CN112433179B - 一种判别变压器故障程度的气敏光纤传感器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明专利提供了一种判别变压器故障程度的气敏光纤传感器及方法，由宽带光源、偏振器、测试气室、D型光子晶体光纤、单模光纤、光谱分析仪和计算机组成；光纤传感器位于测试气室内，测试气室内有控制乙烷气体的入口和出口；D型光子晶体光纤侧面抛光表面涂覆氧化锡掺杂氧化石墨烯纳米带薄膜，与D型光子晶体光纤熔接的单模光纤、涂覆氧化锡掺杂氧化石墨烯纳米带薄膜的D型光子晶体光纤一起构成所述一种判别变压器故障程度的气敏光纤传感器的探头。利用SPR传感机制，将乙烷气体折射率RI的微小变化转换成可测量的损耗峰的变化，实现折射率传感，具有灵敏度高、设计灵活、结构紧凑、稳定性强等优点，在变压器故障程度的判别中具有广泛应用价值。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种判别变压器故障程度的气敏光纤传感器及方法。
背景技术
电力变压器是电网的关键设备，通常变压器发生故障时会使绝缘油发生裂解，产生低分子烃类等气体。因此，油中溶解气体分析对保障变压器的安全运行具有重要作用。传统的变压器油分解气体的测量中，主要以气相色谱法为主，但由于其灵敏度和稳定性相对较低，所以急需要一种灵敏度高的、抗干扰能力强的测量方法来对分解气体进行探测。而通过光纤传感技术结合气体敏感材料对变压器油分解气体进行探测成为了一个可行且有效的新方法。
近年来，基于光子晶体光纤(PCF)的SPR传感器的概念已被提出。光子晶体光纤的特点是其设计的灵活性，因此可以通过不同的气孔布置来定制色散、双折射、非线性等。这些方面使得光子晶体光纤在许多领域特别引人注目，并在基于气体的非线性光学、原子和粒子制导、超高非线性、掺稀土激光和传感等领域有广泛的应用。PCF-SPR传感器可以实现等离子体模式和基模模式的完美匹配，因为基模的有效折射率可以设计为零到核心材料的折射率之间，在折射率检测方面具有很高的灵敏度和分辨率。克服了基于棱镜和传统光纤的SPR传感器体积大、传输损耗高、灵敏度低的缺点。
侧边抛磨光子晶体光纤是利用光纤研磨抛光技术除去部分包层的光纤元件，既能保持传统光纤的优势，又能使光纤内传导模式通过抛磨区泄露出来用以其他的应用，例如利用倏逝波应用于传感器领域等。J.J.Wu等人(J.J.Wu,S.G.Li,M.Shi,X.X.Feng,Photoniccrystal fiber temperature sensor with high sensitivity basedon surfaceplasmon resonance,Optical Fiber Technology,2018,43:90-94)提出一种基于SPR的PCF温度传感器，采用金属金作为SPR激发材料，固体纤芯下方的四个小气孔和一个大气孔用于产生双折射，测量温度范围为10-85℃(折射率范围为1.336-1.3696)；N.Chen等人(N.Chen,M.Chang,X.L.Lu,J.Zhou and X.D.Zhang,Numerical Analysis of Midinfrared D-ShapedPhotonic-Crystal-Fiber Sensor based on Surface-Plasmon-Resonance Effectfor Environmental Monitoring,Applied Sciences,2020,10(11):3897)提出一种工作在近红外波段(2.9-3.6μm)、用于环境监测的基于SPR效应的D型PCF折射率传感器，分析物与金层直接接触，而且环绕整个D型PCF，而不是只接触抛光面，包层材料是硅，包层中的三层气孔按照六边形晶格排列；M.N.Sakib等人(M.N.Sakib,M.B.Hossain,K.F.Al-tabatabaie,I.M.Mehedi,M.T.Hasan,M.A.Hossain,I.S.Amiri,High Performance Dual Core D-ShapePCF-SPR Sensor Modeling Employing Gold Coat,Results in