CN117590300A - 基于分布式光纤声波传感的超导磁体失超检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于分布式光纤声波传感的超导磁体失超检测系统及方法，属于超导磁体失超检测领域。系统包括：分布式声波振动传感光纤、相干激光器、耦合器、声波振动解调仪、监测软件以及数据存储器。本发明提供了一种新型的失超检测方法，具有抗电磁干扰能力强、布设方式简单灵活等优点，可实现对超导磁体连续性失超检测，克服了传统失超定位需要将传感器埋入超导磁体内部、检修困难、线路复杂等的缺陷。
Description
技术领域
本发明属于超导磁体失超技术领域，具体涉及基于分布式光纤声波传感的超导磁体失超检测系统及方法。
背景技术
超导磁体在励磁运行时，受到电磁力作用下的形变(机械扰动)，超导线材内的磁通跳跃(磁扰动)，自身的交流损耗(热扰动)等扰动的影响，将会在超导磁体内部随机发生失超现象。一旦发生失超，超导磁体内部的应变能瞬间得到释放而发射机械波。因此，可通过检测超导磁体的声波信号来判断是否失超，但是传统的声发射传感器容易受电磁干扰影响，失超信号也常常被噪声所湮没。此外，传统的声发射传感器体积过大，在超导磁体结构上安装需要使用大量的引线，占据很大的空间，甚至会影响超导磁体的电磁特性。而其它的失超检测方法难以确定超导磁体失超源的位置，一些传感器埋入超导磁体内部后存在引线损坏和检修困难等诸多问题。因此，发展快速有效的失超检测系统能在超导磁体发生失超时做出及时准确的判断，精准地确定超导磁体失超源的位置，为保障超导磁体健康运行及后期优化磁体设计提供重要参数。
发明内容
本发明旨在解决现有技术的不足，提出一种基于分布式光纤声波传感的超导磁体失超检测系统及方法。基于相干光时域反射法(C-OTDR)的原理，利用柔软的分布式声波振动传感光纤，测量超导磁体在失超时释放的大量的声波振动信号，基于光纤返回光的时间依赖性来确定测量超导磁体发生失超的位置。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：基于分布式光纤声波传感的超导磁体失超检测系统，包括：分布式声波振动传感光纤、相干激光器、耦合器、声波振动解调仪、监测软件以及数据存储器；
所述分布式声波振动传感光纤布设于超导磁体的表面，用于检测超导磁体是否失超；
所述相干激光器用于向所述分布式声波振动传感光纤发送高相干激光脉冲；所述高相干激光脉冲经过所述耦合器作用后，传输至所述分布式声波振动传感光纤中，得到散射光信号；
所述声波解调仪用于对所述散射光信号进行解码和分析，得到失超信号；
所述监测软件用于将所述失超信号以频率和相位的形式进行表达，并根据所述失超信号得到失超源位置和判别造成超导磁体失超原因；
所述数据存储器用于实时采集并存储所述失超信号。
进一步优选地，所述分布式声波振动传感光纤的布设方法包括：
将所述分布式声波振动传感光纤绕制成光纤环，自由放置或者粘接于超导磁体表面；或将所述分布式声波振动传感光纤直接缠绕于超导磁体表面。
进一步优选地，所述失超源位置的计算方法包括：
X1＝v*(t1-t0)
X2＝v*(t2-t0)
X3＝v*(t3-t0)
式中，X1、X2、X3表示失超源到分布式声波振动传感光纤A、B、C三点的距离；v表示失超信号在超导磁体中的传播速度；t1、t2、t3分别表示分布式声波振动传感光纤A、B、C三点检测到超导磁体发生失超的时间；t0表示超导磁体开始励磁时的时间。
本发明还提供一种基于分布式光纤声波传感的超导磁体失超检测方法，所述检测方法应用于所述检测系统，包括以下步骤：
步骤一、将分布式声波振动传感光纤固定于超导磁体表面；
