CN109387759A - 光纤法珀式局部放电传感装置、制备方法及传感方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光纤法珀式局部放电传感装置、制备方法及传感方法，该传感装置包括激光器、法珀干涉腔、激光器控制仪及温度传感器，其中，激光器产生的激光通过光纤导入光纤法珀干涉腔内，激光器控制仪与温度传感器分别与激光器连接；光纤法珀干涉腔包括二氧化硅薄膜、银薄膜、插管与硅凸台，银薄膜位于二氧化硅薄膜的背面；硅凸台设置于二氧化硅薄膜的中心位置，且硅凸台远离银薄膜；二氧化硅薄膜与插管的一端连接，光纤通过插管的另一端插入插管内，光纤端面与银薄膜之间存在间隙。本申请提供的局部放电传感装置充分结合了二氧化硅和银膜片各自的优势，提高了膜片的反射率；在装置中集成激光器控制仪调整波长，实现了局部放电检测性能的提升。

Description

光纤法珀式局部放电传感装置、制备方法及传感方法

技术领域

本申请涉及电气设备在线监测技术领域，尤其涉及一种光纤法珀式局部放电传感装置、制备方法及传感方法。

背景技术

局部放电是绝缘介质中局部区域击穿导致的放电现象，局部放电检测是一种有效的电气设备绝缘状态评估方法。通过检测局部放电产生的超声波信号，可以确定局部放电的存在并定位放电点。与传统的压电式传感器相比，基于法珀干涉的光纤传感器具有响应频带宽、体积小、抗电磁干扰等优点。

光纤珐珀式传感器可分为本征型与非本征型，用于局部放电超声波检测的主要为非本征型，由膜片、插管、光纤组成，基于多光束干涉原理，检测超声波信号作用在膜片上引起的干涉腔长度变化。目前光纤珐珀式局部放电传感器广泛使用硅或石英膜片，具有绝缘和长期可靠性高的优点。

但是，硅和石英膜片的反射率较低，导致反射光光强较弱，制约了传感器的灵敏度；银等金属膜片具有较高的反射率，但作为导体，不宜直接内置于电气设备中，且金属膜片易受变压器油温的影响而老化，在表面出现褶皱，影响其振动特性。

发明内容

本申请提供了一种光纤法珀式局部放电传感装置、制备方法及传感方法，以解决目前光纤法珀式局部放电传感器灵敏度低、局部放电检测性能较低的问题。

为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：

本申请实施例公开了一种光纤法珀式局部放电传感装置，包括激光器、法珀干涉腔、激光器控制仪及温度传感器，其中，

所述激光器产生的激光通过光纤导入所述光纤法珀干涉腔内，所述温度传感器、所述激光器控制仪与所述激光器依次连接；

所述光纤法珀干涉腔包括二氧化硅薄膜、银薄膜、插管与硅凸台，所述银薄膜位于所述二氧化硅薄膜的背面；所述硅凸台设置于所述二氧化硅薄膜的中心位置，且所述硅凸台远离所述银薄膜；所述二氧化硅薄膜与所述插管的一端连接，所述光纤通过所述插管的另一端插入所述插管内，所述光纤端面与所述银薄膜之间存在间隙。

