图1 膜片式EFPI传感器结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of diaphragm EFPI sensor structure
摘要 电力设备局部放电检测一直是国内外学者的研究重点，局放超声信号由于具有抗干扰易定位等优点而成为近年来的研究热点。随着科技的发展，使用光学传感器检测局放超声信号成为一种新兴的技术方法。在众多的光学传感器中非本征光纤法布里-珀罗（EFPI）传感器由于具有体积小、灵敏度高和抗电磁干扰等优点而备受关注。首先，介绍了国内外关于EFPI传感器的研究现状；其次，对EFPI传感器的检测原理、膜片材料的基本性能及制备方法进行了细致的阐述，并分析了可用于外置耦合检测的传感器可行性和优化完善传感器灵敏度设计方法的意义；最后，对EFPI传感器在局放检测中的局放点定位研究进行了分析，总结了传感器在应用研究中遇到的问题及解决方法，并根据EFPI传感器的实际情况，对传感器未来的发展趋势和研究重点进行了展望。
关键词：局放超声信号检测 非本征光纤法-珀传感器 膜片材料 制备方法 特性参数
局部放电（简称局放）是危害高压电力设备安全运行的重要因素，其发生时伴随有电信号、光信号、超声信号及化学反应产生[1-4]。在这些现象中超声信号具有高时效性、易于检测及抗电磁干扰等特点，成为近年来的研究热点[5-6]。对局放超声信号的检测方法逐步由传统的外置压电陶瓷（Piezoelectric, PZT）检测法转变为内置的光纤声波传感器检测法。在众多的光纤声波传感器中非本征光纤法布里-珀罗（Extrinsic Fiber Fabry-Perot Interferometer, EFPI）传感器由于具有结构简单、体积小及灵敏度高等优点而获得国内外研究学者的高度关注[7-8]。
1991年K. A. Murphy等首次报道了可检测动态应力变化的EFPI传感器，受限于当时的技术水平，该传感器并不能应用于高频声波信号检测中[9]。在随后几年中，P. C. Bear和T. N. Mills等多次报道了可用于检测超声波信号的EFPI传感器，该传感器的声光换能元件为聚合物膜片[10-13]。20世纪90年代末，P. C. Bread等利用聚乙二醇（Polyethylene Glycol, PEG）的弹性效应将其制作成声光换能元件，并使用此换能元件完成了EFPI传感器的设计制作，该传感器具有25MHz的检测带宽，且检测灵敏度为25mV/MPa，最小可测声压为20kPa[14]；此研究团队还利用聚偏二氟乙烯膜（Polyvinylidene Fluoride, PVDF）作为声光换能元件完成了EFPI传感器的制备，但灵敏度较低[15-16]。21世纪初，Wang Anbo等利用石英作为声光换能元件，设计制作了厚度为125μm、直径为2.5mm的石英膜片，并利用其制作了腔长为15.6μm的EFPI传感器，灵敏度为3.5nm/kPa，分辨率为10Pa[17]。Deng Jingdong等设计并制作了腔长为0.66μm的EFPI传感器，该传感器的声光换能元件是厚度为20μm、有效直径为955μm的石英膜片，并利用其局放产生的超声信号，得到局放超声信号输出幅值与局放声源距离的关系[18]；随后该团队利用六氟化硫（Sulfur Hexafluoride, SF6）气体作为法-珀腔填充介质制备EFPI传感器，并应用于变压器局放检测中，实验结果表明该传感器耐压等级到达10kV/mm，且针对不同压强下封装传感器的性能进行了对比测试[19]。2006年，Wang Xiaodong等利用微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）技术设计制作了厚度为25μm、边长为2mm的硅膜片作为声光换能元件，EFPI传感器的腔长为90μm，利用多周期解调的方法，每个干涉条纹可对应552Pa的声压，该传感器最小可测声压为2.8Pa[20]；随后该团队在油箱内安装多支EFPI传感器，展开局放定位研究，实验结果表明经计算后定位位置与实际放电位置接近[21]。2010年～2012年，O. Akkaya等多次报道使用光子晶体膜片作为EFPI光纤声波传感器的声光换能元件，并按照该制作方式成功制作10支具有相同灵敏度的EFPI光纤声波传感器，解决了由于制作工艺水平而导致的传感器参数性能不同的问题，但该研究团队提出的制作方法十分复杂，且对工艺水平要求极高[22-24]。2013年，Ma Jun等设计制作了具有1 100nm/kPa灵敏度的EFPI传感器，该传感器的声光换能元件为100nm厚多层石墨烯膜片，其频响带宽为0.2～22kHz，虽然此传感器具有极高的检测灵敏度，但其响应范围较低，不适合应用于局放超声信号检测中[25]。