步骤二、向所述分布式声波振动传感光纤发射高相干激光脉冲，得到散射光信号；
步骤三、对所述散射光信号进行解调、分析，得到失超信号；
步骤四、对所述失超信号进行形式表达并存储；
步骤五、基于所述失超信号计算失超源位置和失超原因。
进一步优选地，步骤一中所述分布式声波振动传感光纤固定于超导磁体表面的方法包括：
将所述分布式声波振动传感光纤绕制成光纤环，自由放置或者粘接于超导磁体表面；或将所述分布式声波振动传感光纤直接缠绕于超导磁体表面。
进一步优选地，步骤四中所述形式表达包括：失超信号的频率以及相位。
进一步优选地，步骤五中得到所述失超源位置的方法包括：
X1＝v*(t1-t0)
X2＝v*(t2-t0)
X3＝v*(t3-t0)
式中，X1、X2、X3表示失超源到分布式声波振动传感光纤A、B、C三点的距离；v表示失超信号在超导磁体中的传播速度；t1、t2、t3分别表示分布式声波振动传感光纤A、B、C三点检测到超导磁体发生失超的时间；t0表示超导磁体开始励磁时的时间。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明光纤的布设方式能够减小分布式光纤传感器的安装体积，具有抗电磁干扰能力强、响应迅速、布设方式简单灵活等优点，改善了声波振动光纤的空间分辨率，从而提高超导磁体失超源定位的精度，基于多个失超源到达光纤的时间差异，通过失超检测和失超信号频率的识别，便可同时确定多个失超源的空间位置，以及判别造成超导磁体失超原因。克服了传统失超定位需要将传感器埋入超导磁体内部、检修困难、线路复杂等的缺陷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例基于分布式光纤声波传感的超导磁体失超检测系统结构示意图；
图2为本发明实施例分布式声波振动传感光纤直接缠绕于超导磁体表面失超检测及定位示意图；
图3为本发明实施例分布式声波振动传感光纤贴附于超导磁体表面的失超检测及多个失超源定位示意图。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一：
如图1所示，本实施例提供一种基于分布式光纤声波传感的超导磁体失超检测系统，应用的对象为超导磁体结构，适用的环境为极低温、强磁场、大电流、强辐照、高载荷等极端多场环境。具体包括：分布式声波振动传感光纤、相干激光器、耦合器、声波振动解调仪、监测软件以及数据存储器。分布式声波振动传感光纤布设于超导磁体的表面，用于检测超导磁体是否失超。如图2所示，分布式光纤声波传感(DAS)直接缠绕于整个超导磁体结构表面来做检测失超及定位。相干激光器向分布式声波振动传感光纤发送高相干激光脉冲，高相干激光脉冲经过耦合器作用后，传输至分布式声波振动传感光纤中，激光脉冲光信号在光纤传感器中一部分透射出去，一部分发生散射返回，成为散射光信号。本发明中声波解调仪只对散射光信号进行解码和分析，得到失超信号。监测软件将失超信号以频率和相位的形式进行表达，并根据所述失超信号得到失超源位置和判别造成失超的原因。数据存储器实时采集并存储失超信号。
具体的，本系统基于相干光时域反射法(C-OTDR)的原理，高相干激光脉冲经过耦合器的作用后传输到分布式声波振动传感光纤，其中一部分光信号在分布式光纤传感器内发生透射，另外一部分光信号在分布式光纤传感器内发生散射，当超导磁体在发生失超时(超导磁体在正常运行情况下超导导体不会发射声波，只有失超时，超导磁体瞬间释放大量的声波振动信号)，释放的声波振动信号引起分布式声波振动传感光纤沿轴向的伸长或压缩，导致分布式声波振动传感光纤内的散射光信号发生相位关系变化，声波振动解调仪实时测量后向瑞利散射光信号随时间的变化参数，从而得到分布式声波振动传感光纤上不同位置处的失超信号，也可同时获得超导磁体上多个失超源的位置的信息。监测软件将分析结果，即失超信号，以频率和相位的形式表示出来。另外，在失超检测系统中，通过光纤信号的相位的变化来判断超导磁体是否发生失超，通过光纤信号频率的变化来分析判断造成超导磁体失超的原因。