可选的，所述二氧化硅薄膜为波纹膜片，纹膜间的间隔为20μm，所述波纹膜片的最小圆环的内径为1mm。

可选的，所述二氧化硅薄膜的厚度为3μm，所述波纹膜片的最大圆环的直径为1.6mm。

可选的，所述银薄膜的厚度为0.5±0.1μm。

可选的，所述硅凸台的直径为20μm，所述硅凸台的厚度为0.5±0.1μm。

可选的，所述激光器控制仪包括激光器电流控制仪与激光器温度控制仪。

第二方面，本申请实施例还公开了一种光纤法珀式局部放电传感装置的制备方法，所述方法包括：

制备二氧化硅-银薄膜；

在所述二氧化硅-银薄膜的中心位置处设置硅凸台；

将设有硅凸台的二氧化硅-银薄膜组装为法珀干涉腔；

将所述法珀干涉腔组装生成光纤法珀式局部放电传感装置，其中，所述光纤法珀式局部放电传感装置为第一方面所述的装置。

可选的，制备二氧化硅-银薄膜，包括：

制备硅片；

在所述硅片上生成二氧化硅纹膜；

释放二氧化硅纹膜；

在所述二氧化硅纹膜的背面镀覆银膜，生成二氧化硅-银薄膜。

可选的，将设有硅凸台的二氧化硅-银薄膜组装为法珀干涉腔，包括：

将设有硅凸台的二氧化硅-银薄膜固定于插管的一端；

将光纤从所述插管的另一端插入所述插管内，所述光纤端面与所述二氧化硅-银薄膜存在间隙。

第三方面，本申请实施例还公开了一种光纤法珀式局部放电传感方法，所述方法包括：

将光纤法珀式局部放电传感装置内置在电气设备内，其中，所述光纤法珀式局部放电传感装置为第一方面所述的装置；

通过温度传感器采集环境温度；

计算出在所述环境温度下的最佳激光波长；

通过激光器控制仪调整激光波长至所述最佳激光波长；

所述最佳激光波长在法珀干涉腔内产生反射光；

通过解调所述反射光信号检测所述电气设备局部放电产生的超声波。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请提供的光纤法珀式局部放电传感装置包括激光器、法珀干涉腔、激光器控制仪及温度传感器，其中，激光器产生的激光通过光纤导入光纤法珀干涉腔内，激光器控制仪与温度传感器分别与激光器连接；光纤法珀干涉腔包括二氧化硅薄膜、银薄膜、插管与硅凸台，银薄膜位于二氧化硅薄膜的背面；硅凸台设置与二氧化硅薄膜的中心位置，且硅凸台远离银薄膜；二氧化硅薄膜与插管的一端连接，光纤通过插管的另一端插入插管内，光纤端面与银薄膜之间存在间隙。本申请提供的光纤法珀式局部放电传感装置中的光纤法珀干涉腔基于SiO₂-银薄膜，充分结合SiO₂和银膜片各自的优势，利用硅及SiO₂材料加工硅凸台，释放薄膜内应力；基于磁控溅射法，在二氧化硅薄膜背面镀覆银膜，能够提高膜片的反射率；在装置中集成激光器控制仪，能够调整激光器波长，稳定工作点，实现传感器局部放电检测性能的提升。

本申请实施例提供的一种应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种光纤法珀式局部放电传感装置的拓扑结构示意图；

图2为本申请实施例提供的光纤法珀式局部放电传感装置中光纤法珀干涉腔的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的光纤法珀式局部放电传感装置中光纤法珀干涉腔的侧视图；

图4为本申请实施例提供的一种光纤法珀式局部放电传感装置的制备方法的流程图；

图5为本申请实施例提供的光纤法珀式局部放电传感装置的制备方法中S101的详细流程图；

图6为本申请实施例提供的一种光纤法珀式局部放电传感方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

参见图1、图2，图1为本申请实施例提供的一种光纤法珀式局部放电传感装置的结构示意图；图2为本申请实施例提供的光纤法珀式局部放电传感装置中法珀干涉腔的结构示意图。

如图1所示，本申请实施例提供的光纤法珀式局部放电传感装置包括法珀干涉腔1、激光器2、激光器控制仪3及温度传感器4，其中，

激光器2用于产生激光，且产生的激光通过光纤导入光纤法珀干涉腔1内，激光在光纤法珀干涉腔内产生干涉。可选的，激光器2为DFB(Distributed Feedback Laser，分布式反馈)激光器，DFB激光器是在FP激光器的基础上采用光栅虑光器件使器件只有一个纵膜输出，DFB使用1310nm、1550nm两种波长，主要用于高速中长距离传输，传输距离一般在40公里以上。