S. Poeggel等将光纤光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）与EFPI传感器相结合，其中栅区与法-珀腔相邻，通过FBG中心波长的变化实时测定传感器敏感区域的温度，实现对传感器的温度补偿，虽然该FBG-EFPI传感器无法实现对高频声信号的测量，但这种温度补偿方式对实际应用于动态温度变化区域内检测局放超声信号的EFPI传感器具有一定的积极意义[26]。2017年，Zhang Weichao等利用EFPI传感器对局放超声信号的传播特性进行研究，发现处于液体域的固体介质周围出现了局放超声信号增强现象[27]；随后通过对圆形膜片与方形膜片声敏感特性进行计算分析，通过优化膜片结构尺寸提高EFPI传感器检测灵敏度[28]。2018年，Wang Peng等将4支EFPI传感器组成阵列应用于变压器油中检测局放超声信号，并采用双边相关变换（Two-sided Correlation Transformation, TCT）算法对传感器列阵单元位置误差进行校正，提高了传感器测量精度[29]。2020年，Li Haoyong等利用MEMS技术成功地制备出具有十字支撑梁结构的硅膜片EFPI传感器，该膜片厚度为5μm，谐振频率下的检测灵敏度为-10dB re. 1V/Pa[30]；随后该学者又利用菲涅尔区相位修正聚焦结构（Fresnel Zone phase correcting Plate, FZP）对传感器检测灵敏度进行优化，将传感器谐振频率下的检测灵敏度由-19.8 dB re. 1 V/Pa提高至-12.4 dB re. 1 V/Pa[31]。
国内对于应用EFPI传感器检测局放超声信号的研究起步较晚。2008年，哈尔滨理工大学赵洪带领的研究团队采用MEMS加工技术制作EFPI传感器，该传感器膜片内表面进行了镀金处理，使传感器检测灵敏度得到提高，并在变压器油中成功地检测到了局放超声信号；该研究团队分别制作由厚度为60μm、直径为4mm的硅膜片和厚度为200μm、直径为2.5mm的石英膜片组成的EFPI传感器，并利用针-板放电模型及PZT声发射传感器对所获得的EFPI传感器进行灵敏度对比研究，实验结果表面利用MEMS加工技术制作的EFPI传感器最小可测放电量为150pC[32]；2009年，该团队针对EFPI传感器中心工作点随环境温度及液体静态压力变化而改变的问题，设计了具有分布式光源自动追踪功能的驱动电路[33]；在2015年，该研究团队针对EFPI传感器膜片结构尺寸与检测灵敏度的关系进行了细致分析，完善了传感器的结构设计系统，并利用波长可调分布式反馈（Distributed Feedback Laser, DFB）激光器作为光源的正交强度解调系统，将DFB激光器中心波长稳定在静态工作点Q附近，随后该团队提出了用于电缆终端及油浸式变压器内部局放超声信号检测的EFPI传感器布置方案[34-35]。2016年，国网电力科学研究院、国网内蒙古电力与该研究团队共同对EFPI传感器的幅频特性以及传感器腔长与灵敏度的关系进行了大量研究[36-38]；2017年，该团队针对应用于变压器油中EFPI传感器因黏滞阻尼和附加质量而导致其一阶固有谐振频率及灵敏度变化的问题，进行了细致研究[39]；2019年，该研究团队利用EFPI传感器对液-固复合界面超声信号的传播特点开展相关研究，初步获得了经液-固复合介质传播后超声信号的强弱变化规律[40]；2020年，该研究团队采用固体介质声耦合及液-固-液油腔声耦合的形式，设计并制备了可应用于变压器油箱壁外侧检测局放超声信号的EFPI传感器，为已经投产运行的大型油浸式电力变压器局放超声信号检测方法提供了新的选择[41-42]。
2014年，华北电力大学王伟等设计并制作了具有60nm/kPa灵敏度的EFPI传感器，该传感器响应频率为101.5kHz，利用同一放电模型进行多次放电获得传感器检测角度与检测灵敏度的关系[43]；该研究团队将放电模型及EFPI光纤声波传感器安装在长宽高为4.5m×2m×2.5m的油浸式变压器中，成功利用该传感器检测到局放超声信号[44-45]。2017年，昆明理工大学黄俊等设计并制备EFPI光纤声波传感器，并在变压器油中进行声衰减特性研究，并获得该传感器的损耗特性为25.8mV/cm[46]。2018年，司文荣等基于支撑梁臂结构的特点，设计并制备了具有较高灵敏度的EFPI传感器[47]；随后该研究团队对基于MEMS加工技术制作的EFPI光纤声波传感器膜片一阶固有谐振频率及灵敏度受残余应力影响的问题进行了分析研究[48]，并基于上述研究工作完成对传感器方向响应特性的测试[49]。
针对于EFPI光纤声波传感器的国内外研究现状，本文首先介绍EFPI光纤声波传感器检测局放超声信号的基本原理；然后详细叙述EFPI光纤声波传感器在设计制备中的技术难点（例如加工方式、结构尺寸设计等）；最后总结EFPI光纤声波传感器在局放检测中的局放点定位研究以及实际应用中遇到的问题，并根据实际问题对其未来在局放超声信号检测中的发展趋势进行展望。
EFPI传感器的光学原理是多光束干涉[50]，其基本结构多采用膜片式，即将声光换能元件根据设计要求加工成微米级或纳米级膜片，将膜片与光纤尾纤端面镀有一定反射率的薄膜，且这两个面相互平行并有一定距离，两个端面间的腔体就是法-珀腔，光束入射到法-珀腔后在两个端面间多次反射后形成干涉，其基本结构示意图如图1所示。
