0 引言

局部放电（partial discharge, PD）信号的有效捕获对于电力设备绝缘状态感知与评估、故障预警与诊断具有重要意义^[1-2]。PD过程中会伴随声信号发射，监测声波信号可实现PD异常事件判定以及故障点定位，是目前电力设备PD监测领域的重要研究方向^[3-4]。

传统PD声发射普遍利用压电陶瓷（piezoelectric, PZT）声传感器进行检测。但是在实际设备中，出于对电力设备绝缘安全性能的考虑，PZT仅能铺设于电力设备外壳。PD超声信号经多层介质衰减后，传输到外壳上声压较小，导致PZT对内部PD信号的灵敏度较低，难以实现对设备内部微小缺陷的检出^[5]。此外，电学类传感器还存在受电磁干扰影响问题，信号可靠性与稳定性不足。

近年来，光纤传感技术迅速发展，光学超声传感器具有本质绝缘安全、抗电磁干扰、灵敏度高、可内置原位检测的优势，在电力系统中受到了越来越多的关注^[6]。例如，研究人员提出在光纤端面形成法布里珀罗（Fabry-Perot, F-P）腔，利用声波作用下振膜的形变调制干涉光程，实现对电力设备PD超声信号的捕获^[7-9]。光纤F-P腔超声传感器具有极高的声学灵敏度，但其普遍需要高精度的光学加工技术和精密的光路对准结构，对环境的适应性不高，易受环境干扰影响。光纤布拉格光栅（fiber bragg grating, FBG）传感器在超声检测中应用较为广泛，利用声波对光栅折射率、光栅常数的调制，实现对外界声波的探测。光纤光栅声波传感器可实现多点超声复用感知，形成分布式传感网络，但受限于其敏感光路长度，光纤光栅超声传感器普遍灵敏度不高，且对于高频声振信号的解调复杂^[10-14]。文献[15]针对光纤FBG声固耦合系数小、超声探测灵敏度低等问题，提出一种基于耦合锥的超声传感增敏结构，通过仿真研究传感器响应灵敏度影响因素，优化设计出 4 款性能优越的声耦合锥型光纤超声传感器，大幅提升超声耦合效率，但该结构稳定性较低，在工程应用中的实用性尚需提升。

光纤干涉仪超声传感技术无需在光纤上附加敏感结构，利用光纤自身的弹光效应进行声学传感，具有结构简单、长期稳定性好的技术优势^[16-18]。通过增加干涉光纤的长度，可实现超高灵敏度声学探测。如文献[19]成功构建迈克尔逊光纤干涉光路结构，传感臂光纤长度为50 m, 实现了从80~200 kHz的超声检测。文献[20]设计内径 30 mm、厚度 5 mm 的光纤环，并搭建基于 Mach-Zehnder干涉的超声传感系统，能有效检测出变压器PD信号。然而，迈克尔逊干涉结构由于传感光纤与参考光纤不共路，当外界存在干扰时（温度、应力、振动等），两路干涉光易引入额外干扰相位，系统相位噪声较大。Sagnac干涉结构广泛应用于光纤陀螺仪领域，其干涉结构具有光路互易性，能够有效抑制外界环境干扰，在电力现场复杂环境下具有重要的应用优势^[21-23]。

文中提出一种直线Sagnac非平衡干涉型（Sagnac unbalanced interference，SUI）超声传感技术，利用延迟光纤引入的非对称结构产生非平衡干涉，从而使两干涉光束对外界声波的感知具有相位差异，通过对干涉光谱的解调即可实现对外界声波的探测。在传统环形Sagnac干涉光路结构上，文中所提直线型干涉结构利用法拉第旋光镜（Farady rotator mirror, FRM）完成端面反射，替代环路结构。该结构在保证传统环形Sagnac干涉高灵敏度的基础上，使参与传感的两束光束具有高度相位、偏振互易，从而能够有效消除电力设备实际工况下的环境干扰，提升系统信噪比。

文中详细分析所提直线SUI光路结构，明确其对外界超声感知的光学传感原理，建立声波传感方程。在此基础上，分析直线SUI光路结构参数对超声传感特性的影响规律，结合电力设备PD声发射探测需求，提出最佳的传感器结构参数。最后，测试SUI的超声传感性能，试验结果表明，SUI可实现20~120 kHz的超声探测，具有优异的频率响应特性。基于SUI声传感系统，可成功实现对针板电极放电声发射信号的有效捕获。