physics,2019,15:102788)提出采用金涂层、固体双芯的D型PCF-SPR传感器，分析物折射率范围为1.45-1.48，两个固体纤芯与y轴对称，双芯能量与金属层能量耦合较困难，适用的探测范围较窄；S.Singh等人(S.Singh,Y.K.Prajapati,Highly sensitive refractive index sensorbased on D-shaped PCF with gold-graphene layers on the polished surface,Applied Physics A,2019,125:437)提出一种在抛光表面涂有金和石墨烯层的D型PCF折射率传感器，在固体纤芯x方向放置两个大空气孔，研究x方向偏振光发生耦合时的限制损耗谱；A.A.Rifat等人(A.A.Rifat,G.A.Mahdiraji,D.M.Chow,Y.G.Shee,R.Ahmed andF.R.M.Adikan,Photonic Crystal Fiber-Based Surface Plasmon Resonance Sensorwith Selective Analyte Channels and Graphene-Silver Deposited Core,Sensors,2015,15(5):11499-11510)提出一种D型光子晶体光纤SPR折射率传感器，采用银作为SPR激发材料，该传感器不仅探测范围较窄，而且不能满足高灵敏度的要求。
对于电力变压器来说，发生故障时会使绝缘油裂解，产生不同的气体，其中乙烷便是重要参考气体之一，通过对乙烷的浓度探测，我们可以对变压器设备的故障程度和运行状态进行判别。然而，目前来说，对乙烷的探测方法还很少，且较为传统，有着灵敏度低、稳定性差、易受干扰等影响因素。因此，通过光纤传感技术结合气体敏感材料涂覆对乙烷气体进行探测有着深刻的意义和广泛的应用。
发明内容
虽然上述研究者对上述抛磨光子晶体光纤做了相关的研究和改进，但是由于其采用纯金属作为SPR激发材料，纯金属在潮湿环境的氧化性较差，而且非常薄的金属层可能从玻璃纤维脱落，导致限制光的能力减弱、分析物检测的准确性降低和SPR模式激发减弱，所以其受到很大的局限性；同时，在现有技术当中，对于乙烷气体的探测也较为不成熟。因此，为了解决现有技术的缺陷，本发明提出一种结构紧凑、灵敏度较高、探测范围较宽、符合实际生产的一种判别变压器故障程度的气敏光纤传感器及方法。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案如下：
1.技术方案：一种判别变压器故障程度的气敏光纤传感器及方法，其特征在于，由宽带光源(1)、偏振器(2)、测试气室(3)、D型光子晶体光纤(4)、单模光纤(5)、光谱分析仪(6)和计算机(7)组成；所述D型光子晶体光纤(4)位于测试气室(3)内，测试气室(3)有控制乙烷气体的入口(8)和出口(9)；
所述D型光子晶体光纤(4)侧面抛光表面涂覆氧化锡掺杂氧化石墨烯纳米带薄膜，与所述D型光子晶体光纤(4)熔接的单模光纤(5)、涂覆氧化锡掺杂氧化石墨烯纳米带薄膜的D型光子晶体光纤(4)一起构成所述一种判别变压器故障程度的气敏光纤传感器的探头；
所述D型光子晶体光纤(4)包括：包层(10)、30个位于包层中的空气孔；其特征在于，空气孔(11)、椭圆空气孔(12)和空气孔(13)以y轴为中心，呈对称分布在y轴两侧；在y轴纤芯处处，还有一个空气孔(14)、两个空气孔(13)和一个空气孔(11)；
所述D型光子晶体光纤(4)侧面抛光表面涂覆氧化锡掺杂氧化石墨烯纳米带薄膜的制备方法为：将15mg的氧化石墨烯纳米带放入75mL去离子水超声25min，随后加入0.75mL浓盐酸(HCl，40％～42％)、150mg PVP和650mg氯化亚锡，常温下搅拌反应45min。待120℃搅拌反应50min后将溶液放入聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，再195℃反应10h。高温冷却后，将溶液用无水乙醇和去离子水离心洗涤3次，真空冷冻干燥后，制成氧化锡掺杂氧化石墨烯纳米带薄膜。
进一步地，所述D型光子晶体光纤(4)的包层空气孔间距Λ为11-14μm，包层直径D为100μm，空气孔(11)、空气孔(13)和空气孔(14)的直径d1、d2和d3分别为8.35-9.25μm、6.75-7.55μm、10.65μm；椭圆空气孔(12)的短轴a和长轴b分别为4μm和6μm。