图1 膜片式EFPI传感器结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of diaphragm EFPI sensor structure
根据多光束干涉的基本原理可知，经法-珀腔反射后的输出光强[51]为
（1）
式中，I0(λ)为入射光光强；R1、R2分别为尾纤端面与耦合膜片的反射率；l为法-珀腔长；λ为入射光波长；n为腔内介质折射率，当介质为空气时n=1。当局放产生的声波信号传播到膜片表面时，膜片受声波信号驱动开始振动从而改变了法-珀腔的长度，使干涉光谱发生变化，输出光强随之改变。
EFPI传感器依据膜片位移振动实现声信号调制，膜片的动力学特性决定传感器的频响带宽和灵敏度[52]。传感器膜片多以圆形为主，根据弹性力学的基本原理，对受固定约束的薄圆片，其固有谐振频率为[53]
（2）
（3）
式中，D为膜片材料抗弯刚度；g为重力加速度。a为膜片有效振动半径；h为传感器膜片厚度；r为膜片材料密度；E为膜片材料弹性模量；m为膜片材料泊松比。可见，传感器性能是膜片材料和尺寸的相关函数。
另外，通常以传感器膜片中心点形变位移即静压灵敏度衡量EFPI传感器的响应灵敏度，其理论解析式为
（4）
式中，P为作用在膜片表面的静压力。
一般情况下，可以认为当超声信号频率超过传感器膜片固有谐振频率f0时，膜片受迫振动位移接近于零，则传感器的有效检测带宽为0～f0。考虑到局放超声信号通常在20～300kHz间，因此在设计制备传感器时，其固有谐振频率应当在300kHz以内。利用上述公式对30μm、40μm、100μm厚的石英膜片进行仿真计算，获得其固有谐振频率及灵敏度与传感器膜片有效约束半径之间的关系，如图2所示[53]。
根据上述公式及其计算结果可知，传感器检测灵敏度受其检测带宽和静压灵敏度共同影响，且检测带宽和静压灵敏度相互制约，即检测带宽增加时静压灵敏度降低，提高静压灵敏度后检测带宽变窄。因此在已确定膜片材料的传感器设计及制备过程中，需要根据局放超声信号特点合理计算设计传感器的结构尺寸，以满足所需的检测带宽和静压灵敏度。
图2 不同膜片厚度EFPI传感器固有频率和灵敏度随有效约束半径变化关系
Fig.2 The relationship between the natural frequency and sensitivity of EFPI sensor with different diaphragm thickness and effective constraint radius
根据传感器的基本原理可知，膜片材料的选取直接影响传感器检测灵敏度。由于传感器对膜片结构要求的特殊性且不同膜片材料加工难度不同，限制了使用不同材料加工制作而成的传感器检测灵敏度极限。目前被报道使用过的膜片材料主要有聚合物膜片、金属类膜片、半导体硅膜片、石英膜片、多层石墨烯膜片及二硫化钼膜片。
2.1.1 聚合物膜片
采用聚合物制作膜片具有一定的局限性，这是由于聚合物的杨式模量较低，基本在10GPa以内，导致其加工成型的膜片一阶固有谐振频率相对较低。利用空芯光纤及聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）制备的膜片式EFPI传感器结构示意图如图3所示，其膜片及法-珀腔利用蘸取及热烘干方式制备而成，机械强度得到较大提升[54]。
图3 聚合物膜片EFPI传感器结构示意图
Fig.3 Schematic diagram of polymer diaphragm EFPI sensor structure
该传感器的声压灵敏度为0.427mV/mPa，在5～720mPa范围内具有较好的线性响应，但其主要在10～50Hz低频范围内具有较高响应，可实现0.5Hz的分辨率，不适用于检测高频的局放超声信号。
2.1.2 金属类膜片
现阶段采用金属类膜片制备EFPI传感器膜片的材料主要有金属银膜片和金属金膜片两种方式。金属银膜片的加工方式有化学电镀法和磁控溅射法。化学电镀法可以加工获得纳米级的银膜片，应用其制备获得的传感器如图4所示，该传感器检测灵敏可达到160nm/Pa，但这种加工方式获得的纳米级银膜片表面平整度较差，传感器一致性无法得到保证[55-56]。
图4 化学电镀法制备的金属银膜片EFPI传感器
Fig.4 The physical image of the EFPI sensor with metallic silver diaphragm prepared by chemical plating
磁控溅射法加工获得的银膜片厚度在130nm，应用其制备的传感器结构如图5所示。银膜片的表面平整度高于20μm，工艺良好且具有可行性[57]。
图5 磁控溅射法制备的金属银膜片EFPI传感器结构示意图及实物图
