CN103512860A - 一种基于太赫兹波光子晶体光纤的变压器油溶解气体监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于太赫兹波光子晶体光纤的变压器油溶解气体监测方法，根据每种气体吸收光谱具有不同的特征吸收峰，将需要检测的气体对应吸收峰的光波分别入射到不同的光纤，光在光纤内传播时会因被气体吸收而减弱，最后检测光纤口的光波强度便可得出气体浓度。具体实现步骤为：首先利用一个可调谐的激光器作为光源，然后运用导光子晶体光纤光栅实现光路的分解，将HC-PCF作为传感单元引入光纤气体传感中，最后测量光强，计算气体浓度。本发明实现了实时、高灵敏度、多组分的DGA探测技术，具有相当好的社会和经济效益。

Description

一种基于太赫兹波光子晶体光纤的变压器油溶解气体监测方法

所属技术领域

本发明属于电子仪器设备领域，具体涉及一种基于太赫兹波光子晶体光纤的变压器油溶解气体监测方法。

背景技术

变压器是发电厂和用户之间最重要的纽带，也是各电网等级之间的枢纽，是电力系统中的重要电气设备之一，其运行状况直接影响电能的正常输送。为确保变压器的安全运行，从20世纪50年代开始，发展了多种技术来监测和诊断变压器，电力变压器油中溶解气体分析(DGA)是监测和诊断油浸式电力变压器早期故障及预防灾难、事故的最有效的方法之一，已列为油浸变压器32项预试项目的第1位。DGA主要通过监测在电力变压器运行过程中，由于电和热的故障、绝缘纸的分解、分接开关油室向主油箱渗漏、设备油箱带油补焊和潜油泵出故障、变压器油中含水和本体受潮等原因导致变压器油中出现的H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄和C₂H₆等各种气体浓度，来判断变压器的运行状况，预防事故的发生。

现有DGA检测方法与技术主要有：(1)基于色谱监测技术，这种方式操作繁琐、周期长、对油中溶解气体的发展趋势测量代价高等缺点，其检测结果难以准确和及时地反映设备的当前工作状况。(2)基于热导池检测器(TCD)和氢火焰检测器，虽然这两种检测器技术都比较成熟，但都存在体积大、成本高、灵敏度低、反应时间长等缺点；(3)基于微机电传感技术(MEMS)的TCD构成的气体在线监测系统，虽然具有反应时间短和体积小等特点，但灵敏度不高；(4)基于燃料电池技术的检测仪，灵敏度有所提高，但系统累积效应大，使用时间越长，误差越大；(5)基于红外傅里叶光谱技术的监测仪，不能检测H₂；(6)基于光声光谱技术检测仪，检测灵敏度高，但对现场的环境有比较高的要求，故其应用仍然需要解决大量的工程问题。

表1目前DGA的常用的几种检测方法灵敏度对比

由于现有DGA监测方法普遍存在体积大、成本高、操作复杂或灵敏度差等方面存在许多不足，不利于DGA监测设备的大规模应用，因此，有效克服以上缺点的基于太赫兹波光子晶体光纤的DGA监测方法的成功研制和推广应用必将有相当好的社会和经济效益。

发明内容

为了克服现有DGA监测方法普遍存在体积大、成本高、操作复杂或灵敏度差等方面存在许多不足，本发明提供一种新型的监测方法，该方法不仅解决了以上问题，而且具有较高的分辨率和较高的精确度。

本发明解决其技术路线所采用的技术方案是：

根据气体光谱吸收理论，气体分子只能吸收某些能量正好等于气体分子两个能级之差的光子。这就使得不同分子结构的气体由于其分子结构、能级的不同而吸收不同频率的光子，即气体分子的选择吸收。将待测气体的光吸收谱对应频率的单色光入射到待测气体中，然后检测被待测气体吸收后剩余的光波强度，最后采用Beer-Lambert定律和气体光谱吸收理论计算待测气体中特定气体的浓度。本发明采用激光器、光子晶体光纤光栅和THz波空芯光子晶体光纤构成光学单元，结构轻便、体积小、成本低且灵敏度高；由于采用光栅分光，因而得出气体浓度的速度远远高于色谱监测技术，且本发明可直接读出气体浓度，操作方式简便，操作人员仅需简单培训即可操作，无需专业知识。

