1、干涉型光纤 F-P 传感器的原理及其在变压器铁心中的应用朱银荣（南昌航空大学研究生学院，江西 南昌 330046）摘要：铁心作为变压器本体的核心元件，监测变压器铁心信号是非常必要的。本文研究用光纤法珀传感器粘贴在铁心上取变压器铁心的振动信号，提出基于光纤法珀传感器的测试方法。然后对测量变压器铁心振动信号的实现原理进行建模分析，其中获取微小应变信号和在强磁下油浸中获取信号是本文的关键，完成实验平台搭建，同时对光纤法珀传感器的粘贴技术进行了研究。实验平台的搭建后完成相关实验，将试验数据拟合曲线和仿真曲线进行对比，发现曲线的发展趋势相同，验证了这种新型的测量方法的可行。关键词：变压器；铁心振动；光纤
2、法珀传感器；仿真测试中图分类号：TP216;TP319 文献标识码：AInterferometric fiber-optic F-P sensor principle andits application in the transformer corezhu ying rong(School of Graduate , Nanchang HANGKONG University, Nanchang Jiangxi 330063, China) ABSTRACT：The iron core components as transformer ontology, monitoring the tra
3、nsformer core signal is very necessary. This paper studies the optical fibre method on paste in copper sensor transformer core core take the vibration signals of the pearl, based on optical fiber sensor test method of the method. Then on measuring the realization of transformer core principle of vib
4、ration signal of modeling and analyzing, obtain tiny strain signals and under the strong magnetic oil-immersed gain signal is the key to paper, complete test bench, meanwhile to build optical flat copper sensor stickup law technology is studied. After experimental platform, will complete the relevan
5、t experiment test data fitting curve and simulation curve is compared, and the development trend of discover curves same, shows that this new type of measurement methods are feasible.KEYWORDS： transformer; Core vibration; Optical fiber method. Pearl sensor; simulation test1 引言光纤法珀传感器具有以下特点：绝缘性好，可以在强
6、电磁干扰下完成传统传感器难以实现的测量；体积小；灵敏度高、定位精度高；能直接测量高温、高压、应变、振动等多种参量，优势非常明显，所以是最有发展潜力和应用前景的光纤传感器之一 1。变压器本体的振动除了由于绕组在电动力作用下产生的振动之外，还有铁芯的振动。铁芯磁路中分布着正弦交变的电磁场，其作用在铁芯磁性材料(硅钢片)上的磁场力将诱发硅钢片发生振动 2。大量的研究结果表明，磁致伸缩现象和片中的涡流是导致硅钢片发生振动的主要原因。论文工作是基于整个变压器在线监测大背景，重点讨论变压器器身即铁芯的振动测试系统，振动监测系统主要用于分析振动系统的信号特征，为故障诊断提供依据。并用光纤传感器的作为敏感元件