监测软件计算失超源位置，确定超导磁体发生失超源位置通过测量光纤内散射光的返回时间差来实现，失超源位置的计算方法包括：
X1＝v*(t1-t0)
X2＝v*(t2-t0)
X3＝v*(t3-t0)
式中，X1、X2、X3表示失超源到分布式声波振动传感光纤A、B、C三点的距离；v表示失超信号在超导磁体中的传播速度；t1、t2、t3分别表示分布式声波振动传感光纤A、B、C三点检测到超导磁体发生失超的时间；t0表示超导磁体开始励磁时的时间。
假设分布式声波振动传感光纤上A、B、C三点在超导磁体结构表面的直线距离分别为S1、S2、S3，由以上参数便可确定出超声磁体失超源的空间位置。
进一步的，如图3所示，将分布式声波振动传感光纤预先绕制成多个光纤环，类似于阵列式传感器，自由放置或者粘接于超导磁体表面；或将分布式声波振动传感光纤直接缠绕于超导磁体表面，以此形式来做失超检测及多个失超源的定位。这种布设方式能够减小分布式光纤传感器的安装体积，改善声波振动光纤的空间分辨率，从而提高超导磁体失超源定位的精度，基于多个失超源到达光纤环的时间差异，便可同时确定多个失超源的空间位置。
实施例二：
本实施例提供一种基于分布式光纤声波传感的超导磁体失超检测方法，本实施例结合检测系统各个组成部分，对检测方法进行详细说明。具体的，检测方法包括以下步骤：
步骤一、将分布式声波振动传感光纤固定于超导磁体表面。
分布式声波振动传感光纤固定于超导磁体表面的方法包括：
将分布式声波振动传感光纤预先绕制成光纤环，类似于阵列式传感器，自由放置或者粘接于超导磁体表面；或将分布式声波振动传感光纤直接缠绕于超导磁体表面，如图2所示。
步骤二、向分布式声波振动传感光纤发射高相干激光脉冲，得到散射光信号。
相干激光器向分布式声波振动传感光纤发射高相干激光脉冲，高相干激光脉冲经过耦合器的作用后传输到分布式声波振动传感光纤，其中一部分光信号在分布式光纤传感器内发生透射，另外一部分光信号在分布式光纤传感器内发生散射。
步骤三、对散射光信号进行解调、分析，得到失超信号。
当超导磁体在发生失超时(超导磁体在正常运行情况下超导导体不会发射声波，只有失超时，超导磁体瞬间释放大量的声波振动信号)，释放的声波振动信号引起分布式声波振动传感光纤沿轴向的伸长或压缩，导致分布式声波振动传感光纤内的散射光信号发生相位关系变化，声波振动解调仪实时测量后向瑞利散射光信号随时间的变化参数，从而得到分布式声波振动传感光纤上不同位置处的失超信号，也可同时获得超导磁体上多个失超源的位置的信息。
步骤四、对失超信号进行形式表达并存储；
采用监测软件将失超信号，以频率和相位的形式表示出来。
步骤五、基于失超信号计算失超源位置和判断造成失超的原因。
确定超导磁体发生失超源位置通过测量光纤内散射光的返回时间差来实现，失超源位置的计算方法包括：
X1＝v*(t1-t0)
X2＝v*(t2-t0)
X3＝v*(t3-t0)
式中，X1、X2、X3表示失超源到分布式声波振动传感光纤A、B、C三点的距离；v表示失超信号在超导磁体中的传播速度；t1、t2、t3分别表示分布式声波振动传感光纤A、B、C三点检测到超导磁体发生失超的时间；t0表示超导磁体开始励磁时的时间。
假设分布式声波振动传感光纤上A、B、C三点在超导磁体结构表面的直线距离分别为S1、S2、S3，由以上参数便可确定出超声磁体失超源的空间位置。