本发明提供一种基于太赫兹波光子晶体光纤的变压器油溶解气体监测方法，由以下部分组成：

一：油气分离与控制单元

由于电和热的故障、绝缘纸的分解、分接开关油室向主油箱渗漏、设备油箱带油补焊和油泵出故障、变压器油中含水和本体受潮等原因，油浸电力变压器的油中会出现的H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₄和C₂H₆等各种气体，油气分离主要将油浸电力变压器中的油和气体分离，并将气体送人光学单元。具体过程如下：

(1)用油泵将油浸电力变压器中的油，通过油过滤器过滤油中微小物质后，流入到油气分离器，分离后将剩余油通过油缓冲器减速后送回到油浸电力变压器，将气体送入气体进样器。

(2)通过油气分离器的气体存储在气体进样器中，由数据采集和控制模块控制气体均匀地离开气体进样器进入光学单元。保证气体的均匀是气体浓度监测准确性因素之一。

二：光学单元

光学单元是发明的核心部分，主要根据不同气体对光谱的吸收峰是惟一的，采用所需检测的气体对应的特征吸收峰的单色光照射气体，将衰减后的光送入到信号处理单元进行检测。

具体过程如下：

(1)本发明光源采用一台可调谐激光器作为光源，光波波长涵盖所需检测气体的特征峰。

(2)激光器所发出的光将经过光子晶体光纤光栅分光，将特定频率的单色光入射到对应的子晶体光纤。光子晶体光纤光栅分光器是光学单元的重要组成部分之一，经过分光后，只留下特定频率的单色光，使检测速度大为增加。

由于一次检测多种气体，需要设计多个光子晶体光纤光栅和环形波导来产生一系列共振波长的输出光，且每个波导的共振光谱段与待检测的一种气体吸收谱段相对应。因此，在设计中，我们对光栅参数如空气层数、孔径、折射率、光栅周期等进行选择与优化，使每个波导的某个光谱输出只与一种待检测气体吸收谱相对应。其次，耦合波导之间存在的阴影效应。在制作光栅时，需要选取或调配合适的材料系统，准确控制制作工艺参数，使分光器材料系统的折射率参数与理论设计值相匹配，并使制造的耦合波导的尺寸、环形器与耦合波导之间的耦合距离等符合设计要求。所设计的分光器，要能根据气体吸收特征不同，实现精确分光。

我们选择了光敏性聚合物材料制作光子晶体光纤，通过横向射入两束紫外光在纤芯中形成布喇格反射光栅，光的入射角为θ_i，光的衍射角为θ_d，Λ为光栅周期，这里为光子晶体光纤空气孔之间的间距，当θ_d射的射线满足下列光栅方程

Λ(sinθ_i-sinθ_d)＝mλ                      (1)

上式中m是光栅的阶数。对于不同的波长，可以在成像平面内的不同点满足光栅方程，所以这种光栅可以精确分离单独波长。当多波长信号写入光栅时，与布喇格反射条件相位匹配的波长是不能传输的。纤芯折射率在光的照射下沿着其轴向受到均匀正弦调制，即：

$n\left(z\right)=n_{\mathrm{core}}+{\mathrm{\δ}}_n[1+\cos \left(\frac{2\mathrm{\πz}}{\mathrm{\Λ}}\right)]---\left(2\right)$

n_core是没有被照射的纤芯折射率，δn则是折射率的光之变化。光栅的最大反射率当满足布喇格条件时，在光栅中出现最大反射率，反射波长λ_Bragg为：

λ_Bragg＝2Λn_eff                            (3)

n_eff是纤芯的模式有效折射率。在该波长处，长为L、耦合系数为κ的光栅最大反射率可以保持的半高全宽Δλ为

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{bragg}}^2}{\mathrm{\π}{n}_{\mathrm{eff}}L}{[{\left(\mathrm{\κL}\right)}^2+{\mathrm{\π}}^2]}^{\frac{1}{2}}---\left(4\right)$

