CN109490731A - 基于mos2膜片的光纤法珀式局部放电检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于MOS₂膜片的光纤法珀式局部放电检测装置及方法，该装置包括第一激光器、第二激光器、第一波分复用器、法珀干涉腔、第二波分复用器及数据采集卡，其中，第一、二激光器分别与第一波分复用器的输入端连接，第一波分复用器的输出端与法珀干涉腔连接；法珀干涉腔包括MOS₂膜片与光纤，第一激光器通过光纤与MOS₂膜片连接；光纤内设有干涉腔，MOS₂膜片与光纤的端面固定连接，MOS₂膜片朝向光纤端面的一侧设有金膜；第二波分复用器的输入端与法珀干涉腔连接，其输出端与数据采集卡连接。本申请提供的检测装置采用超薄的MOS₂膜片，在MOS₂膜片表面上镀覆金膜，提高了膜片的反射率，极大地提高了检测灵敏度。

Description

基于MOS2膜片的光纤法珀式局部放电检测装置及方法

技术领域

本申请涉及电气设备在线监测技术领域，尤其涉及一种基于MOS₂膜片的光纤法珀式局部放电检测装置及方法。

背景技术

局部放电时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。当介质中发生局部放电时，会产生电脉冲、电磁波、超声波、光、局部过热及一些新化学产物。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，基于光纤传感的局部放电传感器具有响应频带宽、体积小、抗电磁干扰等优点。

基于光纤法珀干涉的局部放电传感器是目前最常用且最有效的光纤局部放电传感器，具有结构简单、定位准确等优点。光纤法珀干涉腔由光纤端面、感应膜片、干涉腔壁面构成，超声波通过引起感应膜片的振动，导致干涉相位和干涉强度发生变化，通过检测反射光光强的变化，便可实现局部放电的检测。在超声波检测领域，研究人员将重点投入到超薄感应膜片的研制中，选用的材料有石墨烯和MOS₂，这些材料可以实现纳米级加工，使得超声波检测的灵敏度较传统的硅或石英膜片提升了2-3个数量级。

但是，这些超薄材料普遍存在反射率低的问题，膜片的反射率决定了反射光的强度，是影响检测灵敏度的重要因素，如此导致了传感器灵敏度较低。

发明内容

本申请提供了一种基于MOS₂膜片的光纤法珀式局部放电检测装置及方法，以解决目前光纤法珀式局部放电传感器检测灵敏度较低的问题。

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：

第一方面，本申请实施例公开了一种基于MOS₂膜片的光纤法珀式局部放电检测装置，包括第一激光器、第二激光器、第一波分复用器、法珀干涉腔、第二波分复用器及数据采集卡，其中，

所述第一激光器、所述第二激光器分别与所述第一波分复用器的输入端连接，所述第一波分复用器的输出端与所述法珀干涉腔连接；

所述法珀干涉腔包括MOS₂膜片与光纤，所述第一激光器通过所述光纤与所述MOS₂膜片连接；所述光纤内设有干涉腔，所述MOS₂膜片与所述光纤的端面固定连接，所述MOS₂膜片朝向所述光纤端面的一侧设有金膜；

所述法珀干涉腔与所述第二波分复用器的输入端连接，所述第二波分复用器的输出端与所述数据采集卡连接。

可选的，所述MOS₂膜片的直径为30μm，所述MOS₂膜片的厚度为10nm。

可选的，所述金膜的厚度为5nm。

可选的，所述干涉腔设置在所述光纤的端部，所述干涉腔的直径为25μm，所述干涉腔的长度为40μm。

可选的，所述第一波分复用器与所述法珀干涉腔之间设有光纤耦合器，所述第一波分复用器、所述法珀干涉腔分别与所述光纤耦合器的两端连接；

所述第二波分复用器的输入端与所述光纤耦合器连接。

可选的，所述第二波分复用器与所述数据采集卡之间设有第一光电探测器与第二光电探测器，所述第一光电探测器与所述第二光电探测器的输入端分别与所述第二波分复用器的输出端连接，所述第一光电探测器与所述第二光电探测器的输出端分别与所述数据采集卡连接。

可选的，所述第一光电探测器、所述第二光电探测器与所述数据采集卡之间设有滤波器，所述第一光电探测器与所述第二光电探测器的输出端分别与所述滤波器的输入端连接，所述滤波器的输出端与所述数据采集卡连接。

