CN113064030A - 一种光纤efpi传感器、制作方法及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤EFPI传感器、制作方法及测量系统，该传感器包括：毛细管；光纤，所述光纤设置在所述毛细管前端部；膜片，所述膜片设置在所述毛细管后端部；其中，所述光纤与膜片之间构成FP腔，所述光纤端面和所述膜片上均镀设有绝缘材料制成的反射膜。相较于未镀膜的光纤EFPI传感器，本发明的光纤EFPI传感器的信号质量更好，灵敏度更高，能够对电力设备局部放电进行更加有效的检测，可以广泛应用于电气设备局部放电检测中。

Description

一种光纤EFPI传感器、制作方法及测量系统

技术领域

本发明是关于一种适用于变压器及GIS(气体绝缘全封闭组合电器)等电力设备局部放电检测的新型光纤EFPI(Extrinsic Fabry-Perot Interferometer，非本征型法珀干涉)传感器、制作方法及测量系统，涉及光纤压力传感器技术领域。

背景技术

现有技术中已有光纤EFPI传感器被证实能够应用于诸如变压器、GIS等高压电力设备的局部放电在线监测中。光纤EFPI传感器具有能够伸入电气设备内部、抗电磁干扰能力强等优点，但是由于光纤端面和膜片光反射率较低，使得现有传感器信号质量不高，灵敏度偏低。

电气设备发生局部放电时会产生超声波，当超声波传到光纤EFPI传感器探头的膜片上时会使膜片发生微小振动，造成膜片与光纤端面间距离(FP腔长)发生变化，光纤EFPI传感器通过感知这一变化实现对电力设备局部放电的检测，由光的干涉原理可知，两束反射光的光强对信号质量及传感器灵敏度具有较大影响。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种通过镀膜技术提高光纤端面及膜片的光反射率，进而得到信号质量更好、灵敏度更高的新型光纤EFPI传感器、制作方法及测量系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种光纤EFPI传感器，该传感器包括：

毛细管；

光纤，所述光纤设置在所述毛细管前端部；

膜片，所述膜片设置在所述毛细管后端部；

其中，所述光纤与膜片之间构成FP腔，所述光纤端面和所述膜片上均镀设有绝缘材料制成的反射膜。

进一步地，所述反射膜的材料采用五氧化二钛及二氧化硅，通过两种材料交替镀膜的分别在所述光纤端面及膜片上镀不同层数的膜以达到设定反射率。

进一步地，所述膜片材料采用石英，直径为3.5mm，厚度为50μm。

进一步地，所述光纤采用单模光纤，直径为125μm。

进一步地，所述膜片与所述光纤端面间距离为80μm，即FP腔腔长为80μm。

第二方面，本发明还提供所述的光纤EFPI传感器的制作方法，包括步骤为：

S1、选择五氧化二钛及二氧化硅为镀膜材料；

S2、通过测量FP腔的损耗率计算得出光纤端面的最佳反射率，通过镀膜技术分别将膜片反射率提高至100％，光纤端面的反射率提高至36.4％；

S3、将端面镀膜后的光纤、镀膜后的膜片及毛细管焊接制作形成光纤EFPI传感器。

进一步地，上述步骤S2的具体过程包括：首层膜为五氧化二钛膜，之后由二氧化硅膜和五氧化二钛膜交替镀成；随着膜层数的增加，光经过的反射面增加，反射次数的增多使得光的反射率增加，通过控制镀膜层数，分别对光纤端面及膜片镀符合反射率要求层数的膜。

进一步地，根据腔长的光损耗率计算出光纤端面的最佳反射率，光纤端面的最佳反射率根据下式计算：

I₁＝R*I₀

I₂＝(I₀-I₁)*(1-α)*(1-R)＝(1-R)²*(1-α)*I₀

式中，I₀为入射光光强，R为光纤端面反射率，α为FP腔的光损耗率，实验室测得为45％；I₁为光纤端面反射会光纤中的反射光光强；I₂为穿过FP腔在膜片全反射后经光纤端面透射后进入光纤中的光的光强；当I₁＝I₂时，计算出光纤端面的最佳反射率。

第三方面，本发明还提供一种信号检测系统，该系统所述光纤EFPI传感器、单色光光源、光环形器、光电放大器及示波器；

所述单色光光源发出的单色光经所述光环形器通过光纤传播到所述光纤EFPI传感器，在所述光纤EFPI传感器探头内的光纤端面及膜片表面分别发生两次反射，反射光通过所述光纤返回后经所述光环形器发送到所述光电放大器进行光电转换后通过所述示波器进行显示，通过两束光程不同的反射光发生干涉后的光强信息得到腔长变化，进而实现信号的检测。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明选择符合高压电力设备绝缘性能要求的膜材料，通过镀膜将膜片反射率提高至100％，根据腔长的光损耗率计算出光纤端面的最佳反射率，并利用镀膜技术得到相应反射率的光纤端面，最终制成信号质量更好、灵敏度更高的新型光纤EFPI传感器；