进一步地，所述D型光子晶体光纤(4)的包层材料为熔融石英，其折射率由Sellmeier公式定义。
进一步的，所述乙烷气体是通过从含有乙烷的其他气体中分离、提取出来的。
一种判别变压器故障程度的气敏光纤传感器及方法，其特征在于：采用堆叠-拉丝技术制备光子晶体光纤，然后在V型槽中进行抛磨加工成D型光子晶体光纤(4)，利用射频磁控溅射方法可以得到所述的涂覆氧化锡掺杂氧化石墨烯纳米带薄膜的D型光子晶体光纤(4)；
所述的堆叠-拉丝技术为：首先对石英套管进行预处理，在超净环境下按照参数拉制毛细管，拉制温度为1900℃-2000℃，之后对毛细管两端用氢氧焰进行拉锥封孔，在石英套管中将毛细管按照设计要求堆积形成所需的结构，用纯石英棒对空隙进行填充，利用氧炔火焰将石英套管与毛细管烧结在一起，在拉丝塔上使用两次拉丝技术制成光子晶体光纤；
所述的一种判别变压器故障程度的气敏光纤传感器及方法，其传输路径如下：所述宽带光源(1)经过偏振器(2)变成y偏振光，通过测试气室(3)传输到D型光子晶体光纤(4)，由D型光子晶体光纤(4)输出由单模光纤(5)输入至光谱分析仪(6)，光谱分析仪(6)的输出端连接计算机(7)，其特征在于：
所述氧化锡掺杂氧化石墨烯纳米带薄膜表面激发的等离子体波波矢与入射光场的波矢在特定的波长范围内达到相位匹配，发生耦合，出现共振损耗峰；表面等离子体共振(SPR)对介质环境十分敏感，乙烷气体折射率RI变化会使共振条件发生变化，导致共振损耗峰发生明显变化，可以实现高灵敏度、实时性探测。
结构发明：一种判别变压器故障程度的气敏光纤传感器及方法。
与现有技术相比，本发明专利的有益效果是：
1、本发明所述的D型光子晶体光纤包层上的空气孔(14)位于y轴(空)纤芯处，极大地增加了双折射特性以及色散特性，有利于偏振态的保持，可广泛应用于偏振控制、精密光纤传感等领域。
2、本发明所述的一种判别变压器故障程度的气敏光纤传感器，采用氧化锡掺杂氧化石墨烯纳米带薄膜作为SPR激发材料和对所探测的乙烷气体的敏感材料，可广泛应用于对绝缘油因变压器故障而分解产生的乙烷气体进行检测。
3、本发明采用的是光纤传感技术，可有效提高对气体测量的灵敏度、稳定性、以及对外界环境的抗电磁干扰能力。
附图说明
图1为本发明提供的一种判别变压器故障程度的气敏光纤传感器装置图。
图2为本发明提供的一种基于SPR的D型光子晶体光纤二维横截面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提出的一种判别变压器故障程度的气敏光纤传感器装置的具体实施方式加以说明。
如图1所示，为本发明提供的一种判别变压器故障程度的气敏光纤传感器装置图，由宽带光源(1)、偏振器(2)、测试气室(3)、D型光子晶体光纤(4)、单模光纤(5)、光谱分析仪(6)和计算机(7)组成；光纤传感器位于测试气室内，测试气室内有控制乙烷气体的入口(8)和出口(9)；D型光子晶体光纤(4)侧面抛光表面氧化锡掺杂氧化石墨烯纳米带薄膜，与D型光子晶体光纤(4)熔接的单模光纤(5)、涂覆氧化锡掺杂氧化石墨烯纳米带薄膜的D型光子晶体光纤(4)一起构成所述一种判别变压器故障程度的气敏光纤传感器装置的探头；宽带光源(1)经过偏振器(2)变成y偏振光，通过测试气室(3)传输到D型光子晶体光纤(4)，由D型光子晶体光纤(4)输出由单模光纤(5)输入至光谱分析仪(6)，光谱分析仪(6)的输出端连接计算机(7)。
如图2所示，为本发明提供的一种基于SPR的D型光子晶体光纤二维横截面图，包括：包层(10)、30个位于包层中的空气孔；其特征在于，空气孔(11)、椭圆空气孔(12)和空气孔(13)以y轴为中心，呈对称分布在y轴两侧；在y轴(空)纤芯处，还有一个空气孔(14)、两个空气孔(13)和一个空气孔(11)；包层空气孔间距Λ为11-14μm，包层直径D为100μm，空气孔(11)、空气孔(13)和空气孔(14)的直径d1、d2和d3分别为8.35-9.25μm、6.75-7.55μm、10.65μm；椭圆空气孔(12)的短轴a和长轴b分别为4μm和6μm。包层材料为熔融石英，其折射率由Sellmeier公式定义。