Fig.5 Schematic diagram and physical image of the EFPI sensor with metallic silver diaphragm by magnetron sputtering
金属金膜片的制备主要利用物理气相沉积法制备，膜片厚度为100nm且膜片表面平整度较好，利于EFPI传感器使用，传感器实物如图6所示。该传感器的静压灵敏度在0～100kPa范围内约为19.5nm/kPa，整体线性度高达0.99，在2.6kHz声压频率下，其最大探测声压灵敏度可达80.6mV/Pa[58]。
图6 金属金膜片EFPI传感器实物图
Fig.6 The physical picture of the metallic gold diaphragm EFPI sensor
2.1.3 半导体硅膜片
使用MEMS加工半导体硅膜片的技术十分成熟[59]，所获得的硅膜片一致性非常高，应用其制备获得的传感器如图7所示[60]。
图7 半导体硅膜片EFPI传感器实物图
Fig.7 Physical image of semiconductor silicon diaphragm EFPI sensor
由于硅的杨氏模量达到190GPa，因此在保证检测灵敏度的前提下即使极薄的硅膜也具有较高的一阶固有谐振频率，非常适合应用在局放超声信号检测中。
2.1.4 石英膜片
使用传统的机械加工方法很难获得20μm以下石英膜片。但随着现代科技发展，石英膜片的加工技术日趋成熟和多样，目前利用电弧放电工艺可获得320nm厚石英膜片，利用该技术获得的石英膜片直径较小，不适于制备传感器膜片[61]。采用石英膜片制备获得的传感器如图8所示[34]。
由于石英膜片和光纤端面的光反射率小于4%，因此为了传感器获得较好的干涉光谱，需要在石英膜片内侧和光纤端面进行镀膜处理。利用石英膜片制作传感器时，一般使用准直毛细管玻璃进行配合制作，这是由于石英膜片、光纤及准直毛细管玻璃的热膨胀系数基本一致，可使传感器获得较好的温度特性。
图8 石英膜片EFPI传感器实物图
Fig.8 Physical image of quartz diaphragm EFPI sensor
2.1.5 多层石墨烯膜片
石墨烯是现在全世界已知材料中可制备获得的最薄的膜[62-63]，单层石墨烯的厚度约为0.335nm，并且石墨烯的杨氏模量为1TPa，且具有非常高的机械强度，其拉伸度可达到20%。使用石墨烯膜片制备获得的传感器如图9所示。
图9 多层石墨烯膜片EFPI传感器
Fig.9 Physical image of EFPI sensor with multilayer graphene diaphragm
该传感器使用的石墨烯膜片厚度为100nm，有效振动直径为125μm。传感器的一阶固有谐振频率为259.84kHz，检测灵敏度为1 000nm/kPa。但是石墨烯膜片的光反射率非常低，而且其转移贴合技术不成熟，极大地限制了其在局放超声信号检测中的应用研究。
2.1.6 二硫化钼膜片
目前已获得的二硫化钼膜片最薄可达5nm，其杨氏模量为300GPa，使用其制作而成的传感器输出信号具有良好的线性度。传感器检测灵敏度为89.3nm/Pa，比常规材料高三个数量级（例如银膜片、石英膜片等）。其传感器如图10所示[64]。
图10 二硫化钼膜片EFPI传感器
Fig.10 Physical picture of EFPI sensor with molybdenum disulfide diaphragm
使用二硫化钼膜片制备的传感器在局放超声信号检测中的应用前景令人期待，但受限于该膜片的加工工艺复杂且难度极大，目前国内外学者并未对其在局放超声信号检测中的应用开展广泛研究。
2.2.1 胶水粘接法
用于局放超声信号检测的EFPI传感器基本结构以插芯套管式为主。目前聚合物膜片、金属银膜片及二氧化硅膜片由于材料本身的特性，其与插芯套管的耦合方式为胶水粘接，传感器制备示意图如图11所示[57]。
图11 采用环氧胶制备的EFPI传感器示意图
Fig.11 Schematic diagram of EFPI sensor prepared with epoxy glue
使用胶水粘接方式制备的传感器在变压器油中长期使用的可靠性较差，这是由于变压器油中含有少量硫，具有一定腐蚀性，胶水长期浸泡在变压器油中其性能参数会发生改变[65-66]。并且由于大多数胶水的热膨胀系数都比较大，在温度发生变化时传感器静态工作点易受影响，同时胶水的热应力也容易破坏传感器结构。
2.2.2 范德华力耦合法
金属金膜片、多层石墨烯膜片和二硫化钼膜片依托于范德华力与插芯套管进行耦合，以多层石墨烯膜片转移贴合技术为例，其传感器制备示意图和实物图如图12所示[63]。利用这种方式制作的传感器膜片与插芯套管耦合程度不易控制，在受到一定外界压力作用时，传感器腔体会有泄漏情况发生，这就制约了其在复杂工作环境下的应用。
图12 采用范德华力制备的EFPI传感器