如图2所示，光纤法珀干涉腔1包括二氧化硅薄膜11、银薄膜12、插管13与硅凸台15，银薄膜12位于二氧化硅薄膜11的背面。具体地，基于磁控溅射法(磁控溅射法是在高真空充入适量的氩气，在阴极(柱状靶或平面靶)和阳极(镀膜室壁)之间施加几百K直流电压，在镀膜室内产生磁控型异常辉光放电，使氩气发生电离，氩离子被阴极加速并轰击阴极靶表面，将靶材表面原子溅射出来沉积在基底表面上形成薄膜。磁控溅射法具有镀膜层与基材的结合力强、镀膜层致密、均匀等优点)，在二氧化硅薄膜11的背面镀覆银薄膜12，银薄膜12的厚度约为0.5±0.1μm。

具体地，如图3所示，二氧化硅薄膜11为波纹膜片，利用硅及SiO₂材料加工基于纹膜结构的膜片，改善了膜片中心点的形变，释放了膜片内应力，提高了传感装置的灵敏度。可选的，二氧化硅薄膜11的厚度约为3μm，直径约为1.6mm，波纹膜片的纹膜之间的间隔为20μm，最小圆环的内径为1mm。

硅凸台15设置于二氧化硅薄膜11的中心位置，且硅凸台15远离银薄膜12，即硅凸台15与银薄膜12分别位于二氧化硅薄膜11的两侧。由于二氧化硅薄膜11为波纹膜片，在二氧化硅薄膜11中心加工基于硅材料的凸台，使膜片的中心基本保持为平面。可选的，硅凸台15的直径为20μm，厚度约为0.5±0.1μm。

二氧化硅薄膜11与插管13的一端连接，光纤14通过插管13的另一端插入插管13内，光纤14的端面与银薄膜12之间存在间隙。激光器2发射的激光通过光纤14进入光纤法珀干涉腔，激光在光纤端面与银薄膜12之间产生多次反射，形成干涉。

温度传感器4、激光器控制仪3与激光器2依次串联连接，激光器控制仪3包括激光器电流控制仪与激光器温度控制仪，温度传感器4用于采集环境温度，并将采集到的环境温度反馈至激光器控制仪3，激光器温度控制仪与激光器电流控制仪分别控制激光器2的温度和电流，以调整激光器2发射激光的波长，从而实现工作点的稳定。

本申请实施例提供的传感装置还包括数据采集卡5、光纤耦合器7与光电转换器6，数据采集卡5的两端分别与温度传感器4、激光器控制仪3连接，用于实时采集温度传感器4的温度，并将采集的温度传输至激光器控制仪3，激光器控制仪3对温度数据进行处理。

光纤耦合器7的两端分别与法珀干涉腔1、激光器2连接，光纤耦合器是光纤与光纤之间进行可拆卸(活动)连接的器件，它是把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，即通过光纤耦合器7将激光器2发射的激光顺利导入法珀干涉腔1内。

光电转换器6与法珀干涉腔1的输出端连接，用于接收法珀干涉腔1反射的激光，并对反射的光进行检测处理，以实现局部放电的监测。

该传感装置的工作原理如下：由DFB激光器产生波长为1550nm左右的激光，经单模光纤导入光纤法珀干涉腔，在光纤端面和膜片之间产生多次反射，形成干涉。

局部放电的发生会激发超声波信号，超声波信号传递到传感装置表面后，引起膜片的振动，改变了法珀干涉腔中原有的干涉条件，使得反射光的光强出现变化，经光电转换器转换为电信号后，实现局部放电的检测和传感。其中反射光的强度可按下式计算：

式中R为端面反射率(此处简化为两端面反射率相同)，δ为相位差，由法珀干涉腔腔长决定，可见在反射率一定的情况下，入射光强度和法珀腔长是决定反射光强度的主要因素。

为了使法珀传感器发挥其最佳的工作性能存在最佳工作点，由激光波长和干涉腔腔长共同决定。然而在法珀干涉腔工作过程中，受到温度的变化，会导致干涉腔长度的变化，使得传感器偏离最佳工作点。为了稳定工作点，本装置设计了工作点稳定系统，集成温度控制器与激光器控制仪，根据实际情况调整激光波长，稳定工作点，实现了局部放电检测性能的提升。