7、，充分的运行了光纤传感器的优点，建立一个具有成本低、性价比高、使用简单和功能易扩展的振动测试系统 3。变压器在运行过程中的振动及其特征信息可有效反映变压器的工作状况，通过对变压器器身振动信号的测取、记录和分析，可以对变压器的状态进行监测。2 光纤F-P传感器的原理光纤法珀传感器的工作原理与传统的法珀干涉仪原理相同是基于多光束干涉原理。假设法珀两个反射端面的反射率分别为 和 ，腔长为 L，如图 1 所示。1R2图 1 光纤 Fabry-Poret 干涉仪结构光纤法珀的反射光强 和透射光强 可用下列公式表示：RITI12120cosRI（1）120cosTTI IR（2）式(1)和(2)中， 表示
8、光纤 Fabry-Poret 干涉仪的初始光强， 和 分别表示 Fabry-Poret0I RIT干涉仪的的反射光强和透射光强， 和 分别表示 Fabry-Poret 干涉仪的两个腔面的反射12率， 和 分别表示其两个腔面的透射率，当光入射到干涉腔腔面时，腔体材料会对入射1T2光有一定程度的吸收和散射，如果忽略入射光的吸收和散射时则有 + =1， + =11RT2式中 表示光在 Fabry-Poret 干涉腔中来回传输形成的相位差，其大小可表示为：2()nL（3）式(3)中 表示入射光波长，L 表示 Fabry-Poret 干涉仪的腔长，n 表示 Fabry-Poret 干涉仪的腔内物质的折射
9、率 4。对光纤 Fabry-Poret 干涉传感器，通常两个反射端面具有相同的结构，可以认为其反射率和透射率相等，即 = =R， = =T=1-R，所以可将光纤 1R21T2Fabry-Poret 干涉传感器的反射光强和透射光强由(4)和(5) 分别表示：20(cos)RII（4）20(1)cosTII（5）在不同的反射率下光纤法珀的反射谱具有不同的特性，如图 2 所示。对于实验室的制作的光纤法珀，由光纤切割刀，直接切割而成的断面反射率较低 R1，通常约为 R0.04 故(4)和(5)可进一步改写为：0(1cos)RII（6）02()TII（7）从图 2 可以看出当反射率 R0.04 时，光纤
10、法珀的反射谱的确是一个正弦信号，与（6）描述吻合。这种低反射率的光纤法珀，为强度解调和傅里叶变换解调带来了方便。图 2 光纤法珀反射光谱图 3 IFPI 传感器的结构形式光纤 Fabry-Perot 干涉仪自从 20 世纪 80 年代首次被报道以来，引起了广泛关注与研究经过几十年的发展光纤法珀干涉传感器具有多种结构和用途。但通常按结构的不同可以分为本征型光纤法珀(intrinsic Fabry-Perot interferometer, IFPI)、非本征型光纤法珀传感(extrinsic Fabry-Perot interferometer, EFPI)、在线型光纤法珀干涉传感器(in-li
11、ne Fabry-Perot interferometer, ILFPI)。自 1987 年 P.A.Leilabady 等人首次利用光纤内部端面作为反射镜的方法制作本征型光纤法珀干涉传感器被报导以来，人们陆续提出了多种类型的本征型光纤法珀传感器，本征型光纤法珀传感器（IFPI）腔体部分由一段光纤构成，光纤两个熔接端面作为反射面而形成法珀腔。图 3 是几种常见的 IFPI 结构 5。IFPI 腔长以及纤芯折射率均可受到外界物理量的调制，从而实现传感的功能。这种结构制作起来相对容易，且信号稳定。有时为了增大信号的强度和对比度，需要使用镀膜（如银或二氧化钛）的光纤熔接。我们在使用二氧化钛镀膜光纤进
12、行本征型光纤制作过程中，曾经制作出腔长约为 20cm 的超长腔光纤法珀，信号对比度超过 10dB。但是由于 IFPI 是由实心的纤芯作为法珀腔体，而纤芯的热光系数比较大，容易出现温度应变交叉敏感的不良特性，当然有时人们需要利用这种特性来进行温度测量。目前光纤法珀干涉式传感器，由于其独特的优点，在商业化方面取得了很大的进展，加拿大斐索公司将光纤法珀成功应用于土木建筑、大坝等物体的监测上。美国微光公司（MOI）生产的高精细度可调法珀滤波器取得良好的经济效益，国内的多家院校和单位开展了光纤法珀的器件制作、检测方法、工程应用等多方面的研究，其中重庆大学在光纤法珀研究领域一直处于国内前列。3 变压器铁心