1 SUI干涉光路及其声学传感原理 1.1 SUI干涉光路结构

在传统Sagnac干涉结构中引入1×2耦合器和FRM，将环路改进成为直线型非平衡干涉结构，传感光路结构如图1所示。

宽带光源为超辐射发光二极管（superluminescent diod, SLD），由耦合器C1输入后，在C1的5端口、6端口输出两路等功率光束进入到干涉光路中进行传输，分别记为逆时针光束（counterclockwise, CCW）和顺时针光束（clockwise, CW）。CW光与CCW光由耦合器C2合束并输入到传感光纤。光束经传感光纤后在末端被FRM反射，且光路的偏振态发生正交偏转。反射光束最终返回到C1，在C1耦合器的3端口CW光和CCW光发生干涉，并由光电探测器探测。SUI干涉光路结构中一共有4束光，具体如下。

路径1: 1端口—6端口—L1—C2—L2— L2—C2—L1—6端口—C1；

路径 2: 1端口—6端口—L1—C2—L2—L2—C2—5端口—C1；

路径 3: 1端口—5端口—C2—L2—L2—C2—L1—6端口—C1；

路径 4: 1端口—5端口—C2—L2—L2—C2—5端口—C1。

其中，光束路径 1与光束路径4分别具有最长和最短的传输光程。由于系统光源为宽带SLD光源，其相干长度较短，导致光束路径1与光束路径 4无法与其他光束发生干涉。因此，最终在耦合器C1上仅路径 2与路径 3发生双光束干涉。可以看到，路径 2 与路径3实际为相同光路中的CW光和CCW光。根据波的干涉原理，在3端口处的干涉光强I可表示为：

$ I = \frac{1}{9}{I_0}( {1 + \cos ( {\phi + \Delta \varphi })} ) $

(1)

式中：I₀为由光源输入耦合器C1的光强； $\phi $ 为干涉光路的初始相位； $\Delta \varphi $ 为超声信号引入的CW与CCW光路的相位差。声波作用于光纤后将导致相位差 $\Delta \varphi $ 变化，进而导致输出干涉光强I变化。通过检测干涉光强即可实现对入射声波信息的获取。

由式（1）可知，SUI干涉光路中的初始相位 $\phi $ 即为干涉仪的工作点，决定了SUI输出干涉光强随入射声波变化的灵敏度，如图2所示。

图2中，P_out为典型干涉仪结构输出光功率。若C1处采用常规2×2耦合器，CW光与CCW光的初始相位差为π，此时干涉光路具有最小干涉灵敏度。文中系统采用3×3耦合器，此时CW光与CCW光引入2π/3的初始相位差，使干涉仪工作于其线性工作区内，此时传感器输出光功率对声致相位信号 $\Delta \varphi $ 具有较高的响应灵敏度，有利于微弱超声信号的探测。

1.2 SUI超声敏感机理

超声对光纤的作用以声压的形式进行，声压作用于光纤时，光纤受应变效应、泊松效应以及弹光效应的共同作用^[24-25]，光束传输的相位可表示为：

$ \Delta \varphi (t) = {{K}}L{P_{\text{a}}}(t) $

(2)

式中：K为光纤对外界声压的敏感系数，与光纤的结构、材质以及传输光波波长有关，为一常数；L为参与声传感的光纤的长度；P_a（t）为超声作用在光纤上的声压，声波为机械波，一般可表示为P₀sin(2πft)，P₀为超声振幅，f为超声频率。

由于延迟光纤引入的非对称结构，CW光和CCW光于不同时刻传输经过传感光纤，因此外部声信号对CW光和CCW光产生的相位调制不同，分别为：

$ \Delta {\varphi _{{\mathrm{CW}}}}(t) = \int_0^{{l_2}} {K{P_0}\sin \left( {2{\text{π}} f \left( {t - \frac{{nx}}{c}} \right)} \right)} {\mathrm{d}}x $

(3)

$ \Delta {\varphi _{{\mathrm{CCW}}}}(t) = \int_0^{{l_2}} K{P_0}\sin\left( {2{\text{π}} f } \left( {t - \frac{{l_1 + l_2 - nx}}{c}} \right)\right){\mathrm{d}}x $

(4)