为了分离待测波长，通过一个三端口的环形器连接光栅，一个端口的输出信号作为下一端口输入。被分离的光将进入光子晶体光纤，剩余的光继续入射到下一个光栅。

(3)被分离的光入射到光子晶体光纤，在通过光纤时将被待测气体吸收，所以必须控制好光在光纤中传播的色散、损耗等问题，降低对检测的干扰，提高系统的分辨率和准确度。

我们采用六边形的带隙型空芯聚合物光子晶体光纤(HC-PPCF)作为THz波传感元件。HC-PPCF的材料的选取和结构参数首先通过材料带隙、色散、损耗、模场能量分布值等因素来确定。

设计光子晶体光纤参数可采用OptiFDTD进行计算，假设光纤的边界条件为完全匹配层(PML)吸收边界，PML是在计算区域边界处设置一种特殊介质层，一方面该层介质的波阻抗与相邻介质波阻抗完全匹配，使THz波将无反射的穿过分界面而进入PML层；另一方面层该层介质的折射率与相邻介质波折射率存在一定的梯度差，使进入PML层的透射波将迅速衰减，达到有限厚度的PML层对于入射波有很好的吸收效果。HC-PPCF是THz波与气体相互作用的区域，四周是PML有损介质层，计算区域中的激励源穿过吸收区和PML介质层的分界面，在PML层中被吸收。

数值解的时间稳定性取决于时间步长Δt与空间步长Δx、Δy和Δz间的关系。运用Taflove等人在1975年对Yee氏差分形式对时间步长的限制条件，表示为：

$\mathrm{\Δt}\≤\frac{1}{v_{\max }\sqrt{\mathrm{\Δ}{x}^{-2}+\mathrm{\Δ}{y}^{-2}+\mathrm{\Δ}{z}^{-2}}}---\left(5\right)$

其中v_max为计算空间中电磁波的最大速度。由于本发明中的HC-PPCF用来做气体探测用，所以把THz波最可几速度(定义为：最适宜气体分子与光波充分相互作用的THz波传输速度)作为时间步长限制条件中提到的最大速度。为了减少THz波在Yee氏网格空间传播的过程中发生塌缩，空间步长的选取以脉冲的主要频谱分量远离截止频率为原则，一般选取网格空间小于在HC-PPCF中传输的最短THz波的波长的1/10。

在运用OptiFDTD方法进行HC-PPCF结构的计算时，激励源的设置至关重要，即选择合适的入射波形式以及用适当的方法将入射波加入到FDTD运算中。为了研究THz波频带特性，对入射波的要求是频谱宽、截止特性好。通过Fourier变换，由散射体对脉冲的时域响应获得频带特性。在设置激励源以后，把网格空间当成初值问题来求解，便可得到电磁波的传播过程，有效得出电磁波色散与损耗情况。将色散与损耗的阈值设为1％，调用数值计算软件优化模块便可得出符合阈值范围的光纤参数。

三：信号处理单元

信号处理单元主要负责检测通过光纤后的光波强度，并采用Beer-Lambert定律和气体光谱吸收理论计算待测气体中特定气体的浓度，最后将气体浓度数据上传到上层服务器。

根据每种气体都有自己特定的吸收光谱原理，通过调制光源并采用分光技术，使得只有被检测气体产生较大吸收的光通过，气体吸收的光能量与气体在该波长处的吸收系数以及光强度和气体浓度有关。采用Beer-Lambert定律和气体光谱吸收理论建立气体光纤传感的基本理论。将待测气体通过THz波塑料空心光子晶体光纤吸收池以后，出射的光强I(λ)应满足Beer-Lambert定律

$I\left(\mathrm{\λ}\right)=I_0\left(\mathrm{\λ}\right)e^{[-\mathrm{\γ}{\mathrm{\α}}_m\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{LC}]}$