Fig.12 Schematic diagram of EFPI sensor prepared by van der Waals force
2.2.3 键合法
利用键合技术可将半导体硅膜片与石英套管紧密耦合在一起，采用键合法制备的传感器如图13所示[67-69]。键合技术成熟、结构牢固稳定，这使得传感器可以较好地应对变压器内部复杂的工作环境。但利用该技术制备的膜片为半导体硅，其在应用时需要考虑到电力设备高场强的作用，避免自身发生局放而引起运行事故。
图13 采用键合技术制备的EFPI传感器实物图
Fig.13 Physical picture of EFPI sensor prepared by bonding technology
2.2.4 二氧化碳激光热熔焊接法
采用全石英材料制作的传感器可以使用二氧化碳激光热熔焊接法制作而成，使用该方法制备获得的传感器如图14所示[70-72]。
图14 采用激光焊接制备的EFPI传感器实物图
Fig.14 Physical image of EFPI sensor prepared by laser welding
该方法使用的激光焊接方式为热传导焊接，此焊接方式对石英膜片进行焊接时容易引起热应力分布不均匀，导致石英膜片产生裂纹，而且在焊接时非常容易使石英膜片气化穿孔，导致焊接结构不够牢固稳定，图15所示为焊接失败的传感器。使用二氧化碳激光热熔焊接法制备的传感器性能稳定，结构安全可靠，但是对加工制作工艺要求极高。
图15 激光焊接失败的EFPI传感器
Fig.15 EFPI sensor for failed laser welding
采用EFPI传感器检测变压器局放超声信号时，通常将传感器安装在变压器内部进行检测，此方法虽然检测精度可以得到保证，但在实际使用时会遇到诸多问题，而且对于已经投产运营的变压器更是无法进行内部安装。针对于上述实际问题，目前有外置固体介质耦合EFPI传感器和外置油腔耦合EFPI传感器两种检测方法，实现在变压器油箱壁外侧安装EFPI传感器检测局放超声信号。
2.3.1 外置固体介质耦合EFPI传感器
外置固体介质耦合EFPI传感器如图16所示。局放超声信号传播到油箱壁，经油箱壁后传播到与之紧密耦合的钢片上，钢片受迫振动并同时带动贴附在其上的石英膜片振动，此时石英膜片在复频域局放超声信号的作用下以谐振的工作方式获得较大振幅[41]。该传感器前段钢片采用与变压器油箱壁同种材料加工而成，以减少声波信号在不同阻抗边界的传播衰减，套管与石英膜片及固定结构之间采用胶水粘接的方式来固定[73]。
图16 外置固体介质耦合EFPI传感器
Fig.16 EFPI sensor coupled with external solid medium
2.3.2 外置油腔耦合EFPI传感器
外置油腔耦合EFPI传感器的结构如图17所示，该传感器利用局放超声信号在液-固-液复合界面的传播特点设计并制备而成，并结合实验获得EFPI传感器输出信号强度和传感器膜片与油箱壁距离L的关系，确定传感器的最佳安装距离[42]。
图17 外置油腔耦合EFPI传感器结构示意图
Fig.17 Schematic diagram of external oil cavity coupled with EFPI sensor
该外置油腔耦合EFPI传感器与传统PZT传感器联合检测局放超声信号的安装示意图如图18所示。通过多次实验结果对比发现，其检测灵敏度要优于传统的PZT传感器。
图18 EFPI传感器与PZT传感器安装示意图
Fig.18 Installation diagram of EFPI sensor and PZT sensor
上述两种检测方法都实现了EFPI传感器在变压器油箱壁外侧的安装使用，解决了EFPI传感器在电力变压器内部复杂工况下难以保障稳定运行的问题，同时为已投产的变压器利用EFPI传感器进行局放超声信号检测提供了新的思路和方法，具有一定的研究意义。
能够实现对局放点准确定位是局放超声信号检测的一大优势，相比于传统的PZT传感器对局放点定位不同，EFPI传感器能够直接安装于电力变压器内部检测局放超声信号，并通过合理布置传感器位置实现局放点定位，定位所用的传感器数量少且精度高，EFPI传感器的布置方式主要有多点分布式和单点阵列式两种[74-76]。
3.1.1 多点分布式局放点定位研究
多点分布式的定位方法是将EFPI传感器分布安装在变压器内部的三维空间中，一般最少采用四支EFPI传感器，布置方法示意图如图19所示[74]。
图19 多点分布式布置方法示意图
Fig.19 Schematic diagram of multi-point distributed layout method
当EFPI传感器分布安装时，一般采用到达时差法（Time Difference of Arrival, TDOA）进行定位计算。该计算方法简单且精度高，但该方法需要在变压器内多点安装，增加了变压器设计制造难度。变压器高低压绕组传感器安装点如图20所示，其中一共四组八支传感器，由此可见这种方法大大增加了变压器的设计与制造难度[75]。