基于判别变压器故障程度的气敏光纤传感器对乙烷气体折射率RI灵敏度的检测；通过分析不同浓度的乙烷气体折射率RI，依次用于本发明提供的一种判别变压器故障程度的气敏光纤传感器装置进行测量；乙烷气体折射率RI变化会使共振条件发生变化，导致共振损耗峰发生明显变化，可以实现对乙烷气体的高灵敏度、实时性探测。
Claims (5)
1.一种判别变压器故障程度的气敏光纤传感器，其特征在于，由宽带光源(1)、偏振器(2)、测试气室(3)、D型光子晶体光纤(4)、单模光纤(5)、光谱分析仪(6)和计算机(7)组成；所述D型光子晶体光纤(4)位于测试气室(3)内，测试气室(3)有控制乙烷气体的入口(8)和出口(9)；
所述D型光子晶体光纤(4)侧面抛光表面涂覆氧化锡掺杂氧化石墨烯纳米带薄膜，与所述D型光子晶体光纤(4)熔接的单模光纤(5)、涂覆氧化锡掺杂氧化石墨烯纳米带薄膜的D型光子晶体光纤(4)一起构成所述一种判别变压器故障程度的气敏光纤传感器的探头；
所述D型光子晶体光纤(4)包括：包层(10)、30个位于包层中的空气孔；第一空气孔(11)、椭圆空气孔(12)和第二空气孔(13)以y轴为中心，呈对称分布在y轴两侧；在y轴纤芯处，还有一个第三空气孔(14)、两个第二空气孔(13)和一个第一空气孔(11)；
所述D型光子晶体光纤(4)侧面抛光表面涂覆氧化锡掺杂氧化石墨烯纳米带薄膜的制备方法为：将15mg的氧化石墨烯纳米带放入75mL去离子水超声25min，随后加入0.75mL浓盐酸(HCl，40％-42％)、150mg PVP和650mg氯化亚锡，常温下搅拌反应45min，待120℃搅拌反应50min后将溶液放入聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，再195℃反应10h，高温冷却后，将溶液用无水乙醇和去离子水离心洗涤3次，真空冷冻干燥后，制成氧化锡掺杂氧化石墨烯纳米带薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种判别变压器故障程度的气敏光纤传感器，其特征在于：所述D型光子晶体光纤(4)的包层空气孔间距Λ为11-14μm，包层直径D为100μm，第一空气孔(11)、第二空气孔(13)和第三空气孔(14)的直径d 1、d 2和d 3分别为8.35-9.25μm、6.75-7.55μm、10.65μm；椭圆空气孔(12)的短轴a和长轴b分别为4μm和6μm。
3.根据权利要求1所述的一种判别变压器故障程度的气敏光纤传感器，其特征在于：所述D型光子晶体光纤(4)的包层材料为熔融石英，其折射率由Sellmeier公式定义。
4.根据权利要求1所述的一种判别变压器故障程度的气敏光纤传感器，其特征在于：所述乙烷气体是通过从含有乙烷的其他气体中分离、提取出来的。
5.根据权利要求1所述的一种判别变压器故障程度的气敏光纤传感器，其特征在于：采用堆叠-拉丝技术制备光子晶体光纤，然后在V型槽中进行抛磨加工成D型光子晶体光纤(4)，利用射频磁控溅射方法得到所述的涂覆氧化锡掺杂氧化石墨烯纳米带薄膜的D型光子晶体光纤(4)；
所述的堆叠-拉丝技术为：首先对石英套管进行预处理，在超净环境下按照参数拉制毛细管，拉制温度为1900℃-2000℃，之后对毛细管两端用氢氧焰进行拉锥封孔，在石英套管中将毛细管按照设计要求堆积形成所需的结构，用纯石英棒对空隙进行填充，利用氧炔火焰将石英套管与毛细管烧结在一起，在拉丝塔上使用两次拉丝技术制成光子晶体光纤；
所述的一种判别变压器故障程度的气敏光纤传感器，其传输路径如下：所述宽带光源(1)经过偏振器(2)变成y偏振光，通过测试气室(3)传输到D型光子晶体光纤(4)，由D型光子晶体光纤(4)输出，由单模光纤(5)输入至光谱分析仪(6)，光谱分析仪(6)的输出端连接计算机(7)；
所述氧化锡掺杂氧化石墨烯纳米带薄膜表面激发的等离子体波波矢与入射光场的波矢在特定的波长范围内达到相位匹配，发生耦合，出现共振损耗峰；表面等离子体共振(SPR)对介质环境十分敏感，乙烷气体折射率RI变化会使共振条件发生变化，导致共振损耗峰发生明显变化；因此，可以实现高灵敏度、实时性探测，同时也通过对乙烷气体的探测，能实时的反映出变压器运行状态及故障程度，对电气设备的安全运行提供保障。
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