本发明属于电力变压器监测技术领域，特别是涉及一种变压器监测与感知一体化光纤传感器及使用方法。
背景技术：
随着我国经济飞速发展，电力系统也在不断扩大，而变压器作为电力系统中不可或缺的一部分，发挥着重要作用。电力系统中的变压器检测重点是变压器运行中的状态以及可能引发变压器的内部故障。据相关调研显示，影响变压器使用寿命以及正常工作的最常见因素有：变压器绕组的松动、变压器运行的温度以及变压器油的老化。但是，现阶段对于变压器的检测大多仍然停留在人工停电检测阶段，因此，对变压器运行状态进行及时检测，做到早发现、早检修、防患于未然是十分必要的。
相对于传统电子式传感器，光纤传感器借助光进行传感和传输，不存在电磁干扰和雷电干扰，具有抗潮湿、抗腐蚀、抗高温、抗高压等优点；同时，光纤传感器安装灵活，可内置也可外置，本身绝缘，不影响机电设备的电力或电机系统的正常运行。近些年来，许多基于光纤光栅振动、温度、折射率单参数测量的传感器被提出。
以郭永兴、张东升等人提出的光栅光纤振动传感器探头(光纤光栅二维加速度传感器)为例，该振动传感器使用一根钢管和质量块构成弹性的结构体，用于检测外界的振动/加速度情况。但是，其谐振频率仅为515hz，测量带宽较窄，由于变压器绕组发生故障时振动频率可达1khz以上，因此无法用于测量变压器绕组振动情况。
以文进等人提出了一种光纤光栅温度探头为例，该温度探头包括了介质封装筒、光纤光栅以及封装装置，封装装置将外界温度传递至光纤光栅，介质封装筒是由绝缘塑料制成的，光纤光栅是悬空安装的，因此存在导热速度较慢、传感器响应速度较慢的缺点。
以于忠江、于成龙等人提出的通过光纤光栅传感器测量变压器油老化程度的方法为例，虽然证明了基于传感器的fbg能够探测到变压器油的降解，但是波长偏移没有精确符合油的折射率。
此外，虽然目前市面上光纤光栅振动、温度、折射率单参数测量的传感器已被提出，但是能够满足振动、温度、折射率这三种参数同时测量的一体化传感器少有提及。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种变压器监测与感知一体化光纤传感器及使用方法，能够有效解决传统光纤振动传感器测量的带宽较小的问题，能够有效解决传统光纤温度、折射率传感器测量结果不准确的问题，能够解决现有光纤传感器无法实现振动、温度和折射率同时测量的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种变压器监测与感知一体化光纤传感器，包括壳体、第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、管状弹性敏感元件、球形摆锤及弹簧；所述壳体采用圆柱形结构，壳体的上半段中心设置有圆柱孔道，壳体的下半段内部设有圆柱腔室；所述第一光纤光栅和第二光纤光栅由上至下安装在圆柱孔道内，通过第一光纤光栅和第二光纤光栅对变压器油的折射率和温度进行测量；所述管状弹性敏感元件位于圆柱腔室内，管状弹性敏感元件上端与圆柱孔道的下端孔口相固连，所述球形摆锤固定安装在管状弹性敏感元件下端，所述弹簧上端连接在球形摆锤上，弹簧下端连接在壳体上；所述第三光纤光栅安装在管状弹性敏感元件内部，通过第三光纤光栅对变压器的振动进行测量；所述第一光纤光栅、第二光纤光栅及第三光纤光栅通过光纤连接器与光学解调器相连，通过光学解调器对光信号进行调解，用于获得变压器的折射率、温度及振动信息。
所述第一光纤光栅、第二光纤光栅及第三光纤光栅均采用布拉格光栅。
所述第一光纤光栅和第二光纤光栅沿圆柱孔道轴线方向固定在圆柱孔道的内部，且第一光纤光栅和第二光纤光栅所在的平面与圆柱孔道的轴线相平行。
所述管状弹性敏感元件选用铝管，管状弹性敏感元件可沿任一方向发生形变，所述第三光纤光栅沿管状弹性敏感元件轴线方向且通过环氧树脂固定在管状弹性敏感元件内部，第三光纤光栅在管状弹性敏感元件内部处于紧绷状态。
