CN101782533A - 激光污秽传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光污秽传感器，包括激光器、分光器、二根光纤束、光纤、石英棒、二个光电变换器、四个光连接器，每根光纤束的两端固定连接一光连接器，激光器产生的激光进入分光器，分光器分光一端经一光纤束与石英棒相连，石英棒经另一光纤束与光电变换器相连，分光器分光另一端经一光纤与另一光电变换器相连。将本发明用于高压输电线路绝缘子表面污秽度的自动在线监测，有效解决传统人工测量存在的不精确等问题，为高压输电线路的设计、维护和安全管理提供重要数椐。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光污秽传感器，可用于物体表面大气污秽度(盐污和灰污)的自动在线监测。
背景技术
测量高压输电线路绝缘子污秽度的传统方法是将被测试品所在的输电线路或变电站停电，然后，将被测试品表面污秽物全部洗下并溶于一定量的蒸馏水中，测量该溶液的电导率，然后换算成等值污秽度。根椐国家电网公司在2006年底颁布的新企业标准：Q/GDW 152-2006《＜电力系统污区分级与外绝缘选择标准》指出，对污区分布图的划分从单纯考虑盐污度向综合考虑盐污度和灰污度发展，目前，灰污度的测量国内一般采用的是精密天平加烤箱的人工方法，人工操做相当烦锁。总的来说，以上监测盐污度和灰污度的方法费时又费力，而结果又不准确，它需要投入大量的人力和物力，购买各种不同的测量设备，特别是无法对同一绝缘子的积污特性进行长期跟踪监测。测量前还必须对整条输电线路或整座变电站停电，从而带来很大的社会影响。
发明内容
本发明的目的为了克服上述现有技术存在的问题及缺点，提供一种激光污秽传感器，将本发明用于高压输电线路绝缘子表面污秽度的自动在线监测，有效解决传统人工测量存在的不精确等问题，为高压输电线路的设计、维护和安全管理提供重要数椐。
本发明的技术方案为：
激光污秽传感器，包括激光器、分光器、二根光纤束、光纤、石英棒、二个光电变换器、四个光连接器，其特征在于：每根光纤束的两端固定连接一光连接器，激光器产生的激光进入分光器，分光器分光一端经一光纤束与石英棒相连，石英棒经另一光纤束与光电变换器相连，分光器分光另一端经一光纤与另一光电变换器相连。
还包括有等效调整器SP，且等效调整器SP安装在石英棒上。
所述的分光器SO由石英晶体制成，分光比为9∶1或5∶1。
所述的石英棒为高纯度的石英棒，其纯度高达99.9999％。
所述的石英棒的直径为4mm，长度为320mm。所述的石英棒的形状为圆弧形，圆弧直径为248mm。
本发明的激光器LD产生激光进入分光器SO，分光器SO将光功率按相应的比例分成两部分，大部分光功率经光纤束OF1进入光传感元件石英棒BL，经石英棒传输的光功率由光纤束OF2进入光电变换器PIN1，光电变换器PIN1将光功率变换为电信号S1；小部分光功率进入光电变换器PIN2，光电变换器PIN2将光功率变换为电信号S2。S1是经传感元件的信号为传感信号，S2为参考信号，当激光器工作稳定时，该信号保持不变，因此，比值S1/S2反映传感信号的变化，通过检测和处理传感信号的变化就可以得到污秽度的数值。图中的A1、A2、A3、A4均为光连接器，要求连接损耗尽可能小。
光传感元件BL是激光污秽传感器的核心，它是一根高纯度的石英棒，其纯度高达99.9999％，它的形状和直径大小必须根椐监测对象来确定。用于高压输电线路绝缘子污秽监测的光传感元件为园弧形石英棒，棒直径为4mm，长度为320mm，石英棒形状的设计主要考虑三个方面：(1)石英棒中的光功率传输模式稳定；(2)光在棒中传输时，能有适当的光能沿石英玻璃棒表面大气层传输；(3)石英棒受污秽的状态与绝缘子相似。
