CN109668867B - 气体检测探头 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种气体检测探头。包括传光装置、荧光激发装置和光线反射装置。所述传光装置用于双向传输光线。所述荧光激发装置与所述传光装置连接，接收所述传光装置输出的光并接触特征气体。所述光线反射装置与所述荧光激发装置远离所述传光装置的一端连接，用于反射激发的荧光，所述荧光被反射后回传至所述传光装置。所述气体检测探头基于荧光材料的气体敏感特性，可以探测由局部放电等引起的特征气体浓度的变化，进而确定对绝缘材料的破坏程度。通过所述气体检测探头可以实现配电系统特征气体的长期在线检测，从而保证电网安全运行。所述气体检测探头可以实现非电量的局部放电检测，具有结构简单、可靠性高、电磁不敏感以及安装方便等优势。

Description

气体检测探头

技术领域

本申请涉及配电系统故障监测技术领域，特别是涉及一种气体检测探头。

背景技术

在配电系统中，对各个环节的可靠性和安全性要求越来越高。因此，研发具备在线监测能力的传感技术和器/部件成为了迫切需求。在大型变压器、高压开关和电缆运行过程中，绝缘情况和温度的在线监测是保证其安全可靠运行的关键。局部放电是引起上述参数变化的主要因素，在局部放电过程中，会释放大量的特征气体，监测特征气体的变化和浓度已成为判断局部放电强度以及其对绝缘状况影响程度的重要技术之一。

然而，大型变压器、高压开关和电缆所处的环境存在电压高、电流大且磁场复杂等情况。相关技术中的在线监测设备难以满足这些恶劣环境要求。

发明内容

基于此，有必要针的问题相关技术中的在线监测设备无法满足电压高、电流大且磁场复杂等环境的要求，提供一种气体检测探头。

一种气体检测探头，包括：

传光装置，用于双向传输光线；

荧光激发装置，与所述传光装置连接，接收所述传光装置输出的光并接触特征气体；以及

光线反射装置，与所述荧光激发装置远离所述传光装置的一端连接，用于反射激发的荧光，所述荧光被反射后回传至所述传光装置。

上述气体检测探头基于荧光材料的气体敏感特性，可以探测由局部放电等情况引起的特征气体浓度的变化，进而确定其对绝缘材料的破坏程度。通过所述气体检测探头可以实现配电系统特征气体的长期在线检测，从而保证电网的安全运行。所述气体检测探头通过所述传光装置对入射激光和出射荧光进行双向传输。激光进入所述荧光激发装置后激发荧光，所述荧光经所述光线反射装置反射后回传至所述传光装置，从而可以依据探测到的荧光对特征气体进行检测。所述气体检测探头可以实现非电量的局部放电检测，具有结构简单、可靠性高、电磁不敏感以及安装方便等优势。

在其中一个实施例中，所述传光装置包括：

光纤，与所述荧光激发装置连接，用于双向传输光线；以及

绝缘保护层，包覆所述光纤。

在其中一个实施例中，所述光纤为单芯光纤。

在其中一个实施例中，还包括准直透镜，设置于所述光纤和所述荧光激发装置之间，分别与所述光纤和所述荧光激发装置连接，所述准直透镜与所述光纤直径相同，所述绝缘保护层延伸包覆所述准直透镜。

在其中一个实施例中，所述光纤与所述准直透镜通过熔接方式连接。

在其中一个实施例中，所述荧光激发装置包括：

多孔容纳装置，与所述传光装置连接，用于接触特征气体；以及

荧光材料，设置于所述多孔容纳装置内部，用于与特征气体发生作用。

在其中一个实施例中，所述多孔容纳装置的孔的尺寸为微米量级。

在其中一个实施例中，所述多孔容纳装置为多孔毛细管，所述多孔毛细管的直径与所述光纤的直径相同。

在其中一个实施例中，所述光线反射装置与所述荧光激发装置通过熔接方式连接。

在其中一个实施例中，光线反射装置的反射带宽覆盖入射所述光纤传输装置的光的波长以及可见光波段。

上述实施例提供的气体检测探头，通过所述光纤双向传输光线，具有电磁不敏感的特性。所述绝缘保护层保护所述光纤，且保证检测过程对待测对象无影响。所述光纤为单芯光纤，可以保证入射光和反射荧光有效耦合进入所述光纤并降低损耗。所述准直透镜设置于所述光纤和所述荧光激发装置之间，并分别与二者连接，可以集中入射光能量，从而激发高能量的荧光，有利于后续对荧光的探测和分析。所述光纤与所述准直透镜通过熔接方式连接，可以提高连接的可靠性。所述荧光激发装置包括所述多孔容纳装置和所述荧光材料，特征气体可以从所述多孔容纳装置的孔中进入所述荧光激发装置，并与所述荧光材料发生作用，从而改变荧光特性。所述多孔容纳装置的孔的尺寸为微米量级，可以在保证特征气体进入所述多孔容纳装置的同时，防止荧光材料掉出。所述多孔容纳装置为所述多孔毛细管，且所述多孔毛细管的直径与所述光纤的直径相同，可以保证二者连接的可靠性。所述光线反射装置的反射带宽覆盖入射所述光纤传输装置的光的波长以及可见光波段，可以增强荧光信号。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种气体检测探头的结构示意图。