其中，I₀(λ)为射入待测气体之前的光强，I(λ)为通过待测气体之后的光强，γ为相对灵敏度，α_m(λ)为待测气体的吸收系数，L为穿过气体的长度，在这里指光子晶体光纤传感器件的长度吸收样品池的长度，C为气体的浓度。因此，气体的浓度可以表示为：

$C=\frac{1}{\mathrm{\γ}{\mathrm{\α}}_m\left(\mathrm{\λ}\right)L}\ln (I_0/I)---\left(7\right)$

定义相对灵敏度γ为：

$\mathrm{\γ}=\left(\frac{n_r}{n_{\mathrm{eff}}}\right)f---\left(8\right)$

其中，f为气孔中的光功率与总功率的比值，即光功率分布分数，n_r为待测气体的折射率，可近似认为n_r＝1，n_eff则为模场的有效折射率，K表示吸收信号。吸收信号K为：

$K=\ln \left(\frac{I_0}{I}\right)---\left(9\right)$

吸收信号K还可表示为：

K＝γα_m(λ)LC                           (10)

因为待测气体的吸收系数α_m(λ)只和待测气体的波长有关，也就是只与待测气体本身有关，所以，只要待测气体明确了，则相应的吸收系数也就确定了，为一个定值。因此，入射光强会随着穿过气体的长度L、气体的浓度C和相对灵敏度γ的乘积呈指数衰减变化。

为了更有效地控制光的行为，提高其体探测灵敏度，降低模式损耗，降低噪声。那么，我们可以充分利用HC-PPCF的特征，因为在HC-PPCF对应的带隙范围内的模场主要分布在纤芯中，其基模的有效折射率，且接近于1，所以，模场的有效折射率n_eff可以近似认为1。又因为待测气体的折射率也可近似认为n_r＝1，则由式(9)可知，灵敏度近似等于气孔中的光功率与总功率的比值f。此时光场的光功率主要集中在HC-PPCF纤芯中心，很少一部分光被损耗掉，因此，可以将HC-PPCF包层的空气孔中的光场与待测气体之间的相互作用忽略不计，而只考虑HC-PPCF中心纤芯孔中的光场与待测气体之间的相互作用。经过待测气体后的光的强度要比经过待测气体之前的光的强度减弱，通过分析待测气体对光的波长和强度的影响，就可以确定气体的成分和浓度。光的能量可以通过电磁场坡印亭矢量来计算，当一束光强为I₀、波长λ的光射入时，光纤中心纤芯中的气孔中的光功率与总功率的比值f：

$f=\frac{\underset{\mathrm{centerhole}}{\text{\∫}}(E_x{H}_y-H_x{E}_y)\mathrm{dxdy}}{\underset{\mathrm{total}}{\∫}(E_x{H}_y-H_x{E}_y)\mathrm{dxdy}}---\left(11\right)$

其中，Ex、Ey和Hx、Hy，分别表示在横截面上模场的电场和磁场的分量。其中，E_xH_y-H_xE_y＝S_z，即为电磁场的电磁场坡印亭矢量的分量。带隙型光子晶体光纤的光功率与总功率的比值f越大，则说明光场与待测气体之间的相互作用就越强烈，则经过待测气体后的光强的变化也就越明显，传感器的灵敏度也就越高。

由THz波光子晶体折射率分布形式，根据有效折射率法，确定n_eff值、气孔中的光功率与总功率的比值ｆ，这样可比较精确确定带隙型光子晶体光纤中的气体浓度了。

有益效果：本发明采用了光子晶体光纤光栅和空心光子晶体光纤两项核心技术，有效降低DGA检测设备的复杂度，降低了设备成本，而且设备精度高、全自动化，操作人员仅需要短时间培训即可操作，无需专业知识。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的整体结构图。

图2是光子晶体光纤光栅分光过程。

图3是光子晶体光纤截面示意图。

图4OptiFDTD仿真模型。

图5光子晶体光纤传输特性。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施过程对本发明做进一步详细说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明所提供的基于太赫兹波光子晶体光纤的变压器油溶解气体监测方法整体结构图如图1所示，包括以下部分：