图20 EFPI传感器安装位置示意图
Fig.20 Schematic diagram of the installation position of the EFPI sensor
3.1.2 单点阵列式局放点定位研究
相比于多点分布式的安装方式，单点阵列式则具有便于安装和使用的优点，其实物图如图21所示[29]。
图21 方形平面阵列EFPI传感器实物图
Fig.21 Schematic diagram of square planar array EFPI sensor
图21中四支EFPI传感器膜片处于同一水平面上，且每两支传感器间相隔90°，这种单点阵列式的方式虽然便于安装和使用，但定位精度较低，需要对传感器的排列方式和定位算法进行优化才能满足检测需求。将四支传感器膜片水平高度进行调整后形成的空间三维排列如图22所示。经实验研究发现，利用空间三维排列的EFPI传感器对不同方向的超声信号测向精度误差小于4°。
图22 三维阵列EFPI传感器示意图
Fig.22 Schematic diagram of three-dimensional array EFPI sensor
3.2.1 动态温度及静压力变化对传感器检测性能的影响及解决方法
根据EFPI传感器的原理可知，其检测灵敏度受传感器腔长影响。当传感器在变压器油中使用时，膜片受液体静压力作用发生形变，进而改变传感器腔长，同时传感器本体材料在自身线性热膨胀作用下也会改变传感器腔长，腔长改变后需要重新调整静态工作点以保障传感器检测灵敏度。在实际应用中，传感器多数都处在动态的温度及压力区域内，严重影响了传感器的稳定性。
1）工作点动态追踪技术
利用工作点动态追踪系统可有效解决工作点漂移问题，该系统示意图如图23所示[33]。
图23 基于可调谐FP滤波器的工作点调节系统示意图
Fig.23 Adjusting system to operating point with tunable FP filter
放大自发辐射（Amplified Spontaneous Emission, ASE）宽带光源发射出的光进入隔离器，在经隔离器入射到可调谐FP滤波器中成为窄带光后进入隔离器，窄带光中心波长由PZT驱动电源进行控制调节；窄带光经一分二耦合器1、2进入到光谱仪和传感器中，光电放大器通过耦合器2接收到由传感器返回的光后转换为电信号，传入计算机中。该系统的工作原理为通过可调谐窄带光对传感器进行扫描，获得传感器实时干涉光谱对应不同窄带波长的输出电压，对输出电压分析计算后确定传感器最优工作点，稳定传感器对局放超声信号的检测性能。
2）准连续正交调频技术
准连续正交调频技术同样针对EFPI传感器的正交强度解调系统，确保用于超声信号检测的EFPI传感器检测灵敏度不受静压力及温度变化的影响。该技术的基本原理如图24所示。通过MG-Y型激光器获得四个连续且具有固定偏差（π/2）的光频，并依托现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array, FPGA）对光电探测器（Photoelectric Detector, PD）回馈信号进行处理，重新调整激光器输出光信号，保证EFPI传感器检测的稳定性[77]。
图24 准连续正交调频技术系统及原理图
Fig.24 Quasi-continuous quadrature frequency modulation technology system diagram and schematic diagram
3.2.2 传感器响应角度与灵敏度的关系
在电力设备中局放点发生的位置呈不确定性，并且局放所发出的超声信号类似于一个点声源，超声信号以球面波的形式传播。传感器在实际应用时安装位置是固定不动的，这使得传感器膜片法向与声波波矢方向产生夹角。根据声学基础原理可知，同一强度声波以不同角度入射到传感器膜片上时传感器膜片受迫形变不同，传感器膜片的形变量直接影响其检测灵敏度。为了能够在实际应用中给传感器选取最佳安装位置，就需要获得传感器响应角度与检测灵敏度的关系。
利用脉冲点火器作为局放声信号搭建的实验平台如图25所示[49]。脉冲点火器与传感器固定在可旋转光学滑轨上，由于脉冲点火器放电量不完全相同，因此每个放电位置进行10次有效放电，对输出信号求平均值以确保测试响应的准确性。测试角度为0～360°，以15°为步长进行；脉冲点火器与传感器之间的距离d分别取25cm、50cm、75cm和100cm，实验结果如图26所示。通过实验结果可知，在±60°的范围内传感器具有较好的响应灵敏度。
图25 实验装置图
Fig.25 Photograph of the experimental setup
图26 不同角度与位置检测到的超声波信号
Fig.26 Ultrasonic signals detected at different incident angles and distances
3.2.3 变压器油对传感器特性参数的影响