附图标号说明

100 气体检测探头

110 传光装置

111 光纤

112 绝缘保护层

120 荧光激发装置

121 多孔容纳装置

122 荧光材料

130 光线反射装置

140 准直透镜

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参见图1，本申请提供一种气体检测探头100。所述气体检测探头100包括传光装置110、荧光激发装置120和光线反射装置130。所述传光装置110用于双向传输光线。所述荧光激发装置120与所述传光装置110连接，接收所述传光装置110输出的光并接触特征气体。所述光线反射装置130与所述荧光激发装置120远离所述传光装置110的一端连接，用于反射激发的荧光，所述荧光被反射后回传至所述传光装置110。

所述传光装置110与光源连接，所述光源产生入射光。在一个实施例中，所述入射光可以为紫外波段的激光。通过采用紫外波段的激光作为所述入射光，可以提高荧光的激发效果，即所述入射光为激励激光。所述激励激光经过所述传光装置110后入射所述荧光激发装置120，该过程对电磁干扰不敏感。因此，所述传光装置110的具有抗干扰能力强的优点。

在所述荧光激发装置120接收所述激励激光并产生荧光后，所述荧光经所述光线反射装置130反射，随后回传至所述传光装置110。由于局部放电过程中会释放大量的所述特征气体，监测所述特征气体的变化和浓度可以判断局部放电强度以及绝缘状况。当所述荧光激发装置120探测到所述特征气体时，其产生的荧光的特性会发生改变。因此，回传至所述传光装置110的荧光同时发生变化，通过检测所述传光装置110的输出荧光，可以判断所述气体检测探头100附近是否存在所述特征气体。若存在所述特征气体，则判断相关设备的局部放电情况。

所述光线反射装置130可以为微反射镜，从而与所述荧光激发装置120和所述传光装置110进行匹配。所述光线反射装置130可以增强荧光信号，使所述荧光信号具有高信噪比。在一个实施例中，所述光线反射装置130与所述荧光激发装置120通过熔接方式连接，可靠性高。在一个实施例中，所述光线反射装置130的反射带宽覆盖入射所述光线传输装置110的光的波长以及可见光波段。可以理解，所述光线反射装置130的反射带宽可以覆盖紫外和可见光波段。其中，所述激励激光的波长位于紫外波段，可以更好的激发荧光，其激发产生的所述荧光波长位于可见光波段。所述光线反射装置130波段的选择可以保证所述激励激光和产生的荧光进行高质量传输，从而保证所述气体检测探头100检测的准确性。

所述气体检测探头100通过所述传光装置110对入射激光和出射荧光进行双向传输。激光进入所述荧光激发装置120后激发荧光，所述荧光经所述光线反射装置130反射后回传至所述传光装置110，从而依据探测到的荧光对特征气体进行检测。所述气体检测探头100基于荧光材料的气体敏感特性，可以探测由局部放电等引起的所述特征气体浓度的变化，进而确定绝缘材料的被破坏程度。通过所述气体检测探头100可以实现配电系统特征气体的长期在线检测，从而保证电网安全运行。所述气体检测探头100可以实现非电量的局部放电检测，具有结构简单、可靠性高、电磁不敏感以及安装方便等优势。

在一个实施例中，所述传光装置110包括光纤111和绝缘保护层112。所述光纤111与所述荧光激发装置120连接，用于双向传输光线。所述绝缘保护层112包覆所述光纤111。在一个实施例中，所述光纤111为单芯光纤。通过采用所述单芯光纤，可以保证所述激励激光和产生的可见光波段的荧光能够有效耦合进入所述光纤111。所述光纤111可以进行低损耗、高速率以及远距离传输，从而实现较高的荧光效率，获得较高的信噪比。所述光纤111具有体积小、重量轻以及可靠性高等优势。所述绝缘保护层112可以由绝缘材料聚酰亚胺、聚四氟乙烯等制成，具有绝缘度高、工作可靠等优势。

在一个实施例中，所述气体检测探头100还包括准直透镜140，设置于所述光纤111和所述荧光激发装置120之间，分别与所述光纤111和所述荧光激发装置120连接，所述准直透镜140与所述光纤111直径相同，所述绝缘保护层112延伸包覆所述准直透镜140。可以理解，所述准直透镜140为准直光纤透镜。所述准直透镜140可以集中所述传光装置110中所述激励激光的能量。同时，所述准直透镜140可以有效收集反射的荧光，从而减小所述荧光在传输过程的损失。在一个实施例中，所述光纤111与所述准直透镜140通过熔接方式连接，可靠性较高。

在一个实施例中，所述荧光激发装置120包括多孔容纳装置121和荧光材料122。所述多孔容纳装置121与所述传光装置110连接，用于接触特征气体。所述荧光材料122设置于所述多孔容纳装置121内部，用于与特征气体发生作用。