在所述第一光纤光栅表面涂抹有负温度系数聚合物，用于补偿第一光纤光栅的热胀冷缩效应以及增强第一光纤光栅对折射率的精确度。
在所述述第一光纤光栅、第二光纤光栅及第三光纤光栅表面均涂抹有涂抹聚酰亚胺聚合物，用于防止高温破坏光栅结构。
所述光纤连接器采用fc光纤连接器、sc光纤连接器、st光纤连接器或lc光纤连接器。
所述光学解调器采用波长解调器或光谱仪。
所述的变压器监测与感知一体化光纤传感器的使用方法，包括如下步骤：
步骤一：将变压器监测与感知一体化光纤传感器安装到变压器绕组上，变压器油会通过圆柱孔道流入光纤传感器内部，当变压器油流经第一光纤光栅时，通过第一光纤光栅可以测得变压器油的光纤输出强度，再将实时测得的变压器油的光纤输出强度与纯净度在标准值下的变压器油的光纤输出强度进行对比，进而检测出变压器油的老化程度；
步骤二：当变压器油流经第二光纤光栅时，第二光纤光栅的栅间距离会因变压器油的温度而发生变化，导致透射和反射光的中心波长也随之发生变化，进而定量测量出变压器油的温度；
步骤三：当变压器绕组或铁心发生振动时，振动会通过壳体传递至球形摆锤，导致球形摆锤摆动并产生相应应力，使得管状弹性敏感元件在球形摆锤产生的应力下发生微量形变，此时第三光纤光栅的栅间距离会因管状弹性敏感元件的微量形变而发生变化，导致透射和反射光的中心波长也随之发生变化，进而定量测量出变压器的振动；
步骤四：第一光纤光栅、第二光纤光栅及第三光纤光栅采集到的光信号通过光纤传输至光学解调器，光学解调器对光信号进行解调，进而获得变压器振动频率、变压器温度和变压器油折射率，实现对变压器运行状态的监测和感知。
本发明的有益效果：
①、集成度高：本发明的光纤传感器将振动、温度和折射率测量功能集成在同一个探头中，满足了同时测量变压器振动、温度和折射率的能力，同时具有结构简单、带宽高、测量结果准确的特点。
②、结果准确：通过将光纤振动传感器和光纤温度传感器反射的光信号解调，可以消除温度对光纤振动传感器测量结果的影响。
③、温度补偿：通过在光纤折射率光栅表面涂抹负温度系数的聚合物，可以补偿布拉格光栅的热胀冷缩效应，增强布拉格光栅对折射率的精确度。
④、防高温：通过在光纤振动、温度、折射率光栅表面涂抹聚酰亚胺聚合物，可以防止高温破坏光栅结构。
⑤、测量灵敏：在球形摆锤的带动下，可以使管状弹性敏感元件向各个方向发生形变，通过环氧树脂安装在管状弹性敏感元件内部的光纤振动传感器可以测量振动方向和频率，可以有效提高测量灵敏度，且带宽可以达到khz级别。
⑥、绝缘性能优良：利用光纤本身作为传感探头，可以充分利用光纤本身具有优良的绝缘性能，将光纤安装在变压器内部后，不会对变压器的正常工作造成影响。
⑦、操作简便：可以将本发明的光纤传感器直接放置在变压器中，光学信号直接通过光谱仪或波长解调器解调，就可以获得振动、温度、折射率的相关数据。
附图说明
图1为本发明的一种变压器监测与感知一体化光纤传感器的结构示意图；
图中，1—壳体，2—圆柱孔道，3—第一光纤光栅，4—第二光纤光栅，5—管状弹性敏感元件，6—第三光纤光栅，7—球形摆锤，8—弹簧，9—圆柱腔室。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，一种变压器监测与感知一体化光纤传感器，包括壳体1、第一光纤光栅3、第二光纤光栅4、第三光纤光栅6、管状弹性敏感元件5、球形摆锤7及弹簧8；所述壳体1采用圆柱形结构，壳体1的上半段中心设置有圆柱孔道2，壳体1的下半段内部设有圆柱腔室9；所述第一光纤光栅3和第二光纤光栅4由上之下安装在圆柱孔道2内，通过第一光纤光栅3和第二光纤光栅4对变压器油的折射率和温度进行测量；所述管状弹性敏感元件5位于圆柱腔室9内，管状弹性敏感元件5上端与圆柱孔道2的下端孔口相固连，所述球形摆锤7固定安装在管状弹性敏感元件5下端，所述弹簧8上端连接在球形摆锤7上，弹簧8下端连接在壳体1上；所述第三光纤光栅6安装在管状弹性敏感元件5内部，通过第三光纤光栅6对变压器的振动进行测量；所述第一光纤光栅3、第二光纤光栅4及第三光纤光栅6通过光纤连接器与光学解调器相连，通过光学解调器对光信号进行调解，用于获得变压器的折射率、温度及振动信息。