13、应变信号试验方法搭建了实验台，粘贴有光纤法珀传感器的变压器铁心如图 4 所示，试验台实物图如图5 所示。当对变压器通电时，变压器的铁心在励磁电流的作用下铁心硅钢片将发生伸缩变形，从而是的紧贴与硅钢片的光纤法珀腔的腔长发生变化。光纤法珀传感器和光纤应变仪相连接，光纤应变仪用 USB 接口和含有专门软件的计算机相连，因此可以通过计算机读出腔长的变化，那么就可以进一步得出变压器铁心硅钢片的应变量。图 4 将光纤法珀传感器粘贴于铁心上图 5 实验台实物图将变压器初级线圈和供电电源连接，当电源给线圈供电时，铁心中会产生磁场，铁心在外加磁场的作用下会沿轴向发生变形，使得粘贴在其上的光纤法珀传感器的腔长发生
14、变化，试验者将输入励磁电流从 0 增加到 1A，步长为 100mA，通过光纤应变测量仪和专门数据采集软件可以得出变化后的腔长，在已知初始腔长的情况下，可以求得其腔长的变化量，励磁电流是由试验者手动调节，这样就有法珀腔长变化量和所施加励磁电流的对应曲线。在试验过程中每增加一个步长后稳定时间大约为 8 分钟，这可能是由于本文所选择铁心材料所决定，稳定时间较长。4 仿真测试与结果分析经过多次实验，用计算机将所测得数据保存为 txt 文件，然后对试验数据进行处理，本文用最小二乘法对试验数据进行多项式拟合，使得在每个节点处的整体误差达到最小。图 6 第一组试验数据拟合曲线图 7 第二组试验数据拟合曲线图
15、 8 第三组试验数据拟合曲线对以上三条拟合曲线再次进行多项式拟合即可得到如图 9 的拟合曲线，如图 data4 即是最后的拟合结果。图 9 励磁电流和铁心应变的关系图将实际测量数据拟合曲线和仿真曲线进行对比，如图 10 所示。图 10 实测数据拟合曲线和仿真曲线对比图试验结论： 首先验证这种基于光纤法珀传感器测量变压器铁心微小应变信号的方法的可行性，即用光纤法珀传感器能够取出变压器铁心信号，然后连接计算机，用计算机对获取的数据进行分析处理； 我们将实际测量数据拟合曲线和仿真曲线进行对比，如图 10 会发现两条曲线的发展趋势是相同的，验证了本文所建立的测试模型。但是应变的大小有明显的不同，实际测
16、量的最大应变值比仿真最大应变值小，原因分析可能是将光纤法珀传感器粘贴于铁心上所用的粘贴胶的强度不够所引起的； 仿真曲线在开始端要平滑一些，而实测数据的拟合曲线在开始端滞后现象很明显，分析原因可能是试验中所选择的变压器铁心材料性质所决定，铁心硅钢片材料不太好导致实测的应变信号在开始端的死区越明显。5 结束语本文分析了光纤法珀干涉仪的基本原理，完成实验台平搭建，实验平台的搭建后完成相关实验，然后将试验数据拟合曲线和仿真曲线进行对比，发现曲线的发展趋势相同，验证了这种新型的测量方法的可行。因此将光纤法珀传感器运用于变压器铁心振动的监测，有明显的优越性，有着广泛的发展和应用前景。本文将其和光纤法珀传感
17、器相结合，设计出一种新型的基于光纤法珀传感器的测试系统。参考文献：1 松浦虔士等.电力设备运行中绝缘诊断技术，日本电气学会技术报告， 2005.5.2 Butter C D,Hocher G P,Fiber optics strain gauge.Appl.Opt,17,2867-2869.3 杨大智智能材料与智能系统天津大学出版社，2003.178-179.4 Lee C E,Taylor H F.Interferometric optical fiber sensors using internal mirrors.ElectronicsLettersJ,2001,24(4):193-19
18、4.5 万里冰，张博明等，应用光纤 Bragg光栅测量混凝土结构内部应变J 光电子激光，2002，13（7）：722-725.6 刘加强，李勇光纤通信工程M. 北京：北京邮电大学出版社， 2003,104106.7 刘瑞复，史锦珊光纤传感器技术及其应用M 北京：机械电子出版社， 2002.8 毕卫红等光纤 Fabry-Perot 干涉仪在传感应用中的数学模型J光子学报，2002，28（8）：743-747.9 Vikram Bhatia, Kent A Murphy, etal，Recent developments in optical-fiber-based extrinsicFabry-Perot interferometric strain sensing technologyJ，Smart Mater. Struct，1995,24(4):246-251.
