CN111609962A - 一种具备温度自补偿能力的光纤光栅压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具备温度自补偿能力的光纤光栅压力传感器。所述传感器包括：传感器安装装置、具备温度自补偿能力的光纤以及传感器封装装置；所述传感器封装装置包括压力敏感元件、支撑架、尾部固定端以及传感器外壳；所述传感器安装装置包括头部螺纹以及设于所述头部螺纹后方的裙边。本发明将压力敏感元件设于光纤光栅压力传感器的外部，压力敏感元件直接接触油面，实时感受到变压器内部油压的变化，从而避免了变压器内部发生放电现象，在不改变变压器环境的前提下实现对内部压力的准确测量。

Description

一种具备温度自补偿能力的光纤光栅压力传感器

技术领域

本发明涉及变压器监测领域，特别是涉及一种具备温度自补偿能力的光纤光栅压力传感器。

背景技术

经过较长一段时间的发展，光纤压力传感器的研究已经相对成熟，各行业压力监测手段也发生了更新。但目前并未见到有专门用于电力变压器的光纤光栅压力传感器。尽管已有大量压力保护措施用于油浸式变压器以实现压力的监测，例如：传统的压力保护装置有防爆管、压力释放阀、压力突变继电器等，但这类结构重点在于对变压器环境的保护，其会在内部压力增大到某一阈值时动作，来释放变压器内部的压力。因此，其只能在变压器内部压力较大时起到保护作用，并不能实时反应压力变化情况。同时，常规压力传感器包含了金属结构，如果直接放在变压器内部可能会导致放电现象的发生，变压器复杂的电磁环境注定了常规压力传感器无法直接安装在变压器上进行压力测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种具备温度自补偿能力的光纤光栅压力传感器，以解决现有的压力传感器无法直接安装在变压器上进行压力测量且无法实时反应压力变化情况的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种具备温度自补偿能力的光纤光栅压力传感器，包括：传感器安装装置、具备温度自补偿能力的光纤以及传感器封装装置；

所述传感器封装装置包括压力敏感元件、支撑架、尾部固定端以及传感器外壳；所述压力敏感元件与变压器内部油面相接触；所述支撑架的两端固定于所述传感器外壳的内壁上；所述尾部固定端固定于所述传感器外壳的尾端；所述尾部固定端用于引出所述具备温度自补偿能力的光纤以及保护具备温度自补偿能力的光纤；

所述具备温度自补偿能力的光纤穿设于所述传感器封装装置的内部，以所述支撑架为分界，所述具备温度自补偿能力的光纤包括前端测量光栅和后端石英光纤；所述前端测量光栅的前端与所述压力敏感器元件相连接，所述前端测量光栅的后端穿过所述支撑架连接所述后端石英光纤的前端相连接，所述后端石英光纤的后端从所述尾部固定端穿出；

所述传感器安装装置包括头部螺纹以及设于所述头部螺纹后方的裙边；所述头部螺纹与所述裙边之间设有缝隙；所述头部螺纹设于所述压力敏感元件与所述支撑架之间，且所述头部螺纹设于所述传感器外壳上；所述裙边设于所述传感器外壳的外部；所述传感器安装装置用于密封光纤光栅压力传感器。

可选的，所述测量光栅具体包括纤芯、负热膨胀涂层以及电镀金属涂层；

所述纤芯的外表面涂覆有所述负热膨胀涂层；所述负热膨胀涂层的外表面涂覆有所述电镀金属涂层。

可选的，未经温度补偿的纤芯波长变化为：

其中，Δλ_B为所述具备温度自补偿能力的光纤的中心波长变化量；λ_B为所述具备温度自补偿能力的光纤的中心波长；α为光纤自身热膨胀系数，α>0；ξ为光纤热光系数；ΔT为温度变化；P_e为光纤有效弹光系数；ε_x为光纤轴向应变；