可选的，所述第一激光器与所述第二激光器均为窄线宽激光器。

第二方面，本申请实施例还公开了一种基于MOS₂膜片的光纤法珀式局部放电检测方法，所述方法包括：

第一激光器与第二激光器分别产生不同波长的激光；

两束不同波长的激光通过同一根光纤进入法珀干涉腔；

所述法珀干涉腔反射所述激光；

将反射后的激光分成两束反射光；

对所述反射光进行滤波处理后，分别对所述反射光进行检测。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请提供的基于MOS₂膜片的光纤法珀式局部放电检测装置包括第一激光器、第二激光器、第一波分复用器、法珀干涉腔、第二波分复用器及数据采集卡，其中，第一激光器、第二激光器分别与第一波分复用器的输入端连接，第一波分复用器的输出端与法珀干涉腔连接；法珀干涉腔包括MOS₂膜片与光纤，第一激光器通过光纤与MOS₂膜片连接；光纤内设有干涉腔，MOS₂膜片与光纤的端面固定连接，MOS₂膜片朝向光纤端面的一侧设有金膜；法珀干涉腔与第二波分复用器的输入端连接，第二波分复用器的输出端与数据采集卡连接。本申请提供的检测装置采用超薄的MOS₂膜片，且在MOS₂膜片表面镀覆金膜，能够提高膜片的反射率，极大的提高局部放电检测的灵敏度；将MOS₂膜片与光纤的干涉腔结合，保障产品的一致性，抑制温度干扰；另外，通过两个激光器产生不同波长的光，采用双正交解调，扩大检测装置的动态范围。

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基于MOS₂膜片的光纤法珀式局部放电检测装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的基于MOS₂膜片的光纤法珀式局部放电检测装置中法珀干涉腔的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种基于MOS₂膜片的光纤法珀式局部放电检测方法的流程图。

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。

基于光纤法珀干涉腔的局部放电传感器是目前最常用且最有效的光纤局部放电传感器，其放电检测灵敏度主要依赖石英或硅膜片改良。膜片厚度降低一半时，其中心位移灵敏度可提高8倍；膜片半径增加一倍时，其中心位移灵敏度可提高16倍。然而石英或硅膜片厚度难以降到80μm以下，进一步提高基于石英/硅膜片的光纤法珀干涉腔局部放电传感器检测灵敏度存在技术瓶颈，由此，在超声波检测领域，研究人员将重点投入到超薄感应膜片的研制中。

但是，超薄感应膜片选用的超薄材料普遍存在反射率低的问题，此外，超薄材料的半径一般不能超过几十个微米级，其套筒的加工工艺复杂，套筒长度随温度的变化对于传感器的检测结果的影响较大。

为了解决上述问题，本申请实施例提供了一种基于MOS₂膜片的光纤法珀式局部放电检测装置。

如图1所示，本申请实施例提供的基于MOS₂膜片的光纤法珀式局部放电检测装置包括第一激光器1、第二激光器2、第一波分复用器3、法珀干涉腔5、第二波分复用器6及数据采集卡10，其中，

第一激光器1、第二激光器2分别与第一波分复用器3的输入端连接，第一波分复用器3的输出端与法珀干涉腔5连接。具体地，第一激光器1与第二激光器2分别产生不同波长的激光，产生的激光进入第一波分复用器3，从而将两束激光经第一波分复用器3后进入同一根光纤，然后通过同一根光纤进入法珀干涉腔5，激光在法珀干涉腔5内发生反射。可选的，第一激光器1与第二激光器2均为窄线宽激光器，分别产生1530nm和1550nm的激光。

如图2所示，法珀干涉腔5包括MOS₂膜片51与光纤53，第一激光器1通过光纤53与MOS₂膜片51连接；光纤53内设有干涉腔54，MOS₂膜片51与光纤53的端面固定连接，MOS₂膜片51朝向光纤53端面的一侧设有金膜52。通过光纤53进入的激光遇到金膜52后，在干涉腔54内发生反射干涉。可选的，MOS₂膜片的直径为30μm，其厚度为10nm。