2、相较于未镀膜的光纤EFPI传感器，本发明的光纤EFPI传感器的信号质量更好，灵敏度更高，能够对电力设备局部放电进行更加有效的检测；

综上，本发明可以广泛应用于电气设备局部放电检测中。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例的光纤EFPI传感器系统示意图；

图2为本发明实施例的光纤端面和膜片镀膜的光纤EFPI传感器探头示意图；

图3为本发明实施例的光纤端面反射率和膜片反射率与信号质量关系图；

图4为本发明实施例的传感器置于变压器油中镀膜前后反射光光功率比较，图(a)为镀膜前，图(b)为镀膜后；

图5为本发明实施例传感器置于SF6中镀膜前后反射光光功率比较，图(a)为镀膜前，图(b)为镀膜后。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

本发明提供的新型光纤EFPI传感器及其制作方法，通过在光纤EFPI传感器的光纤端面和膜片表面镀绝缘膜，能够在高压电气设备内部工作且信号质量更好、灵敏度更高。

实施例1

本实施例提供的光纤EFPI传感器，包括毛细管1、光纤2和膜片3，毛细管1的前端插设光纤2，毛细管1的后端部设置膜片3，光纤2与膜片3之间构成FP腔。其中，光纤2端面和膜片3上均镀有能够提高光反射率的绝缘材料制成的反射膜。由于传感器要置于电气设备内部，如变压器内部变压器油及气体绝缘全封闭组合电器(GIS)内部的高压强SF6气体环境中，为保证传感器能够在上述高压条件下工作且不破坏电力设备原有的绝缘性能，本实施例选择的镀膜材料为绝缘材料，镀膜材料为绝缘型膜材料且能够提高反射率的材料，目的是为提高光纤EFPI传感器应用于监测电力设备局部放电时的信号质量及灵敏度。

本发明的一些实施例中，镀膜材料可以采用五氧化二钛及二氧化硅，通过两种材料交替镀膜的技术分别在光纤端面及膜片上镀不同层数的膜。

本发明的一些实施例中，如图2所示，膜片3所用材料为石英，直径为3.5mm，厚度为50μm，镀膜后的光反射率为100％。

本发明的一些实施例中，光纤2采用单模光纤，直径为125μm，光纤端面的反射率提高至36.4％，膜片3与光纤2端面间距离为80μm，即FP腔腔长为80μm。

实施例2

本实施例提供的光纤EFPI传感器的制作方法，包括：

首先，选择五氧化二钛及二氧化硅为镀膜材料；

然后，通过测量FP腔的光损耗率计算得出光纤端面的最佳反射率，当FP腔损耗率为45％时，最佳反射率计算结果为36.4％。通过镀膜技术分别将膜片反射率提高至100％，光纤端面的反射率提高至36.4％。

具体地，镀膜技术要求为：首层膜为五氧化二钛膜，之后由二氧化硅膜和五氧化二钛膜交替镀成；随着膜层数的增加，光经过的反射面增加，反射次数的增多使得光的反射率增加，因此可以通过控制光的层数达到控制光反射率的目的，且透射率也随之得到控制；利用镀膜技术控制膜的层数，分别对光纤端面及膜片镀符合反射率要求层数的膜；

最后，利用激光焊接技术将端面镀膜后的光纤、镀膜后的膜片及毛细管焊接制作形成光纤EFPI传感器。

本发明的一些实施例中，根据腔长的光损耗率计算出光纤端面的最佳反射率，光纤端面的最佳反射率可根据下式计算：

I₁＝R*I₀

I₂＝(I₀-I₁)*(1-α)*(1-R)＝(1-R)²*(1-α)*I₀

式中，I₀为入射光光强；R为光纤端面反射率；α为FP腔的光损耗率，实验室测得为45％；I₁为光纤端面反射会光纤中的反射光光强；I₂为穿过FP腔在膜片全反射后经光纤端面透射后进入光纤中的光的光强。当I₁＝I₂时，可计算出光纤端面的最佳反射率。

实施例3

如图1所示，本实施例还提供一种信号检测系统，包括光纤EFPI传感器、单色光光源4、光环形器5、光电放大器6及示波器7。

单色光光源4发出的单色光经光环形器5通过单模光纤传播到光纤EFPI传感器，在光纤EFPI传感器探头内部的镀膜后的光纤3端面及膜片3表面分别发生两次反射，反射光通过单模光纤2返回后经光环形器5发送到光电放大器6进行光电转换后通过示波器7进行显示，其通过两束光程不同的反射光发生干涉后的光强信息得到腔长变化，进而实现信号的检测。