经过负热膨胀材料的涂覆后，光纤光栅波长变化为：

其中，α_-为涂覆层热膨胀系数，α_-<0；E_-为所述负热膨胀涂层的弹性模量；S_-为所述负热膨胀涂层的截面积；E为所述具备温度自补偿能力的光纤的弹性模量、S为所述具备温度自补偿能力的光纤的截面积。

可选的，所述前端测量光栅通过熔接的方式与所述后端石英光纤相连接。

可选的，所述压力敏感元件与所述传感器外壳的材质为不锈钢金属材质。

可选的，所述压力敏感元件为圆形金属膜片。

可选的，所述传感器安装装置还包括：垫片；所述垫片设于所述缝隙内。

可选的，所述裙边为六边形螺母状。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种面向变压器监测的光纤光栅压力传感器，将压力敏感元件设于光纤光栅压力传感器的外部，压力敏感元件直接接触油面，实时感受到变压器内部油压的变化，从而避免了变压器内部发生放电现象，在不改变变压器环境的前提下实现对内部压力的准确测量。

同时，本发明只需要在待安装的变压器箱壁位置处(即传感器外壳)开孔，攻入与传感器头部螺纹相同规格的螺丝，实现密封安装，在安装时可以保证传感器最前端的压力敏感元件与变压器内部箱壁处在同一平面上，避免了凹陷或凸起对压力波传播造成的影响继而影响测量准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的具备温度自补偿能力的光纤光栅压力传感器剖面图；

图2为本发明所提供的传感器安装装置结构图；

图3为本发明所提供的具有温度自补偿能力的光纤的剖面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种具备温度自补偿能力的光纤光栅压力传感器，能够实时感受到变压器内部油压的变化，避免变压器内部发生放电现象，在不改变变压器环境的前提下实现对内部压力的准确测量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的具备温度自补偿能力的光纤光栅压力传感器剖面图，如图1所示，该的具备温度自补偿能力的光纤光栅压力传感器面向变压器监测领域，该传感器包括专用于布置在变压器上的传感器安装装置1、具备温度自补偿能力的光纤2以及传感器封装装置3。

其中，如图2所示，专用于布置在变压器上的传感器安装装置1包括头部螺纹4及螺纹后方的六方形裙边5，该安装装置针对压力传感器应用于变压器这一具体环境设计，根据待安装的变压器箱壁尺寸不同，在传感器头部套出相应长度的螺纹。裙边5与螺纹4之间空出一个垫片的位置，以方便后续固定传感器，并保证变压器的密封性。这一结构可以使传感器在安装时像螺丝拧入螺孔一样，既方便了安装，又保证了良好的密封性。其中头部螺纹的规格与待安装的变压器箱壁有关，换言之，假如待安装压力传感器的变压器箱壁厚度为10mm，则在制作传感器时，从头部开始的10mm内套螺纹，箱壁上的安装位置处开孔打穿，攻入同样规格的螺丝，这样在安装时可以保证传感器最前端的压力敏感元件与变压器内部箱壁处在同一平面上，避免了凹陷或凸起对压力波传播造成的影响继而影响测量准确性，螺纹后方的六方形裙边可类比为螺丝上的螺母，主要起到方便安装的作用，头部螺纹与六方形裙边之间相距约1mm，为安装时的紫铜垫片预留位置，在安装时通过垫片固定在变压器箱壁外侧，方便安装传感器的同时保证变压器的密封性。