基于MOS₂膜片的法珀干涉腔的加工步骤如下：

步骤1：加工MOS₂膜片。通过电子束蒸发将纳米级厚度的MO膜(10nmn)沉积在SiO₂/Si衬底(p型)上，随后在大气条件下操作的化学气相沉积(CVD)系统中进行750℃硫化，反应时间为45分钟，制备MOS₂膜。通过改变MO前驱体的沉积时间可以很好地控制MO膜的厚度，从而可以在硫化后获得具有不同厚度的MOS₂膜。通过用氢氟酸蚀刻(与去离子水的比例为1:2)去掉MOS₂薄膜和Si衬底之间的SiO₂层，可以分离出生长的MOS₂薄膜并将其转移到其他衬底上。

步骤2：膜片镀膜。基于磁控溅射法，使用纯度为99.99％Au靶材，通入氩气，在膜片内表面镀覆金膜，金膜厚度约5nm。

步骤3：加工微光纤干涉腔。在光纤端部，剥离包层，露出纤芯，利用飞秒激光器在纤芯内部加工微光纤干涉腔，干涉腔长度约40μm，宽度25μm。

步骤4：转移膜片。将加工好的膜片置于去离子水中，将加工好的光纤端部插入水中，与膜片接触，将光纤去除，晾干约30分钟，膜片基于范德华力和聚合物胶在光纤端部固定。

局部放电的产生会激发超声波信号，超声波信号传递到检测装置表面后，引起MOS₂膜片的振动，改变了法珀干涉腔5中原有的干涉条件，使得反射光的光强出现变化。法珀干涉腔5与第二波分复用器6的输入端连接，从而法珀干涉腔5反射的光进入第二波分复用器6；第二波分复用器6的输出端与数据采集卡10连接，第二波分复用器6将接收到的反射光按照波长分为两束，数据采集卡10分别对两束反射光进行检测。

本申请示例中，第一波分复用器3与法珀干涉腔5之间设有光纤耦合器4，第一波分复用器3、法珀干涉腔5分别与光纤耦合器4的两端连接；第二波分复用器6的输入端与光纤耦合器4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4将第一波分复用器3输出的激光顺利导入法珀干涉腔5内。可选的，光纤耦合器4为3dB耦合器。

第二波分复用器6与数据采集卡10之间设有第一光电探测器7与第二光电探测器8，第一光电探测器7与第二光电探测器8的输入端分别与第二波分复用器6的输出端连接，第一光电探测器7与第二光电探测器8的输出端分别与数据采集卡10连接。经由法珀干涉腔5输出反射光通过光纤进入第二波分复用器6，第二波分复用器6将反射光按照波长分为两束，两束反射光分别进入第一光电探测器7与第二光电探测器8，用于将反射光转换为电信号，电信号输出至数据采集卡10，通过数据采集卡10分别对其进行处理。

第一光电探测器7、第二光电探测器8与数据采集卡10之间设有滤波器9，第一光电探测器7与第二光电探测器8的输出端分别与滤波器9的输入端连接，滤波器9的输出端与数据采集卡10连接。可选的，滤波器9用于滤除频率在10kHz以下的声波信号。

在该装置中，反射光的干涉强度如下：

其中R₁和R₂分别是MOS₂膜片和光纤端/空气接口的反射率；δ是两个反射光束的相位差；I_i是入射光的强度，ξ是腔长度损失的耦合系数，与波长和腔长有关。

数据采集卡10对滤波后电信号解调原理如下：

设两个光源的波长分别为λ₁和λ₂，法珀腔长为L，则两束光经过法珀干涉腔后，产生的干涉信号的相位差为：

则当

时，可得到两路正交的干涉信号。

对上式求导后相减，得到

将g₁(t)和g₂(t)分别平方后相加，得到y(t)＝B²，则输出为

基于此可以在保持探测仪灵敏度的同时，拓展测量的动态范围，解决基于超薄膜片的法珀干涉仪存在的动态范围小的问题。

本申请实施例提供的基于MOS₂膜片的光纤法珀式局部放电检测装置的工作原理如下：利用第一激光器与第二激光器产生不同波长的光，两束光经第一波分复用器进入同一根光纤，经光纤耦合器后进入法珀干涉腔，激光在反射干涉腔内发生多次反射，形成干涉。局部放电的发生会激发超声波信号，超声波信号传递到检测装置表面后，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。反射光经由光纤耦合器送入第二波分复用器，将反射光分为不同波长的两束光；两束反射光分别进入第一光电探测器与第二光电探测器，将反射光转换为电信号；电信号经过滤波器滤除频率在10kHz以下的信号后，进入数据采集卡，对电信号分别进行检测。