式中：l₂ 为传感光纤的长度；l₁为延迟光纤的长度；n为光纤的有效折射率；c为光速。

可见，在延迟光引入的非对称结构下，在声波作用下，CW光与CCW光产生相位差 $\Delta \varphi $ ，表示为：

$\begin{split} & \begin{gathered} \Delta \varphi =\Delta {\varphi }_{{\mathrm{CW}}}(t)-\Delta {\varphi }_{{\mathrm{CCW}}}(t)=\\ \frac{2K{c}}{{\text{π}} fn}\mathrm{sin}\left(2{\text{π}} f\frac{n{l}_{2}}{2}\right)\mathrm{sin}\left(2{\text{π}} f\frac{n{l}_{1}}{2{c}}\right)\times \\ {P}_{0}\mathrm{cos}\left(2{\text{π}} f\left( t-n\frac{{l}_{1}+{l}_{2}}{2c}\right)\right)=\\ S{P}_{0}\mathrm{cos}\left(2{\text{π}} f(t-\tau )\right) \end{gathered}\\[-15pt]& \end{split}$

(5)

式中：S为SUI超声系统的相位响应灵敏度，当SUI光路结构确定时，S为一常数；τ为系统延时系数，光路结构确定时，τ为一定值，且由于光速极其大，τ趋近于0，可以忽略。

可知，SUI光路中CW光路与CCW光路的相位差 $\Delta \varphi $ 随外界超声信号变化。结合式（1）可知，干涉光强I也将随超声信号变化。因此通过光电探测器检测干涉光强的变化，即可实现外部超声信号的获取。

2 超声传感性能分析与结构优化

SUI光路结构参数决定系统对超声检测的频率、灵敏度。为实现电力设备PD超声信号有效检测，文中将研究SUI超声传感系统结构参数对系统传感性能的影响规律。在此基础上，结合电力设备对PD超声检测的需求，提出传感器最佳结构参数。

2.1 干涉结构参数对检测灵敏度的影响规律

在SUI干涉结构中，传感光束将2次经过传感光纤，因此两光束的干涉相位差为2 $\Delta \varphi $ ，根据式（5）可知，干涉光束相位差对声波声强的灵敏度S为：

$\begin{split} &\begin{gathered} S = \frac{{4K{{c}}}}{{{\text{π}} fn}}\sin\left( 2{\text{π}} f {\frac{{n{l_2}}}{{2{{c}}}}} \right)\sin \left(2{\text{π}} f {\frac{{n{l_1}}}{{2{{c}}}}} \right) \approx\\ 8K{l_2}\sin \left(\frac{{n{\text{π}} {l_1}f}}{{{c}}}\right) \end{gathered} \\[-15pt]& \end{split}$

(6)

可知，SUI对超声检测的灵敏度与传感光纤长度l₂呈正比，传感光纤越长，超声传感灵敏度越高。

超声检测灵敏度随着延迟光纤长度l₁余弦变化，且与被测超声的频率有关。传感光纤长度一定时，延迟光纤长度l₁满足 nl₁f/c $= $ 2k+1（ $k \in {\bf{N}} $ ）时，系统具有最高的超声检测灵敏度；nl₁f/c $= $ k时，SUI对超声响应灵敏度为0。因此，在实际检测中，应根据被测超声的频率特性，合理设计SUI结构参数。

传感光纤为定值时，SUI对不同频率超声的响应灵敏度（k $= $ 1时，一阶情况下）如图3所示。仿真中，传感光纤长度为1 km, 光纤为SM-28单模光纤，传感波长为1 550 nm 波段。分别分析延迟光纤长度为100、500、1 000、2 000、5 000 m时SUI的超声频响曲线。由图3可知，延迟光纤长度越长，SUI传感器的一阶响应中心频率越低，易在高频范围出现零频点，导致系统灵敏度极其不平坦；延迟光纤长度越短，SUI一阶响应中心频率越高，此时系统在较大的超声频率范围内存在平坦的响应。

可见，延迟光纤的长度将影响SUI对超声的频率响应特性。因此须根据被测超声的频率范围，合理设置延迟光纤长度。

图4为不同传感光纤长度下，SUI对超声信号的频率响应曲线。由图4可见，传感光纤的长度只影响传感器响应的幅值，而不影响传感器的频率响应特性。因此，在进行超声检测时，应尽量增加传感光纤的长度。

2.2 适用于PD声发射检测的SUI最佳结构参数

电力设备PD声发射信号普遍在30~120 kHz频段内信号较强，有限探测该频段超声信号即可实现PD有限监测^[26]。为使传感器在该频段内具有较为平坦的幅频特性，根据2.1节理论分析，将延迟光纤l₁长度设置为 1 km。传感光纤越长，对超声探测的灵敏度越高，为实现对微弱PD信号的探测，传感光纤长度l₂设置为2 km，所形成光纤传感头缠绕成为圆盘状，探头尺寸仅为Φ7 cm × 3 cm。