在一个实施例中，所述多孔容纳装置121的孔的尺寸为微米量级，所述孔为通孔，且均匀分布于所述多孔容纳装置121的外壁。所述多孔容纳装置121可以由石英、玻璃或陶瓷材料制成，使所述多孔容纳装置121具有绝缘特性。所述特征气体经所述多孔容纳装置121的孔进入，与所述荧光材料122发生作用，进而导致产生的荧光特性发生改变。特性改变的荧光经所述准直透镜140和所述光纤111回传并收集后，通过对收集到的所述荧光进行参数分析，即可以判断绝缘材料的破损等情况。在一个实施例中，所述多孔容纳装置121为多孔毛细管，所述多孔毛细管的直径与所述光纤111的直径相同。所述多孔容纳装置121与所述光纤111的直径相同可以进一步提高连接的可靠性，从而降低能量损耗。

所述荧光材料122采用有机和无机混合后的荧光材料制成。可以理解，所述荧光材料122可以使用高分子聚合物荧光材料。所述荧光材料122具有特征气体敏感特性，从而可以实现对特征气体的非电量检测，具有电磁不敏感的特性。可以理解，本申请对所述荧光材料122不作限定，只要可以保证在产生所述特征气体时，所述荧光材料122与所述特征气体充分接触即可，产生的特性改变可以被探测即可。在一个实施例中，所述荧光材料122为荧光材料颗粒。所述荧光材料颗粒直径大于孔的直径。

可以理解，所述气体检测探头100的工作原理为：所述激励激光通过所述光纤111传输后经所述准直透镜140后入射所述荧光材料122，从而激发荧光。所述荧光经所述光线反射装置130反射后返回所述光纤111，由所述光纤111传导输出。在一个实施例中，所述荧光材料122填充在所述多孔容纳装置121中，特征气体可以通过所述多孔容纳装置121侧壁上的微米量级的小孔进入与所述荧光材料122发生作用，改变其荧光特性。因此，通过分析所述光纤111传导输出的所述荧光即可实现特征气体参数的传感。

所述气体检测探头100可以在恶劣电磁环境下用于配电系统特征气体探测。所述气体检测探头100基于所述荧光材料122的气体敏感特性，可以探测由局部放电等引起的特征气体浓度及其他变化，进而确定其对绝缘材料的破坏程度，从而实现配电系统特征气体的长期在线检测，保证电网运行安全。所述气体检测探头100的各部分材料均为高绝缘材料，且所述气体检测探头100的信号载体为光。因此，所述气体检测探头100可以实现非电量的局部放电检测，且对被测对象不产生影响，可靠性高。所述气体检测探头100对电磁干扰不敏感，抗干扰能力强，能实现长期在线监测。此外，所述气体检测探头100还具有体积小、敏感度高、实用性高以及安装方便等优势。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种气体检测探头（100），其特征在于，包括：

传光装置（110），用于双向传输光线；

荧光激发装置（120），所述荧光激发装置（120）包括多孔容纳装置（121）和荧光材料（122），所述多孔容纳装置（121）与所述传光装置（110）连接，所述荧光材料（122）设置于所述多孔容纳装置（121）内部，所述荧光材料（122）适于接收来自所述传光装置（110）的入射光并产生荧光，所述多孔容纳装置（121）的孔的尺寸为微米量级；以及

光线反射装置（130），与所述荧光激发装置（120）远离所述传光装置（110）的一端连接，用于反射激发的荧光，所述荧光被反射后回传至所述传光装置（110）；

准直透镜（140），设置于所述传光装置（110）和所述荧光激发装置（120）之间，分别与所述传光装置（110）和所述荧光激发装置（120）连接；

所述传光装置（110）包括：

光纤（111），与所述荧光激发装置（120）连接，用于双向传输光线；以及

绝缘保护层（112），包覆所述光纤（111）。

2.根据权利要求1所述的气体检测探头（100），其特征在于，所述光纤（111）为单芯光纤。

3.根据权利要求1所述的气体检测探头（100），其特征在于，所述准直透镜（140）与所述光纤（111）直径相同，所述绝缘保护层（112）延伸包覆所述准直透镜（140）。

4.根据权利要求3所述的气体检测探头（100），其特征在于，所述光纤（111）与所述准直透镜（140）通过熔接方式连接。

5.根据权利要求1所述的气体检测探头（100），其特征在于，所述光线反射装置（130）为微反射镜。

6.根据权利要求1所述的气体检测探头（100），其特征在于，所述多孔容纳装置（121）为多孔毛细管，所述多孔毛细管的直径与所述光纤（111）的直径相同。

7.根据权利要求1所述的气体检测探头（100），其特征在于，所述光线反射装置（130）与所述荧光激发装置（120）通过熔接方式连接。

8.根据权利要求1所述气体检测探头（100），其特征在于，所述光线反射装置（130）的反射带宽覆盖入射所述传光装置（110）的光的波长以及可见光波段。