本申请实施例提供的基于MOS₂膜片的光纤法珀式局部放电检测装置，基于超薄的MOS₂膜片，极大的提高了检测装置局部放电检测的灵敏度；通过在MOS₂膜片内表面镀金膜，提高了膜片的反射率，使检测灵敏度进一步提升；将MOS₂薄膜与微光纤干涉腔结合，保障了产品的一致性，抑制了温度干扰；采用双正交解调，扩大了检测装置的动态范围。

基于上述实施例，本申请实施例还提供了一种基于MOS₂膜片的光纤法珀式局部放电检测方法。

如图3所示，本申请实施例提供的基于MOS₂膜片的光纤法珀式局部放电检测方法包括：

S100：第一激光器与第二激光器分别产生不同波长的激光。

S200：两束不同波长的激光通过同一根光纤进入法珀干涉腔。

S300：法珀干涉腔反射激光。

S400：将反射后的激光分成两束反射光。

S500：对反射光进行滤波处理，分别对反射光进行检测。

本申请实施例提供的基于MOS₂膜片的光纤法珀式局部放电检测方法利用两个激光器产生不同波长的光，两束光经第一波分复用器进入同一根光纤，经光纤耦合器后进入法珀干涉腔，激光在反射干涉腔内发生多次反射，形成干涉。

局部放电的发生会激发超声波信号，超声波信号传递到检测装置表面后，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。反射光经由光纤耦合器送入第二波分复用器，将反射光分为不同波长的两束光；两束反射光经滤波处理后，分别进行探测。基于本方法实现局部放电超声波信号的正交测量，解决了检测装置动态范围小的问题。

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 (9)

1.一种基于MOS₂膜片的光纤法珀式局部放电检测装置，其特征在于，包括第一激光器、第二激光器、第一波分复用器、法珀干涉腔、第二波分复用器及数据采集卡，其中，

所述第一激光器、所述第二激光器分别与所述第一波分复用器的输入端连接，所述第一波分复用器的输出端与所述法珀干涉腔连接；

所述法珀干涉腔包括MOS₂膜片与光纤，所述第一激光器通过所述光纤与所述MOS₂膜片连接；所述光纤内设有干涉腔，所述MOS₂膜片与所述光纤的端面固定连接，所述MOS₂膜片朝向所述光纤端面的一侧设有金膜；

所述法珀干涉腔与所述第二波分复用器的输入端连接，所述第二波分复用器的输出端与所述数据采集卡连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述MOS₂膜片的直径为30μm，所述MOS2膜片的厚度为10nm。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述金膜的厚度为5nm。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述干涉腔设置在所述光纤的端部，所述干涉腔的直径为25μm，所述干涉腔的长度为40μm。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一波分复用器与所述法珀干涉腔之间设有光纤耦合器，所述第一波分复用器、所述法珀干涉腔分别与所述光纤耦合器的两端连接；

所述第二波分复用器的输入端与所述光纤耦合器连接。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二波分复用器与所述数据采集卡之间设有第一光电探测器与第二光电探测器，所述第一光电探测器与所述第二光电探测器的输入端分别与所述第二波分复用器的输出端连接，所述第一光电探测器与所述第二光电探测器的输出端分别与所述数据采集卡连接。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一光电探测器、所述第二光电探测器与所述数据采集卡之间设有滤波器，所述第一光电探测器与所述第二光电探测器的输出端分别与所述滤波器的输入端连接，所述滤波器的输出端与所述数据采集卡连接。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一激光器与所述第二激光器均为窄线宽激光器。

9.一种基于MOS₂膜片的光纤法珀式局部放电检测方法，其特征在于，所述方法包括：

第一激光器与第二激光器分别产生不同波长的激光；

两束不同波长的激光通过同一根光纤进入法珀干涉腔；

所述法珀干涉腔反射所述激光；

将反射后的激光分成两束反射光；

对所述反射光进行滤波处理后，分别对所述反射光进行检测。