传感器安装装置1是为了安装在变压器上定制的特殊结构，目的是在保证测量准确的前提下，尽可能减小对变压器的改造程度，并可靠密封。

具备温度自补偿能力的光纤2包括前端涂覆金属镀层和负热膨胀系数材料的测量光栅6和后端普通石英光纤7；其中，如图3所示，测量光栅6包括纤芯8、负热膨胀涂层9以及电镀金属涂层10；纤芯8为纯熔融石英光纤，正常情况下温度升高时，纤芯8会膨胀，温度降低时，纤芯8会收缩，直接影响光纤光栅的折射率进而影响其中心波长；负热膨胀涂层9则正好相反，将其涂覆在纤芯表面，使光纤本身具备温度补偿的能力，减少使用温补光栅带来的其他问题；同时，为了使光纤能够工作在高温环境，将涂覆后的光纤金属化，使其最外层形成电镀保护层10，在高温条件下对光纤进行保护，并提高其使用寿命；前端测量光栅6两端通过激光焊接的方式连接于压力敏感元件11和支撑架12上，处于绷直状态；后端普通石英光纤7通过熔接的方式与前端连接，尾纤从尾部固定端13穿出，与解调设备相连，起传输信号作用，采用石英光纤可以降低损耗，并减少不必要的涂覆层。外层负热膨胀涂层可以在内部纤芯受热膨胀时自身发生收缩，内部纤芯遇冷收缩时其可以膨胀，从而实现温度自补偿，避免了纤芯中心波长因温度变化对压力测量准确性造成影响，外部金属镀层用于对光纤进行保护；测量光栅后端熔接普通石英光纤，起到传递信号的作用。

传感器封装装置3包括压力敏感元件11、支撑架12、尾部固定端13、传感器外壳14；为了提高光纤光栅对压力的敏感程度，同时适用于变压器复杂的工作环境，增加传感器寿命，压力敏感元件11为不锈钢圆形膜片，当其受到压力产生形变时，带动测量光栅产生轴向形变，这一效果要好于使光栅产生横向形变的其它传感器传感器外壳14为圆柱形，采用不锈钢金属材质。压力敏感元件位于传感器最前端，起压力传递和放大作用，支撑架为长方形撑条，其两端焊接在外壳内壁，测量光栅一端熔接在压力敏感元件中心，另一端固定在支撑架中间，与普通石英光纤熔接，尾部固定端与传感器外壳在制作时即焊接在一起，主要起到引出光纤及保护作用。传感器在工作时，压力敏感元件会感受到变压器内部的油压产生形变，使焊接在其中心位置的具备温度自补偿能力的光纤光栅产生轴向形变，从而改变了光纤的中心波长，通过石英光纤将中心波长的变化量传到所连接的解调设备上，即可实现对变压器压力的实时监测。

在实际应用中，具备温度自补偿能力的光纤2包括前端涂覆金属镀层和负热膨胀系数材料的测量光栅6和后端普通石英光纤7，前端测量光栅6包括内部纤芯8，负热膨胀材料涂层9以及电镀金属镀层10，负热膨胀材料选择各向同性化合物，未经温度补偿的纤芯波长变化为：

其中，Δλ_B为光纤光栅中心波长变化量，λ_B为光纤光栅中心波长，α为光纤自身热膨胀系数，为正，ξ为光纤热光系数，ΔT为温度变化，P_e为光纤有效弹光系数，ε_x为光纤轴向应变，经过负热膨胀材料的涂覆后，光纤光栅波长变化为：

其中，α_-为涂覆层热膨胀系数，为负，E_-、S_-分别为负热膨胀系数材料涂覆层的弹性模量及截面积，E、S分别为光纤的弹性模量和截面积。上式中，第一项为内部纤芯受温度影响发生的变化量，当温度升高(降低)时，纤芯膨胀(收缩)，第一项为正(负)；第二项为负热膨胀材料受温度影响发生的变化量，由于热膨胀系数为负，当温度升高(降低)时，涂覆材料收缩(膨胀)，第二项为负(正)，因此，使用负热膨胀系数材料对纤芯进行涂覆，可以对光纤光栅进行温度补偿。不同的负热膨胀系数材料及涂覆厚度实现的温度自补偿效果不同，实际涂覆时满足精度要求即可；最外层的镀层采用金属材料涂覆，由于金属本身的热膨胀系数小，在保护光纤的同时，不影响负热膨胀系数材料对光纤进行的温度补偿。