1、油气分离与控制单元

2、光学单元

3、信号处理单元

第一部分主要用于提取由于电和热的故障、绝缘纸的分解、分接开关油室向主油箱渗漏、设备油箱带油补焊和潜油泵出故障、变压器油中含水和本体受潮等原因而在油浸电力变压器的油中出现的H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄和C₂H₆等各种气体，油气分离主要将油浸电力变压器中的油和气体分离，并将气体送人光学单元。具体过程如下：

(1)用油泵将油浸电力变压器中的油，通过油过滤器过滤油中微小物质后，流入到油气分离器，分离后将剩余油通过油缓冲器减速后送回到油浸电力变压器，将气体送入气体进样器。

(2)通过油气分离器的气体存储在气体进样器中，由数据采集和控制模块控制气体均匀地离开气体进样器进入光学单元。保证气体的均匀是气体浓度监测准确性因素之一。

第二部分光学单元是发明的核心部分，主要依据气体光谱吸收理论和光子晶体理论。由光源、光子晶体光纤光栅和THz波光子晶体光纤气体吸收样品池组成：

(1)本发明光源采用一台可调谐激光器作为光源，光波波长涵盖所需检测气体的特征峰。

(2)激光器所发出的光将经过光子晶体光纤光栅分光，将特定频率的单色光入射到对应的子晶体光纤，如图2所示。光子晶体光纤光栅分光器是光学单元的重要组成部分之一，经过分光后，只留下特定频率的单色光，使检测速度大为增加。

由于一次检测多种气体，需要设计多个光子晶体光纤光栅和环形波导来产生一系列共振波长的输出光，且每个波导的共振光谱段与待检测的一种气体吸收谱段相对应。因此，在设计中，我们对光栅参数如空气层数、孔径、折射率、光栅周期等进行选择与优化，使每个波导的某个光谱输出只与一种待检测气体吸收谱相对应。其次，耦合波导之间存在的阴影效应。在制作光栅时，需要选取或调配合适的材料系统，准确控制制作工艺参数，使分光器材料系统的折射率参数与理论设计值相匹配，并使制造的耦合波导的尺寸、环形器与耦合波导之间的耦合距离等符合设计要求。所设计的分光器，要能根据气体吸收特征不同，实现精确分光。

我们选择了光敏性聚合物材料制作光子晶体光纤，通过横向射入两束紫外光在纤芯中形成布喇格反射光栅，光的入射角为θ_i，光的衍射角为θ_d，Λ为光栅周期，这里为光子晶体光纤空气孔之间的间距，当θ_d射的射线满足下列光栅方程

Λ(sinθ_i-sinθ_d)＝mλ                       (1)

上式中m是光栅的阶数。对于不同的波长，可以在成像平面内的不同点满足光栅方程，所以这种光栅可以精确分离单独波长。当多波长信号写入光栅时，与布喇格反射条件相位匹配的波长是不能传输的。纤芯折射率在光的照射下沿着其轴向受到均匀正弦调制，即：

$n\left(z\right)=n_{\mathrm{core}}+{\mathrm{\δ}}_n[1+\cos \left(\frac{2\mathrm{\πz}}{\mathrm{\Λ}}\right)]---\left(2\right)$

n_core是没有被照射的纤芯折射率，δn则是折射率的光之变化。光栅的最大反射率当满足布喇格条件时，在光栅中出现最大反射率，反射波长λ_Bragg为：

λ_Bragg＝2Λn_eff                             (3)

n_eff是纤芯的模式有效折射率。在该波长处，长为L、耦合系数为κ的光栅最大反射率可以保持的半高全宽Δλ为

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{bragg}}^2}{\mathrm{\π}{n}_{\mathrm{eff}}L}{[{\left(\mathrm{\κL}\right)}^2+{\mathrm{\π}}^2]}^{\frac{1}{2}}---\left(4\right)$