EFPI传感器在变压器油中使用时，传感器膜片两面分别与变压器油和空气接触，这使得膜片固有谐振频率发生变化。产生上述问题的原因在于变压器油具有一定黏度，其与传感器膜片接触时增加了膜片振动的附加质量，最终使得传感器膜片固有谐振频率下降。搭建实验平台对与油接触和未与油接触的同一支传感器进行实验验证，实验平台如图27所示。实验用传感器直接置于变压器油中进行实验，其结构如图28所示。随后取出传感器，去除表面变压器油，对其进行封装处理，使膜片两面都只与空气接触，将封装后传感器置于变压器油中再次进行实验，封装后传感器结构如图29所示[39]。
图27 EFPI传感器超声测量系统实验平台
Fig.27 EFPI sensor ulteasonic measurement system
图28 EFPI传感器结构图
Fig.28 EFPI sensor structure diagram
图29 EFPI传感器封装后结构
Fig.29 The packaged EFPI sensor diagram
该实验平台将PZT作为声波激励信号，输入信号从20～200kHz，步长为10kHz，封装结构和非封装结构EFPI传感器在变压器油中幅频特性对比实验结果如图30所示。通过实验结构可以看出，传感器膜片完全置于空气中的固有谐振频率为133kHz，而在变压器油中的固有谐振频率降低到58kHz，在固有谐振频率下封装后传感器输出幅值降低是由于封装结构造成了一定的声衰减。
依托于该实验平台对直接置于变压器油中的传感器进行变温实验，测得其在20℃、50℃、80℃下的幅频特性，实验结果如图31所示。通过实验结果可以看出传感器固有谐振频率随温度增加而升高，这是由于变压器油的黏度随温度升高而降低，膜片外表面的附加质量降低而导致的。
图30 封装结构和非封装结构EFPI传感器在变压器油中幅频特性对比
Fig.30 Comparison of amplitude-frequency characteristics of EFPI sensors in transformer oil in package and non-packaged structures
图31 不同温度变压器油中EFPI传感器的幅频特性
Fig.31 Amplitude-frequency characteristics of EFPI sensor in transformer oil at different temperatures
大型电力设备在发生局部放电时，其放电量一般较小，产生的局放超声信号较为微弱，同时超声信号在电力设备内部传播时受多方因素影响衰减较大。因此为了能够更好、更全面地检测到局放信号，就要进一步提高传感器的检测灵敏度。传感器膜片是决定其检测灵敏度的重要因素，不同材料的膜片本身材料属性存在一定差异，且加工难度也相差甚远。以聚合物、硅和石英为基底制作的膜片厚度达到微米级，使用上述材料制备的传感器检测灵敏度基本在100nm/kPa左右；以银、金和多层石墨烯为基底制作的膜片厚度已经达到100nm，使用上述材料制备的传感器检测灵敏度可达到1 000nm/kPa；以二硫化钼为基底制作的膜片厚度达到10nm以下，使用其制备的传感器检测灵敏度达到89nm/Pa。通过EFPI传感器的发展历程可以看出，为了能够获得更高的检测灵敏度必须要提高膜片基底材料的加工技术，同时寻找性能更为良好的材料。
在确定传感器膜片所用材料后，为进一步优化传感器检测灵敏度需要对传感器结构尺寸进行深入计算。目前关于对传感器结构尺寸优化计算的研究较少，对于不同材料在微米甚至纳米级别的物性研究也较少，使传感器结构设计无法形成完善的系统，这也成为制约传感器发展的一个原因。在获得最优传感器结构后，对于其结构稳定性的要求就显得尤为迫切，这是由于几乎所有的大型电力设备都工作在极其复杂的工况下。在复杂工况下，安置于其中的传感器如果结构发生破坏，极容易导致二次事故的发生，危害生产安全，这也是多数电力生产部门对在大型电力设备内部安装EFPI传感器的最大顾虑。加快EFPI传感器的应用推广，必然要提高其结构稳定性，优化安装位置，杜绝因传感器损坏而引发的二次事故。
随着光学解调技术和微纳加工技术的进步，光学传感器也随之快速发展。由于光学传感器依靠光作为信息传递的载体，其具有抗强磁场和强电场干扰的先天优势，因此在大型电力设备内部安装光学传感器检测局放超声信号成为一种新的检测方法。在众多光学传感器中，EFPI传感器在局放超声信号检测应用中具有结构小、易安装及检测灵敏度高等优点，使其获得国内外广大学者的关注研究。
1）EFPI传感器依托于微纳加工技术的快速发展和大量新型材料的发现，检测灵敏度获得了质的飞跃，有望实现对局放微弱超声信号更准确的检测。
2）EFPI传感器制备技术存在成本高和膜片加工工艺复杂等问题，这些都成为EFPI传感器工业化进程的阻碍。
3）EFPI传感器传感膜片易损，且环境因素影响严重，是传感器在电力工业现场使用的一个重要问题。