本申请实施例光纤法珀式局部放电传感装置充分结合了SiO₂和银膜片各自的优势，利用硅及SiO₂材料加工纹膜结构的膜片，改善了膜片中心点的形变，释放了膜片内应力；在二氧化硅膜片的背面设置银薄膜，提高了膜片的反射率；在装置中集成温度控制器与激光器控制仪，根据实际情况调整激光波长，稳定工作点，实现了局部放电检测性能的提升。

本申请实施例还提供了一种光纤法珀式局部放电传感装置的制备方法，采用该制备方法制作光纤法珀干涉腔，具体实施方法如图4所示。

S101：制备二氧化硅-银薄膜。

光纤法珀干涉腔是由二氧化硅-银薄膜、插管、光纤等组成的，要制备光纤法珀干涉腔，首先要制备二氧化硅-银薄膜，其具体制备方法如图5所示。

S1011：制备硅片。

制备硅片的方法为：①制作光刻掩板；②对硅片进行清洗和预热处理；③涂覆光刻胶；④曝光显影并清洗硅片；⑤烘干。

S1012：在硅片上生成二氧化硅纹膜。

制好硅片后，基于磁控溅射法，在制成的硅片上生成二氧化硅纹膜。

S1013：释放二氧化硅纹膜。

生成二氧化硅纹膜后，制备铝掩蔽层，基于深硅通孔刻蚀，将二氧化硅纹膜从硅片表面释放出来。

S1014：在二氧化硅纹膜的背面镀覆银膜，生成二氧化硅-银薄膜。

生成二氧化硅纹膜后，基于磁控溅射法，在纹膜表面镀覆银膜，以提高膜片的反射率。

S102：在二氧化硅-银薄膜的中心位置处设置硅凸台。

生成二氧化硅-银薄膜后，在纹膜中心加工基于硅材料的凸台，使膜片的中心基本保持为平面。如此，二氧化硅-银薄膜结合了SiO₂和银膜片各自的优势，利用硅及SiO₂材料加工基于纹膜结构的膜片，改善了膜片中心点的形变，释放看膜片内应力，提高了传感装置的灵敏度。

S103：将设有硅凸台的二氧化硅-银薄膜组装为法珀干涉腔。

制成设有硅凸台的二氧化硅-银薄膜后，将制备好的薄膜转移到插管的一端，将光纤从插管的另一端插入插管内，结合光谱仪和精密螺旋推进器调整光纤插入的深度，在达到传感装置最佳工作点附近时，利用紫外胶固定光纤，但要保证光纤的端面与薄膜存在一定间隙。

S104:将法珀干涉腔组装生成的光纤法珀式局部放电传感装置。

组装好法珀干涉腔后，将激光器、激光器控制仪(激光器电流控制仪与激光器温度控制仪)、光纤耦合器、光电转换器、数据采集卡及温度传感器等与法珀干涉腔组装在一起，形成光纤法珀式局部放电传感装置。

本申请实施例还公开了一种光纤法珀式局部放电传感方法，采用上述实施例所述的制备方法制成光纤法珀式局部放电传感装置后，通过该传感装置对电气设备的局部放电情况进行检测。

如图6所示，本申请实施例提供的光纤法珀式局部放电传感方法包括：

S201：将光纤法珀式局部放电传感装置内置在电气设备内。

制成光纤法珀式局部放电传感装置后，将其布置在电气设备(变压器、GIS等)内部，用于监测电气设备的局部放电情况。

S202：通过温度传感器采集环境温度。

由于法珀干涉腔工作过程中，收到温度的变化，会导致干涉腔长度的变化，使得传感装置偏离最佳工作点。因此，该传感装置为了稳定工作点，需要通过温度传感器实时采集外界环境温度。