为了分离待测波长，通过一个三端口的环形器连接光栅，一个端口的输出信号作为下一端口输入。被分离的光将进入光子晶体光纤，剩余的光继续入射到下一个光栅。

(3)被分离的光入射到光子晶体光纤，在通过光纤时将被待测气体吸收，所以必须控制好光在光纤中传播的色散、损耗等问题，降低对检测的干扰，提高系统的分辨率和准确度。

我们采用六边形的空芯光子晶体光纤(HC-PPCF)作为THz波传感元件(如图3所示)。HC-PPCF的材料的选取和结构参数首先通过材料带隙、色散、损耗、模场能量分布值等因素来确定。

设计光子晶体光纤参数可采用OptiFDTD进行计算，假设光纤的边界条件为完全匹配层(PML)吸收边界，PML是在计算区域边界处设置一种特殊介质层，一方面该层介质的波阻抗与相邻介质波阻抗完全匹配，使THz波将无反射的穿过分界面而进入PML层；另一方面层该层介质的折射率与相邻介质波折射率存在一定的梯度差，使进入PML层的透射波将迅速衰减，达到有限厚度的PML层对于入射波有很好的吸收效果。HC-PPCF是THz波与气体相互作用的区域，四周是PML有损介质层，计算区域中的激励源穿过吸收区和PML介质层的分界面，在PML层中被吸收。

数值解的时间稳定性取决于时间步长Δt与空间步长Δx、Δy和Δz间的关系。运用Taflove等人在1975年对Yee氏差分形式对时间步长的限制条件，表示为：

$\mathrm{\Δt}\≤\frac{1}{v_{\max }\sqrt{\mathrm{\Δ}{x}^{-2}+\mathrm{\Δ}{y}^{-2}+\mathrm{\Δ}{z}^{-2}}}---\left(5\right)$

其中v_max为计算空间中电磁波的最大速度。由于本发明中的HC-PPCF用来做气体探测用，所以把THz波最可几速度(定义为：最适宜气体分子与光波充分相互作用的THz波传输速度)作为时间步长限制条件中提到的最大速度。为了减少THz波在Yee氏网格空间传播的过程中发生塌缩，空间步长的选取以脉冲的主要频谱分量远离截止频率为原则，一般选取网格空间小于在HC-PPCF中传输的最短THz波的波长的1/10。

在运用OptiFDTD方法进行HC-PPCF结构的计算时，激励源的设置至关重要，即选择合适的入射波形式以及用适当的方法将入射波加入到FDTD运算中，仿真模型如图4所示。为了研究THz波频带特性，对入射波的要求是频谱宽、截止特性好。通过Fourier变换，由散射体对脉冲的时域响应获得频带特性。设置在激励源以后，把网格空间当成初值问题来求解，便可得到电磁波的传播过程，有效得出电磁波色散与损耗情况。将色散与损耗的阈值设为1％，调用数值计算软件优化模块便可得出符合阈值范围的光纤参数，仿真结果如图5所示。从图中可以看出，光子晶体光纤可以有效控制光的传播，使气体充分吸收光。

每个光学模块对应一种气体的检测，当需要同时检测多种气体时，可以安装多个光学模块，共用一个样品池。

第三个模块负责将光信号转化为数据，采用Beer-Lambert定律和气体光谱吸收理论计算待测气体中特定气体的浓度。

根据每种气体都有自己特定的吸收光谱原理，通过调制光源并采用分光技术，使得只有被检测气体产生较大吸收的光通过，气体吸收的光能量与气体在该波长处的吸收系数以及光强度和气体浓度有关。采用Beer-Lambert定律和气体光谱吸收理论建立气体光纤传感的基本理论。将待测气体通过THz波塑料空心光子晶体光纤吸收池以后，出射的光强I(λ)应满足Beer-Lambert定律

$I\left(\mathrm{\λ}\right)=I_0\left(\mathrm{\λ}\right)e^{[-\mathrm{\γ}{\mathrm{\α}}_m\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{LC}]}---\left(6\right)$