4）利用光作为信号传输载体的EFPI传感器便于组成检测网络，能够快速融入电站智能设备系统中，为智能变电站的发展起到积极的推动作用。
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Research Progress of Extrinsic Fiber Fabry-Perot Interferometer Sensor in Partial Discharge Detection
Abstract Partial discharge detection of power equipment has always been the research focus of scholars at home and abroad, the partial discharge ultrasonic signal has become a research hotspot in recent years due to its strong anti-interference and easy positioning. With the development of science and technology, the use of optical sensors to detect partial discharge ultrasonic signals has become an emerging technical method, among many optical sensors, Extrinsic Fiber Fabry-Perot Interferometer (EFPI) sensors, because of its small size, high sensitivity and anti-electromagnetic interference and other advantages, it has attracted much attention. Firstly, the research status of EFPI sensor at home and abroad is introduced, secondly, the detection principle of the EFPI sensor, the basic properties of the diaphragm material and the preparation method are described in detail, and the feasibility of the sensor that can be used for external coupling detection and the significance of optimizing the sensor sensitivity design method are analyzed, finally, the EFPI sensor's partial discharge point positioning research in the partial discharge detection is analyzed, and the problems and solutions encountered in the application research of the sensor are summarized, and according to the actual situation of the EFPI sensor, the future development trend and research focus of sensors are prospected.
keywords：Partial discharge ultrasonic signal detection, extrinsic fiber Fabry-perot interferometer (EFPI) sensor, diaphragm material, preparation method, characteristic parameter
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210125
中图分类号：TM931
国家自然科学基金青年基金（51607049）、黑龙江省普通高校基本科研业务费专项资金（LGYC2018JC029）和国网浙江省电力有限公司科技项目（5211WF200005）资助。
收稿日期 2021-01-22
改稿日期 2021-06-18
陈起超 男，1988年生，博士研究生，研究方向为高压电力设备绝缘检测。E-mail：qichaochen@hrbust.edu.cn
张伟超 男，1984年生，博士，副教授，研究方向为光纤传感及高压绝缘检测。E-mail：weichaozhang@163.com（通信作者）
（编辑 赫蕾）