3 实验 3.1 SUI超声传感性能测试与分析

为验证所提SUI结构对超声探测的有效性，组建如图5所示SUI超声传感系统，并对其性能进行分析测试。光源、探测器、以及SUI中的环路光路部分集成于仪器机箱内部，形成超声信号光学解调仪。直线段传感光纤为超声探头，需要测试时与解调仪器通过光纤法兰连接。

测试时，通过PZT施加不同频率超声信号，由SUI传感光探头进行接收，SUI系统输出信号由示波器进行采集与显示。为保证施加超声源的声压一致性，采用标准声发射传感器（型号REF-VL，响应频带30~600 kHz，灵敏度57 dB）对施加声压进行监测与校准。测试过程中，以10 kHz为阶梯，超声测量范围为30~150 kHz。

实验结果表明，SUI可有效捕获不同频率的超声信号。图6为传感器对40 kHz、80 kHz 以及120 kHz的响应波形及其频谱。可见，所提SUI系统可以有效捕获不同频率超声的波形，捕获波形与参考PZT获取波形具有一致性，且通过频谱分析可见超声波频率特性未失真。

受SUI传感机理影响，该系统在不同频率超声的响应灵敏度不同，因此文中进一步分析了SUI系统的幅频响应特性，如图7所示。由图7可见，系统的幅频响应曲线在90~100 kHz范围内出现峰值，与理论分析结果较为一致。SUI系统在30~150 kHz范围内，频谱相对较为平坦，幅频特性变化在50%以内，满足宽频超声的测量需求。

需要说明的是，图7所得到的SUI系统对超声的幅频特性结果略优于图4所得到的理论分析幅频特性。这是因为文中所采用传感光纤盘的直径为7 cm，卷制高度为3 cm，该尺寸与声波的波长相当。此时，声波作用于传感光纤上各点的声压不同，超声频率变化时，声波的波长不同将导致声波对传感光纤的声光调制的累积效果存在差异^[27]。因此，图7得到的实测结果与图4存在部分偏差。

方向敏感性是声传感器的重要性能指标。所提SUI传感器在其径向平面内，传感器具有完全圆对称结构，因此在该平面内具有均匀的方向敏感性。在传感器轴向平面，由于声波对光纤的调制路径具有差异，因此响应灵敏度会具有一定的方向敏感性，因此文中分析测试传感器在轴向平面的响应特性，测试结果如图8所示。

由图8可见，由于不同方向超声作用时对光路的调制效率不同，因此传感器对不同方向的响应具有一定差异，但整体方向性响应差异较小，波动幅度小于25%。其中，传感器对于沿其轴向作用的超声具有最高的响应度。

3.2 PD声发射信号检测

为进一步验证SUI系统对监测PD声发射信号的有效性，文中在变压器油内放置针板电极，以模拟产生PD，并通过所提出SUI系统对其PD过程的声发射信号进行监测，实验装置如图9所示。针板电极间距为2 cm, SUI光纤传感探头浸没于变压器油中，距离放电位置距离为40 cm。

在13.5 kV下针板电极产生放电，SUI系统能够有效捕获到该PD过程中所伴随的超声信号。通过对捕获超声信号进行频谱分析可知，本次放电产生的超声信号的主频为150 kHz，如图10所示。实验结果证明了所提出SUI对局放声发射信号探测的有效性可行性。

4 结论

文中提出一种基于SUI的超声传感技术，可实现电力设备PD声发射信号的高效探测与捕获。首先，分析SUI光路结构，明确其对外界超声的感知机理，并建立SUI对声波的传感方程。理论分析结果表明，通过控制SUI结构中传感光纤、延迟光纤参数，可有效调制传感系统的响应灵敏度与频带。然后，面向电力设备微弱超声信号探测需求，提出传感器延迟光纤为1 km，传感光纤为2 km的SUI结构参数，试验结果表明，所提SUI超声传感系统具有较为平坦的幅频特性与方向特性，可实现在30~150 kHz的频率范围内宽频、高灵敏度超声探测。最后，所组建系统成功实现对针板电极放电声发射信号的有效捕获，验证系统的有效性与应用潜力。文中研究为电力设备PD光学探测提供一种全新的技术途径

此外，文中研究表明，由于声波波长与传感光纤头的尺寸相当，超声波与传感光纤头的耦合作用也将影响系统的超声传感特性，该部分工作将在下一步研究工作中深入开展。