其中，I₀(λ)为射入待测气体之前的光强，I(λ)为通过待测气体之后的光强，γ为相对灵敏度，α_m(λ)为待测气体的吸收系数，L为穿过气体的长度，在这里指光子晶体光纤传感器件的长度吸收样品池的长度，C为气体的浓度。因此，气体的浓度可以表示为：

$C=\frac{1}{\mathrm{\γ}{\mathrm{\α}}_m\left(\mathrm{\λ}\right)L}\ln (I_0/I)---\left(7\right)$

定义相对灵敏度γ为：

$\mathrm{\γ}=\left(\frac{n_r}{n_{\mathrm{eff}}}\right)f---\left(8\right)$

其中，f为气孔中的光功率与总功率的比值，即光功率分布分数，n_r为待测气体的折射率，可近似认为n_r＝1，n_eff则为模场的有效折射率，K表示吸收信号。吸收信号K为：

$K=\ln \left(\frac{I_0}{I}\right)---\left(9\right)$

吸收信号K还可表示为：

K＝γα_m(λ)LC                              (10)

因为待测气体的吸收系数αm(λ)只和待测气体的波长有关，也就是只与待测气体本身有关，所以，只要待测气体明确了，则相应的吸收系数也就确定了，为一个定值。因此，入射光强会随着穿过气体的长度L、气体的浓度C和相对灵敏度γ的乘积呈指数衰减变化。

为了更有效地控制光的行为，提高其体探测灵敏度，降低模式损耗，降低噪声。那么，我们可以充分利用HC-PPCF的特征，因为在HC-PPCF对应的带隙范围内的模场主要分布在纤芯中，其基模的有效折射率，且接近于1，所以，模场的有效折射率n_eff可以近似认为1。又因为待测气体的折射率也可近似认为n_r＝1，则由式(9)可知，灵敏度近似等于气孔中的光功率与总功率的比值f。此时光场的光功率主要集中在HC-PPCF纤芯中心，很少一部分光被损耗掉，因此，可以将HC-PPCF包层的空气孔中的光场与待测气体之间的相互作用忽略不计，而只考虑HC-PPCF中心纤芯孔中的光场与待测气体之间的相互作用。经过待测气体后的光的强度要比经过待测气体之前的光的强度减弱，通过分析待测气体对光的波长和强度的影响，就可以确定气体的成分和浓度。光的能量可以通过电磁场坡印亭矢量来计算，当一束光强为I₀、波长λ的光射入时，光纤中心纤芯中的气孔中的光功率与总功率的比值f：

$f=\frac{\underset{\mathrm{centerhole}}{\text{\∫}}(E_x{H}_y-H_x{E}_y)\mathrm{dxdy}}{\underset{\mathrm{total}}{\∫}(E_x{H}_y-H_x{E}_y)\mathrm{dxdy}}---\left(11\right)$

其中，Ex、Ey和Hx、Hy，分别表示在横截面上模场的电场和磁场的分量。其中，E_xH_y-H_xE_y＝S_z，即为电磁场的电磁场坡印亭矢量的分量。带隙型光子晶体光纤的光功率与总功率的比值f越大，则说明光场与待测气体之间的相互作用就越强烈，则经过待测气体后的光强的变化也就越明显，传感器的灵敏度也就越高。

由THz波光子晶体折射率分布形式，根据有效折射率法，确定n_eff值、气孔中的光功率与总功率的比值f，这样可精确确定带隙型光子晶体光纤中的气体浓度了。

Claims (9)

1.一种基于太赫兹波光子晶体光纤的变压器油溶解气体监测方法，其特征在于包括以下组成部分：

第一部分：油气分离与控制单元

第二部分：光学单元

第三部分：信号处理单元

2.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹波光子晶体光纤的变压器油溶解气体监测方法，其特征在于将气体传感模块改为光学模块。

3.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹波光子晶体光纤的变压器油溶解气体监测方法，其特征在于光学部分采用了可调谐激光器作为光源。

4.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹波光子晶体光纤的变压器油溶解气体监测方法，其特征在于激光器所发出的光将经过光子晶体光纤光栅分光，选取出检测气体所需的单色光。