根据以上要求，将石英棒设计成圆直径为248mm的圆弧形状，这种形状可以增加单位长度的全反射次数，迅速滤除高次模，使传输模式稳定，可以满足设计要求。
为了使传感元件的传感面积与绝缘子相对应，在石英棒上增设等效调整器SP，它可以调整石英棒的传感面的大小，使其积污状态与绝缘子等效，用于监测绝缘子沉积污秽的光传感器的等效调整器长度为12cm。
激光器LD为GaAs半导体激光器，工作波长为650-850nm，输出光功率为16mw。
二个光电变换器(PIN1、PIN2)为Si-PIN光电二极管，它将光信号变换为电信号，对它的主要要求是量子效率高大于80％，噪声系数小。从结构上讲，要求有大的受光面，圆直径为4mm。
光纤束OF1，OF2它由多根光纤构成，光纤束直径为4mm，光纤排列可采用有序或无序两种方法，在要求高稳定度时，需采用有序排列方法.光纤束的功能是光功率耦合，OF1将LD发射的光功率耦合到石英棒；OF2将经石英棒传输的光功率耦合到PIN1，对它的要求是传输损耗小，便于连接。
分光器SO它由石英晶体制成，分光比为9∶1或5∶1，要求SO工作稳定，光损耗小，体积小便于安装使用。
本发明的基本原理是利用介质光波导中的渐逝场能量来监测污秽。理论和实验证明，当光功率沿介质光波导传输时，其横截面上的光功率分布为高斯分布，如图1所示，当y＝0时，它为光波导的中心，由图1可见，光波导中心的光功率最大，沿波导半径逐渐减小，当x＝a时，即为光波导芯的半径，此时的光功率并不等于零而是某一数值，其大小与激光波长和光波导结构等有关，它说明有一部分光功率会沿着光波导芯表面，即石英棒表面传输，这就是光导中的渐逝场功率，激光污秽传感器就是利用渐逝场原理来监测污秽度。
激光污秽传感器的传感元件为高纯度的石英棒，空气中的石英棒就是一个以石英棒为芯，大气为包层的介质光波导，因此，在石英棒中传输的光功率就会有一部分沿石英棒表面传输而爆露在大气中。当石英棒表面无污秽时，高纯度的石英棒对光功率的传输损耗很小，当石英棒表面有污秽时，它将破坏光的传输条件衰减传输光功率。随着污秽的增加，它对光功率的衰减增大，因此，我们可以通过测量经石英棒传输的光功率衰减的程度来监测污秽的大小。传输光功率与污秽度的关系如图2所示。污秽度常用“盐密”和“灰密”表示。单位为(mg/cm2)。
由图2可见，随着污秽的增加而传输光功率减小。但它们不是简单的线性关系，而类似于某一指数衰减，大气中石英棒传输光功率的衰减与多因素有关，如污秽度和空气的相对湿度等。当湿度相当小于40％时，它对光功率影响很小。空气相对湿度对传输光功率的影响与污秽的组成比例有关，即污秽中的灰盐比有关，当灰盐比大时，湿度的影响小，灰盐比小时，湿度影响大，因此，可以利用这种关系来测定污秽中灰污和盐污的大小。
将本发明用于高压输电线路绝缘子表面污秽度的自动在线监测，有效解决传统人工测量存在的不精确等问题，为高压输电线路的设计、维护和安全管理提供重要数椐。
附图说明
图1为光波导横截面场强分布图。
图2为传输光功率与污秽度的关系图。
图3为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的说明：
如图3所示，本发明包括激光器LD、分光器SO、二根光纤束(OF1，OF2)、光纤、石英棒BL、等效调整器SP、二个光电变换器(PIN1，PIN2)、四个光连接器(A1、A2、A3、A4)，每根光纤束的两端固定连接一光连接器，激光器LD产生的激光进入分光器SO，分光器SO分光一端经一光纤束OF1与石英棒BL相连，石英棒BL经另一光纤束OF2与光电变换器PIN1相连，分光器分光SO另一端经一光纤与另一光电变换器PIN2相连，等效调整器SP安装在石英棒BL上。所述的分光器SO由石英晶体制成，分光比为9∶1或5∶1，要求分光器SO工作稳定，光损耗小，体积小便于安装使用。