S203：计算出在环境温度下的最佳激光波长。

采集到环境温度后，通过数据采集卡获取温度数据，并将温度数据传送至激光器控制仪中，激光器控制仪计算出在该温度数据下的最佳激光波长。

S204：通过激光器控制仪调整激光波长至最佳激光波长。

为了稳定工作点，激光器发射激光的波长应该为最佳激光波长，因此，通过激光控制仪控制激光器的电流与温度，从而调整激光器发射激光的波长，使其达到最佳激光波长。

S205：最佳激光波长在法珀干涉腔内产生反射光。

将激光器发射激光的波长调整至最佳激光波长后，将调整后的激光导入法珀干涉腔内，在光纤端面和膜片之间产生多次反射，形成干涉。

S206：通过解调反射光信号检测电气设备局部放电产生的超声波。

电气设备局部放电的发生会激发超声波信号，超声波信号传递到传感装置表面后，会引起膜片的振动，改变了法珀干涉腔中原有的干涉条件，使得反射光的光强出现变化，经光电转换器转换为电信号，通过解调反射光信号检测局部放电产生的超声波，实现局部放电的检测和传感。

本申请实施例提供的光纤法珀式局部放电传感方法将光纤法珀传感装置内置于变压器内部时，由于变压器油温的变化，导致光纤法珀腔的腔体长度出现变化，导致传感装置静态工作点变化，为了匹配最佳工作点，对基于环境温度的变化调整激光器输出波长，极大地提升了传感装置局部放电检测性能。

需要说明的是，在本说明书中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或顺序。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (10)

1.一种光纤法珀式局部放电传感装置，其特征在于，包括激光器、法珀干涉腔、激光器控制仪及温度传感器，其中，

所述激光器产生的激光通过光纤导入所述光纤法珀干涉腔内，所述温度传感器、所述激光器控制仪与所述激光器依次连接；

所述光纤法珀干涉腔包括二氧化硅薄膜、银薄膜、插管与硅凸台，所述银薄膜位于所述二氧化硅薄膜的背面；所述硅凸台设置于所述二氧化硅薄膜的中心位置，且所述硅凸台远离所述银薄膜；所述二氧化硅薄膜与所述插管的一端连接，所述光纤通过所述插管的另一端插入所述插管内，所述光纤端面与所述银薄膜之间存在间隙。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述二氧化硅薄膜为波纹膜片，纹膜间的间隔为20μm，所述波纹膜片的最小圆环的内径为1mm。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述二氧化硅薄膜的厚度为3μm，所述波纹膜片的最大圆环的直径为1.6mm。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述银薄膜的厚度为0.5±0.1μm。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述硅凸台的直径为20μm，所述硅凸台的厚度为0.5±0.1μm。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光器控制仪包括激光器电流控制仪与激光器温度控制仪。

7.一种光纤法珀式局部放电传感装置的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

制备二氧化硅-银薄膜；

在所述二氧化硅-银薄膜的中心位置处设置硅凸台；

将设有硅凸台的二氧化硅-银薄膜组装为法珀干涉腔；

将所述法珀干涉腔组装生成光纤法珀式局部放电传感装置，其中，所述光纤法珀式局部放电传感装置为权利要求1-6任一项所述的装置。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，制备二氧化硅-银薄膜，包括：

制备硅片；

在所述硅片上生成二氧化硅纹膜；

释放二氧化硅纹膜；

在所述二氧化硅纹膜的背面镀覆银膜，生成二氧化硅-银薄膜。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，将设有硅凸台的二氧化硅-银薄膜组装为法珀干涉腔，包括：

将设有硅凸台的二氧化硅-银薄膜固定于插管的一端；

将光纤从所述插管的另一端插入所述插管内，所述光纤端面与所述二氧化硅-银薄膜存在间隙。

10.一种光纤法珀式局部放电传感方法，其特征在于，所述方法包括：

将光纤法珀式局部放电传感装置内置在电气设备内，其中，所述光纤法珀式局部放电传感装置为权利要求1-6任一项所述的装置；

通过温度传感器采集环境温度；

计算出在所述环境温度下的最佳激光波长；

通过激光器控制仪调整激光波长至所述最佳激光波长；

所述最佳激光波长在法珀干涉腔内产生反射光；

通过解调所述反射光信号检测所述电气设备局部放电产生的超声波。