖傳感性能的影響，得到結(jié)論如下：

a)保偏彎曲不敏感光纖所制成的傳感器及其系統(tǒng)光路損耗小，干涉明顯，可以檢測28 kHz和40 kHz超聲波，特別是共振頻率40 kHz超聲波的響應(yīng)較好。

b)保偏彎曲不敏感光纖傳感器對(duì)頻率為40 kHz，功率為60 W、120 W、180 W的超聲波均響應(yīng)明顯；但隨著超聲波功率增大，響應(yīng)的雜波逐漸增多，倍頻相應(yīng)增強(qiáng)。

c)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)響應(yīng)的雜波隨著傳感器和超聲源距離增大而減?。辉趥鞲衅骶嚯x超聲源10 cm時(shí)，試驗(yàn)仍檢測到了良好的響應(yīng)，傳感器具有較好的靈敏度。

d)在傳感器和超聲源之間插入硅橡膠傳播介質(zhì)發(fā)現(xiàn)，隨硅橡膠介質(zhì)厚度增加，傳感器的測量靈敏度比空氣介質(zhì)更高。電纜是一個(gè)密封的固體結(jié)構(gòu)，電壓等級(jí)越高，電纜附件的應(yīng)力錐越厚，這有利于電纜附件局部放電檢測。