进一步的，如图3所示，将分布式声波振动传感光纤预先绕制成多个光纤环，类似于阵列式传感器，自由放置或者粘接于超导磁体表面；或将分布式声波振动传感光纤直接缠绕于超导磁体表面，以此形式来做失超检测及多个失超源的定位。这种布设方式能够减小分布式光纤传感器的安装体积，改善声波振动光纤的空间分辨率，从而提高超导磁体失超源定位的精度，基于多个失超源到达光纤环的时间差异，便可同时确定多个失超源的空间位置。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.基于分布式光纤声波传感的超导磁体失超检测系统，其特征在于，包括：分布式声波振动传感光纤、相干激光器、耦合器、声波振动解调仪、监测软件以及数据存储器；
所述分布式声波振动传感光纤布设于超导磁体的表面，用于检测超导磁体是否失超；
所述相干激光器用于向所述分布式声波振动传感光纤发送高相干激光脉冲；所述高相干激光脉冲经过所述耦合器作用后，传输至所述分布式声波振动传感光纤中，得到散射光信号；
所述声波解调仪用于对所述散射光信号进行解码和分析，得到失超信号；
所述监测软件用于将所述失超信号以频率和相位的形式进行表达，并根据所述失超信号得到失超源位置和判别造成失超的原因；
所述数据存储器用于实时采集并存储所述失超信号。
2.根据权利要求1所述基于分布式光纤声波传感的超导磁体失超检测系统，其特征在于，所述分布式声波振动传感光纤的布设方法包括：
将所述分布式声波振动传感光纤预先绕制成光纤环，自由放置或者粘接于超导磁体表面；或将所述分布式声波振动传感光纤直接缠绕于超导磁体表面。
3.根据权利要求1所述基于光纤声波传感的高温超导磁体失超检测系统，其特征在于，所述失超源位置的计算方法包括：
X1＝v*(t1-t0)
X2＝v*(t2-t0)
X3＝v*(t3-t0)
式中，X1、X2、X3表示失超源到分布式声波振动传感光纤A、B、C三点的距离；v表示失超信号在超导磁体中的传播速度；t1、t2、t3分别表示分布式声波振动传感光纤A、B、C三点检测到超导磁体发生失超的时间；t0表示超导磁体开始励磁时的时间。
4.基于分布式光纤声波传感的超导磁体失超检测方法，所述检测方法应用于权利要求1-3任一项所述检测系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将分布式声波振动传感光纤固定于超导磁体表面；
步骤二、向所述分布式声波振动传感光纤发射高相干激光脉冲，得到散射光信号；
步骤三、对所述散射光信号进行解调、分析，得到失超信号；
步骤四、对所述失超信号进行形式表达并存储；
步骤五、基于所述失超信号计算失超源位置和判别造成失超的原因。
5.根据权利要求4所述基于分布式光纤声波传感的超导磁体失超检测方法，其特征在于，步骤一中所述分布式声波振动传感光纤固定于超导磁体表面的方法包括：
将所述分布式声波振动传感光纤绕制成光纤环，自由放置或者粘接于超导磁体表面；或将所述分布式声波振动传感光纤直接缠绕于超导磁体表面。
6.根据权利要求4所述基于分布式光纤声波传感的超导磁体失超检测方法，其特征在于，步骤四中所述形式表达包括：失超信号的频率以及相位。
7.根据权利要求4所述基于分布式光纤声波传感的超导磁体失超检测方法，其特征在于，步骤五中得到所述失超源位置的方法包括：
X1＝v*(t1-t0)
X2＝v*(t2-t0)
X3＝v*(t3-t0)
式中，X1、X2、X3表示失超源到分布式声波振动传感光纤A、B、C三点的距离；v表示失超信号在超导磁体中的传播速度；t1、t2、t3分别表示分布式声波振动传感光纤A、B、C三点检测到超导磁体发生失超的时间；t0表示超导磁体开始励磁时的时间。
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