一种EFPI膜片方向性灵敏度提升装置及方法

摘要

本发明涉及一种EFPI膜片方向性灵敏度提升装置及方法，该装置安装在EFPI光纤传感器探头的膜片上，所述的提升装置包括质量块，该质量块安装在EFPI光纤传感器探头的膜片上，从而构成具有不同固有频率和响应灵敏度的新型膜片结构。与现有技术相比，本发明可在0‑180°超声波入射角范围内具有较一致的灵敏度响应特性，并可调节膜片的固有频率等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种EFPI光纤传感器探头，尤其是涉及一种EFPI膜片方向性灵敏度提升装置及方法。

背景技术

基于光纤耦合技术的光纤传感器，在电工设备局部放电(partial discharge,PD)超声波、光信号和脉冲电流检测中具有很好的应用前景。经过多年相关技术的发展和探索，采用非本征型法珀干涉仪(extrinsic Fabry-Perot interferometer,EFPI)光纤传感器法即EFPI光纤传感器，被广泛研究和应用于电工设备如变压器和气体绝缘组合电器等设备局部放电的超声波信号检测。EFPI光纤传感器原理及常用膜片结构见图1-4所示，其是一套使用敏感膜片结构将超声波转换为机械振动，再利用法珀干涉技术将机械振动转化为光学参量变化，最终被光电探测器等相关仪器转化、采集、解调的高性能声超波检测系统。但研究和实际工程表明，常规的平面膜片结构在方向性灵敏度有一定欠缺，在0-180°超声波入射角灵敏度响应上一致性差异较大。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种EFPI膜片方向性灵敏度提升装置及方法，在膜片中心引入质量块结构，可在0-180°超声波入射角范围内具有较一致的灵敏度响应特性，并可调节膜片的固有频率。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

根据本发明的一个方面，提供了一种EFPI膜片方向性灵敏度提升装置，该装置安装在EFPI光纤传感器探头的膜片上，所述的提升装置包括质量块，该质量块安装在EFPI光纤传感器探头的膜片上，从而构成具有不同固有频率和响应灵敏度的新型膜片结构。

作为优选的技术方案，所述的质量块安装在膜片的中心位置。

作为优选的技术方案，所述的质量块为方台型结构。

作为优选的技术方案，所述的质量块包括一个质量块正面和四个质量块侧壁，该一个质量块正面和四个质量块侧壁构成超声波立体接受面。

作为优选的技术方案，所述的质量块为金字塔型结构。

作为优选的技术方案，所述的质量块为棱柱型结构。

作为优选的技术方案，所述的探头的新型膜片结构由平面膜片的设计参数厚度h和等效工作半径a又增加了质量块的厚度T和边长。

作为优选的技术方案，当不同方向的超声波作用于质量块侧壁时，质量块受到声压作用引起膜片变形，使EFPI光纤传感器探头腔长变化产生相应的光强变化，从而检测到更宽入射角范围。

作为优选的技术方案，所述的探头的新型膜片结构检测到更宽入射角范围，可满足0-180°的超声信号。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于所述的EFPI膜片方向性灵敏度提升装置的方法，该方法通过在EFPI光纤传感器探头膜片中心引入质量块结构，从而组合设计具有不同固有频率和响应灵敏度的新型膜片结构。

本发明相比于平面膜片，采用尺寸较小且厚度较厚的质量块结构可以提高膜片的方向性灵敏度，即当不同方向的超声波作用于质量块侧壁时，质量块受到声压作用引起膜片变形，使EFPI光纤传感器探头腔长变化产生相应的光强变化，从而检测到更宽入射角范围即满足0-180°的超声信号。

附图说明

图1为EFPI光纤传感器的原理图；

图2为图1的A部放大图；

图3为常用膜片一的结构示意图；

图4为常用膜片二的结构示意图；

图5为实施例1的结构示意图；

图6为实施例2的结构示意图；

图7为实施例3的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例1

如图5所示，一种EFPI膜片方向性灵敏度提升装置，该装置安装在EFPI光纤传感器探头的膜片1上，所述的提升装置包括质量块2，该质量块2安装在EFPI光纤传感器探头的膜片1上，从而构成具有不同固有频率和响应灵敏度的新型膜片结构。

所述的质量块安装在膜片的中心位置。所述的质量块为方台型结构。所述的质量块包括一个质量块正面3和四个质量块侧壁4，该一个质量块正面3和四个质量块侧壁4构成超声波立体接受面。

在EFPI光纤传感器探头工作时，膜片1将超声波转换为机械振动。由于质量块2的引入，图5中平面膜片中心质量块所处位置的平面，转换成了由质量块正面3和四个质量块侧壁4组成的超声波立体接受面，从而检测到更宽入射角范围即满足0-180°的超声信号。此时，探头的膜片结构由平面膜片的设计参数厚度h和等效工作半径a又增加了质量块的厚度T和边长l，进一步有利于满足电工设备种PD超声波信号检测的需求。

即本发明通过在EFPI光纤传感器探头膜片中心引入质量块结构，可以组合设计具有不同固有频率和响应灵敏度的新型膜片结构。相比于平面膜片，尺寸较小且厚度较厚的质量块结构可以提高膜片的方向性灵敏度，即当不同方向的声波作用于质量块侧壁时，质量块受到声压作用引起膜片变形，使EFPI光纤传感器探头腔长变化产生相应的光强变化，从而检测到更宽入射角范围即满足0-180°的超声信号。

实施例2

如图6所示，所述的质量块为金字塔型结构，所述的质量块包括四个三角形结构的质量块侧壁，其余同实施例1。

实施例3

如图7所示，所述的质量块为棱柱型结构，所述的质量块包括一个质量块正面和四个质量块侧壁，所述的质量块侧壁为矩形结构，其余同实施例1。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。