5.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹波光子晶体光纤的变压器油溶解气体监测方法，其特征在于光敏性聚合物材料制作光子晶体光纤。

6.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹波光子晶体光纤的变压器油溶解气体监测方法，其特征在于光波通过横向射入两束紫外光在纤芯中形成布喇格反射光栅，光的入射角为θ_i，光的衍射角为θ_d，Λ为光栅周期，这里为光子晶体光纤空气孔之间的间距，当θ_d射的射线满足下列光栅方程

Λ(sinθ_i-sinθ_d)＝mλ                         (1)

上式中m是光栅的阶数。对于不同的波长，可以在成像平面内的不同点满足光栅方程，所以这种光栅可以精确分离单独波长。当多波长信号写入光栅时，与布喇格反射条件相位匹配的波长是不能传输的。纤芯折射率在光的照射下沿着其轴向受到均匀正弦调制，即：

$n\left(z\right)=n_{\mathrm{core}}+{\mathrm{\δ}}_n[1+\cos \left(\frac{2\mathrm{\πz}}{\mathrm{\Λ}}\right)]---\left(2\right)$

n_core是没有被照射的纤芯折射率，δn则是折射率的光之变化。光栅的最大反射率当满足布喇格条件时，在光栅中出现最大反射率，反射波长λ_Bragg为：

λ_Bragg＝2Λn_eff                               (3)

n_eff是纤芯的模式有效折射率。在该波长处，长为L、耦合系数为κ的光栅最大反射率可以保持的半高全宽Δλ为

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{bragg}}^2}{\mathrm{\π}{n}_{\mathrm{eff}}L}{[{\left(\mathrm{\κL}\right)}^2+{\mathrm{\π}}^2]}^{\frac{1}{2}}---\left(4\right)$

7.根据权利要求6所述的一种基于太赫兹波光子晶体光纤光栅，其特征在于通过一个三端口的环形器连接光栅，一个端口的输出信号作为下一端口输入。被分离的光将进入光子晶体光纤，剩余的光继续入射到下一个光栅，继续分光。

8.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹波光子晶体光纤的变压器油溶解气体监测方法，其特征在于采用三角形的带隙型空芯聚合物光子晶体光纤(HC-PPCF)作为THz波传感元件。HC-PPCF的材料的选取和结构参数首先通过材料带隙、色散、损耗、模场能量分布值等因素来确定。

9.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹波光子晶体光纤的变压器油溶解气体监测方法，其特征在于光子晶体光纤参数的设计和计算，假设光纤的边界条件为完全匹配层(PML)吸收边界，PML是在计算区域边界处设置一种特殊介质层，一方面该层介质的波阻抗与相邻介质波阻抗完全匹配，使THz波将无反射的穿过分界面而进入PML层；另一方面层该层介质的折射率与相邻介质波折射率存在一定的梯度差，使进入PML层的透射波将迅速衰减，达到有限厚度的PML层对于入射波有很好的吸收效果。HC-PPCF是THz波与气体相互作用的区域，四周是PML有损介质层，计算区域中的激励源穿过吸收区和PML介质层的分界面，在PML层中被吸收。

数值解的时间稳定性取决于时间步长Δt与空间步长Δx、Δy和Δz间的关系。运用Taflove等人在1975年对Yee氏差分形式对时间步长的限制条件，表示为：

$\mathrm{\Δt}\≤\frac{1}{v_{\max }\sqrt{\mathrm{\Δ}{x}^{-2}+\mathrm{\Δ}{y}^{-2}+\mathrm{\Δ}{z}^{-2}}}---\left(5\right)$

其中v_max为计算空间中电磁波的最大速度。由于本发明中的HC-PPCF用来做气体探测用，所以把THz波最可几速度作为时间步长限制条件中提到的最大速度。为了减少THz波在Yee氏网格空间传播的过程中发生塌缩，空间步长的选取以脉冲的主要频谱分量远离截止频率为原则，我们采用网格空间小于在HC-PPCF中传输的最短THz波的波长的1/10。

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