进一步地，本发明还对光纤端面和膜片镀膜前后的光纤EFPI传感器信号质量及干涉光光功率进行了仿真及实验验证，具体说明如下：

如图3为光纤端面和膜片光反射率与信号质量的关系，可以发现光反射率越高，信号质量越好；反射率越高，光纤EFPI传感器对腔长变化反应越明显，即灵敏度越高。

图4(a)为变压器油中未镀膜光纤EFPI传感器实验测得的反射光干涉功率；图4(b)为变压器油中光纤端面和膜片镀膜的光纤EFPI传感器实验测得的反射光干涉功率。

图5(a)为SF6中未镀膜光纤EFPI传感器实验测得的反射光干涉功率；图5(b)为SF6中光纤端面和膜片镀膜的光纤EFPI传感器实验测得的反射光干涉功率。从图4、图5中可以看出，在光纤端面和膜片镀膜可以显著提高光纤EFPI传感器中反射光的干涉功率。

综上所述，本发明在光纤端面及膜片表面镀绝缘材料制成的膜的方法提高两个反射面的光反射率，从而达到提高光纤EFPI传感器信号质量及灵敏度的目的。经理论分析及实验验证，光纤端面和膜片镀膜的光纤EFPI传感器相较于未镀膜的光纤EFPI传感器具有更好的信号质量及更高的灵敏度，本发明的光纤EFPI传感器用途为电气设备局部放电监测，工作环境包含但不限于变压器及GIS。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种光纤EFPI传感器，其特征在于，该传感器包括：

毛细管；

光纤，所述光纤设置在所述毛细管前端部；

膜片，所述膜片设置在所述毛细管后端部；

其中，所述光纤与膜片之间构成FP腔，所述光纤端面和所述膜片上均镀设有绝缘材料制成的反射膜。

2.根据权利要求1所述的光纤EFPI传感器，其特征在于，所述反射膜的材料采用五氧化二钛及二氧化硅，通过两种材料交替镀膜的分别在所述光纤端面及膜片上镀不同层数的膜以达到设定反射率。

3.根据权利要求1所述的光纤EFPI传感器，其特征在于，所述膜片材料采用石英，直径为3.5mm，厚度为50μm。

4.根据权利要求1所述的光纤EFPI传感器，其特征在于，所述光纤采用单模光纤，直径为125μm。

5.根据权利要求1～4任一项所述的光纤EFPI传感器，其特征在于，所述膜片与所述光纤端面间距离为80μm，即FP腔腔长为80μm。

6.一种权利要求1～5任一项所述的光纤EFPI传感器的制作方法，其特征在于包括步骤为：

S1、选择五氧化二钛及二氧化硅为镀膜材料；

S2、通过测量FP腔的损耗率计算得出光纤端面的最佳反射率，通过镀膜技术分别将膜片反射率提高至100％，光纤端面的反射率提高至36.4％；

S3、将端面镀膜后的光纤、镀膜后的膜片及毛细管焊接制作形成光纤EFPI传感器。

7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，上述步骤S2的具体过程包括：首层膜为五氧化二钛膜，之后由二氧化硅膜和五氧化二钛膜交替镀成；随着膜层数的增加，光经过的反射面增加，反射次数的增多使得光的反射率增加，通过控制镀膜层数，分别对光纤端面及膜片镀符合反射率要求层数的膜。

8.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，根据腔长的光损耗率计算出光纤端面的最佳反射率，光纤端面的最佳反射率根据下式计算：

I₁＝R*I₀

I₂＝(I₀-I₁)*(1-α)*(1-R)＝(1-R)²*(1-α)*I₀

式中，I₀为入射光光强，R为光纤端面反射率，α为FP腔的光损耗率，实验室测得为45％；I₁为光纤端面反射会光纤中的反射光光强；I₂为穿过FP腔在膜片全反射后经光纤端面透射后进入光纤中的光的光强；当I₁＝I₂时，计算出光纤端面的最佳反射率。

9.一种信号检测系统，其特征在于，该系统包括权利要求1～5任一项所述的光纤EFPI传感器、单色光光源、光环形器、光电放大器及示波器；

所述单色光光源发出的单色光经所述光环形器通过光纤传播到所述光纤EFPI传感器，在所述光纤EFPI传感器探头内的光纤端面及膜片表面分别发生两次反射，反射光通过所述光纤返回后经所述光环形器发送到所述光电放大器进行光电转换后通过所述示波器进行显示，通过两束光程不同的反射光发生干涉后的光强信息得到腔长变化，进而实现信号的检测。

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