本发明的激光器LD产生激光进入分光器SO，分光器SO将光功率按相应的比例分成两部分，大部分光功率经光纤束OF1进入光传感元件石英棒BL，经石英棒传输的光功率由光纤束OF2进入光电变换器PIN1，光电变换器PIN1将光功率变换为电信号S1；小部分光功率进入光电变换器PIN2，光电变换器PIN2将光功率变换为电信号S2。S1是经传感元件的信号为传感信号，S2为参考信号，当激光器工作稳定时，该信号保持不变，因此，比值S1/S2反映传感信号的变化，通过检测和处理传感信号的变化就可以得到污秽度的数值。图中的A1、A2、A3、A4均为光连接器，要求连接损耗尽可能小。
光传感元件石英棒BL是激光污秽传感器的核心，它是一根高纯度的石英棒，其纯度高达99.9999％，它的形状和直径大小必须根椐监测对象来确定。用于高压输电线路绝缘子污秽监测的光传感元件为圆弧形石英棒，棒直径为4mm，长度为320mm，石英棒形状的设计主要考虑三个方面：(1)石英棒中的光功率传输模式稳定；(2)光在棒中传输时，能有适当的光能沿石英玻璃棒表面大气层传输；(3)石英棒受污秽的状态与绝缘子相似。
根据以上要求，将石英棒设计成圆直径为248mm的圆弧形状，这种形状可以增加单位长度的全反射次数，迅速滤除高次模，使传输模式稳定，可以满足设计要求。
为了使传感元件的传感面积与绝缘子相对应，在石英棒上增设等效调整器SP，它可以调整石英棒的传感面的大小，使其积污状态与绝缘子等效，用于监测绝缘子沉积污秽的光传感器的等效调整器长度为12cm。
激光器LD为GaAs半导体激光器，工作波长为650-850nm，输出光功率为16mw。
二个光电变换器(PIN1、PIN2)为Si-PIN光电二极管，它将光信号变换为电信号，对它的主要要求是量子效率高大于80％，噪声系数小。从结构上讲，要求有大的受光面，圆直径为4mm。
光纤束OF1，OF2它由多根光纤构成，光纤束直径为4mm，光纤排列可采用有序或无序两种方法，在要求高稳定度时，需采用有序排列方法.光纤束的功能是光功率耦合，OF1将LD发射的光功率耦合到石英棒；OF2将经石英棒传输的光功率耦合到PIN1，对它的要求是传输损耗小，便于连接。
Claims (9)
1.激光污秽传感器，包括激光器、分光器、二根光纤束、光纤、石英棒、二个光电变换器、四个光连接器，其特征在于：每根光纤束的两端固定连接一光连接器，激光器产生的激光进入分光器，分光器分光一端经一光纤束与石英棒相连，石英棒经另一光纤束与光电变换器相连，分光器分光另一端经一光纤与另一光电变换器相连。
2.根据权利要求1所述的激光污秽传感器，其特征在于：还包括有等效调整器SP，且等效调整器SP安装在石英棒上。
3.根据权利要求1所述的激光污秽传感器，其特征在于：所述的分光器SO由石英晶体制成，分光比为9∶1或5∶1。
4.根据权利要求1所述的激光污秽传感器，其特征在于：所述的激光器LD为GaAs半导体激光器，工作波长为650-850nm，输出光功率为16mw。
5.根据权利要求1所述的激光污秽传感器，其特征在于：所述的光电变换器为Si-PIN光电二极管。
6.根据权利要求1所述的激光污秽传感器，其特征在于：所述的光纤束由多根光纤构成，光纤束直径为4mm。
7.根据权利要求1或2所述的激光污秽传感器，其特征在于：所述的石英棒为高纯度的石英棒，其纯度高达99.9999％。
8.根据权利要求7所述的激光污秽传感器，其特征在于：所述的石英棒的直径为4mm，长度为320mm。
9.根据权利要求8所述的激光污秽传感器，其特征在于：所述的石英棒的形状为圆弧形，圆弧直径为248mm。
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