在实际应用中，光纤2后端为普通石英光纤7通过熔接的方式与测量光栅6相连，起传输信号作用，使用普通石英光纤7可以降低损耗，并减少不必要的涂覆层。

在实际应用中，压力敏感元件11与传感器外壳14都使用不锈钢金属材质；压力敏感元件11为圆形金属膜片，当其受到压力产生形变时，带动测量光栅产生轴向形变，这一效果要好于使光栅产生横向形变的其它传感器。

本发明所公开的具备温度自补偿能力的光纤光栅压力传感器，能够实时感受到变压器内部油压的变化，避免变压器内部发生放电现象，在不改变变压器环境的前提下实现对内部压力的准确测量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种具备温度自补偿能力的光纤光栅压力传感器，其特征在于，包括：传感器安装装置、具备温度自补偿能力的光纤以及传感器封装装置；

所述传感器封装装置包括压力敏感元件、支撑架、尾部固定端以及传感器外壳；所述压力敏感元件与变压器内部油面相接触；所述支撑架的两端固定于所述传感器外壳的内壁上；所述尾部固定端固定于所述传感器外壳的尾端；所述尾部固定端用于引出所述具备温度自补偿能力的光纤以及保护具备温度自补偿能力的光纤；

所述具备温度自补偿能力的光纤穿设于所述传感器封装装置的内部，以所述支撑架为分界，所述具备温度自补偿能力的光纤包括前端测量光栅和后端石英光纤；所述前端测量光栅的前端与所述压力敏感器元件相连接，所述前端测量光栅的后端穿过所述支撑架连接所述后端石英光纤的前端相连接，所述后端石英光纤的后端从所述尾部固定端穿出；

所述传感器安装装置包括头部螺纹以及设于所述头部螺纹后方的裙边；所述头部螺纹与所述裙边之间设有缝隙；所述头部螺纹设于所述压力敏感元件与所述支撑架之间，且所述头部螺纹设于所述传感器外壳上；所述裙边设于所述传感器外壳的外部；所述传感器安装装置用于密封光纤光栅压力传感器。

2.根据权利要求1所述的具备温度自补偿能力的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述测量光栅具体包括纤芯、负热膨胀涂层以及电镀金属涂层；

所述纤芯的外表面涂覆有所述负热膨胀涂层；所述负热膨胀涂层的外表面涂覆有所述电镀金属涂层。

3.根据权利要求2所述的具备温度自补偿能力的光纤光栅压力传感器，其特征在于，未经温度补偿的纤芯波长变化为：

其中，Δλ_B为所述具备温度自补偿能力的光纤的中心波长变化量；λ_B为所述具备温度自补偿能力的光纤的中心波长；α为光纤自身热膨胀系数，α>0；ξ为光纤热光系数；ΔT为温度变化；P_e为光纤有效弹光系数；ε_x为光纤轴向应变；

经过负热膨胀材料的涂覆后，光纤光栅波长变化为：

其中，α_-为涂覆层热膨胀系数，α_-<0；E_-为所述负热膨胀涂层的弹性模量；S_-为所述负热膨胀涂层的截面积；E为所述具备温度自补偿能力的光纤的弹性模量、S为所述具备温度自补偿能力的光纤的截面积。

4.根据权利要求1所述的具备温度自补偿能力的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述前端测量光栅通过熔接的方式与所述后端石英光纤相连接。

5.根据权利要求1所述的具备温度自补偿能力的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述压力敏感元件与所述传感器外壳的材质为不锈钢金属材质。

6.根据权利要求5所述的具备温度自补偿能力的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述压力敏感元件为圆形金属膜片。

7.根据权利要求5所述的具备温度自补偿能力的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述传感器安装装置还包括：垫片；所述垫片设于所述缝隙内。

8.根据权利要求1所述的具备温度自补偿能力的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述裙边为六边形螺母状。

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