所述第一光纤光栅3、第二光纤光栅4及第三光纤光栅6均采用布拉格光栅。
所述第一光纤光栅3和第二光纤光栅4沿圆柱孔道2轴线方向固定在圆柱孔道2的内部，且第一光纤光栅3和第二光纤光栅4所在的平面与圆柱孔道2的轴线相平行。
所述管状弹性敏感元件5选用铝管，管状弹性敏感元件5可沿任一方向发生形变，所述第三光纤光栅6沿管状弹性敏感元件5轴线方向且通过环氧树脂固定在管状弹性敏感元件5内部，第三光纤光栅6在管状弹性敏感元件5内部处于紧绷状态。
在所述第一光纤光栅3表面涂抹有负温度系数聚合物，用于补偿第一光纤光栅3的热胀冷缩效应以及增强第一光纤光栅3对折射率的精确度。
在所述述第一光纤光栅3、第二光纤光栅4及第三光纤光栅6表面均涂抹有涂抹聚酰亚胺聚合物，用于防止高温破坏光栅结构。
所述光纤连接器采用fc光纤连接器、sc光纤连接器、st光纤连接器或lc光纤连接器。
所述光学解调器采用波长解调器或光谱仪。
所述的变压器监测与感知一体化光纤传感器的使用方法，包括如下步骤：
步骤一：将变压器监测与感知一体化光纤传感器安装到变压器绕组上，变压器油会通过圆柱孔道2流入光纤传感器内部，当变压器油流经第一光纤光栅3时，通过第一光纤光栅3可以测得变压器油的光纤输出强度，再将实时测得的变压器油的光纤输出强度与纯净度在标准值下的变压器油的光纤输出强度进行对比，进而检测出变压器油的老化程度；
具体的，根据公式riiol＝imea/iref来判断变压器油的老化程度，式中，riiol为劣化系数，imea为实时测得的变压器油的光纤输出强度，iref为纯净度在标准值下的变压器油的光纤输出强度；劣化系数riiol越高，也就说明变压器油的老化程度越严重，反之亦然。对于同一油样来说，劣化系数可以和变压器油的老化程度建立一一对应的关系；
步骤二：当变压器油流经第二光纤光栅4时，第二光纤光栅4的栅间距离会因变压器油的温度而发生变化，导致透射和反射光的中心波长也随之发生变化，进而定量测量出变压器油的温度；
具体的，根据公式λ0＝2neffλ来确定变压器油的温度，式中，λ0为光纤光栅反射中心波长，neff为光栅有效折射率，λ为光栅条文周期；因温度变化所产生的热胀冷缩会直接导致光栅条文周期λ发生变化，由于折射率的温度效应会使得光栅有效折射率neff发生变化，这都将导致光纤光栅反射中心波长λ0的变化，从而可以反向获知温度场信息；
步骤三：当变压器绕组或铁心发生振动时，振动会通过壳体1传递至球形摆锤7，导致球形摆锤7摆动并产生相应应力，使得管状弹性敏感元件5在球形摆锤7产生的应力下发生微量形变，此时第三光纤光栅6的栅间距离会因管状弹性敏感元件5的微量形变而发生变化，导致透射和反射光的中心波长也随之发生变化，进而定量测量出变压器的振动；
具体的，根据公式λ0＝2neffλ来确定变压器油的温度，式中，λ0为光纤光栅反射中心波长，neff为光栅有效折射率，λ为光栅条文周期；管状弹性敏感元件5因振动产生的微量形变会直接导致光栅条文周期λ发生变化，进而导致光纤光栅反射中心波长λ0的变化，从而可以反向获知振动信息；
步骤四：第一光纤光栅3、第二光纤光栅4及第三光纤光栅6采集到的光信号通过光纤传输至光学解调器，光学解调器对光信号进行解调，进而获得变压器振动频率、变压器温度和变压器油折射率，实现对变压器运行状态的监测和感知。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。
1.一种变压器监测与感知一体化光纤传感器，其特征在于：包括壳体、第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、管状弹性敏感元件、球形摆锤及弹簧；所述壳体采用圆柱形结构，壳体的上半段中心设置有圆柱孔道，壳体的下半段内部设有圆柱腔室；所述第一光纤光栅和第二光纤光栅由上至下安装在圆柱孔道内，通过第一光纤光栅和第二光纤光栅对变压器油的折射率和温度进行测量；所述管状弹性敏感元件位于圆柱腔室内，管状弹性敏感元件上端与圆柱孔道的下端孔口相固连，所述球形摆锤固定安装在管状弹性敏感元件下端，所述弹簧上端连接在球形摆锤上，弹簧下端连接在壳体上；所述第三光纤光栅安装在管状弹性敏感元件内部，通过第三光纤光栅对变压器的振动进行测量；所述第一光纤光栅、第二光纤光栅及第三光纤光栅通过光纤连接器与光学解调器相连，通过光学解调器对光信号进行调解，用于获得变压器的折射率、温度及振动信息。
2.根据权利要求1所述的一种变压器监测与感知一体化光纤传感器，其特征在于：所述第一光纤光栅、第二光纤光栅及第三光纤光栅均采用布拉格光栅。
3.根据权利要求1所述的一种变压器监测与感知一体化光纤传感器，其特征在于：所述第一光纤光栅和第二光纤光栅沿圆柱孔道轴线方向固定在圆柱孔道的内部，且第一光纤光栅和第二光纤光栅所在的平面与圆柱孔道的轴线相平行。
4.根据权利要求1所述的一种变压器监测与感知一体化光纤传感器，其特征在于：所述管状弹性敏感元件选用铝管，管状弹性敏感元件可沿任一方向发生形变，所述第三光纤光栅沿管状弹性敏感元件轴线方向且通过环氧树脂固定在管状弹性敏感元件内部，第三光纤光栅在管状弹性敏感元件内部处于紧绷状态。
5.根据权利要求1所述的一种变压器监测与感知一体化光纤传感器，其特征在于：在所述第一光纤光栅表面涂抹有负温度系数聚合物，用于补偿第一光纤光栅的热胀冷缩效应以及增强第一光纤光栅对折射率的精确度。
6.根据权利要求1所述的一种变压器监测与感知一体化光纤传感器，其特征在于：在所述述第一光纤光栅、第二光纤光栅及第三光纤光栅表面均涂抹有涂抹聚酰亚胺聚合物，用于防止高温破坏光栅结构。
7.根据权利要求1所述的一种变压器监测与感知一体化光纤传感器，其特征在于：所述光纤连接器采用fc光纤连接器、sc光纤连接器、st光纤连接器或lc光纤连接器。
8.根据权利要求1所述的一种变压器监测与感知一体化光纤传感器，其特征在于：所述光学解调器采用波长解调器或光谱仪。
9.权利要求1所述的变压器监测与感知一体化光纤传感器的使用方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：将变压器监测与感知一体化光纤传感器安装到变压器绕组上，变压器油会通过圆柱孔道流入光纤传感器内部，当变压器油流经第一光纤光栅时，通过第一光纤光栅可以测得变压器油的光纤输出强度，再将实时测得的变压器油的光纤输出强度与纯净度在标准值下的变压器油的光纤输出强度进行对比，进而检测出变压器油的老化程度；
步骤二：当变压器油流经第二光纤光栅时，第二光纤光栅的栅间距离会因变压器油的温度而发生变化，导致透射和反射光的中心波长也随之发生变化，进而定量测量出变压器油的温度；
步骤三：当变压器绕组或铁心发生振动时，振动会通过壳体传递至球形摆锤，导致球形摆锤摆动并产生相应应力，使得管状弹性敏感元件在球形摆锤产生的应力下发生微量形变，此时第三光纤光栅的栅间距离会因管状弹性敏感元件的微量形变而发生变化，导致透射和反射光的中心波长也随之发生变化，进而定量测量出变压器的振动；
步骤四：第一光纤光栅、第二光纤光栅及第三光纤光栅采集到的光信号通过光纤传输至光学解调器，光学解调器对光信号进行解调，进而获得变压器振动频率、变压器温度和变压器油折射率，实现对变压器运行状态的监测和感知。
技术总结