CN113740587A - 一种vfto传感器及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种VFTO传感器及其制备方法和应用，所述VFTO传感器由微纳光纤干涉仪和液态碳酸丙烯酯通过微纳光纤的倏逝场耦合效应结合而成。本发明的VFTO传感器是一种基于液态碳酸丙烯酯和微纳光纤干涉仪高度集成的VFTO传感器，将微纳光纤强倏逝场输出特性和碳酸丙烯酯液体所特有的良好流动性、高电光效应特性结合，能够实现对纳秒量级VFTO的准确测量以及对测量结果的远程传输；传感器无任何金属部件、温度稳定性好，可长期稳定运行，具有广阔的市场前景和较高的工程实用价值。
Description
技术领域
本发明属于光纤电压传感技术领域，特别涉及一种VFTO传感器及其制备方法和应用。
背景技术
气体绝缘变电站(Gas Insulated Substation，GIS)将变电站内除变压器以外的一次设备，包括断路器、隔离开关、接地开关、电流和电压互感器、避雷器等，经优化设计组合成一体，密封于金属外壳内，充以SF6气体作为绝缘介质组成封闭式组合电器。
由于GIS结构的小型化和其中SF6气体的特殊性质，GIS中隔离开关或断路器分合空载母线时，由于开关触头断口的重复击穿，在GIS内部会产生振荡频率高达上百兆赫兹的特快速暂态过电压(Very Fast Transient Overvoltage，VFTO)。VFTO具有波前陡(上升时间在2～20ns左右)、幅值高(典型值为1.5～2.5pu)、频谱宽(50Hz～200MHz)等特点；这些特点使得VFTO会导致主绝缘击穿、引起对地短路及变压器主绝缘破坏等严重电力故障，甚至危害人们生命健康。因此，GIS隔离开关合分闸过程中产生的VFTO的精准测量，对避免VFTO引起的电力事故，保障智能电网的快速、稳定发展具有重要意义。
目前，针对VFTO测量的相关研究报道很少，常规的VFTO测量方法主要有：微积分方法、电容分压法和光学检测法。其中，前两种方法中由于存在金属结构，无法适用于强电磁干扰环境中，所以无法满足实际测量需求。光学VFTO测量方法具有抗电磁干扰能力强等技术优点，近年来得到人们的广泛关注。
目前的光学VFTO传感器主要是基于晶体的泡克斯效应而形成的，其尚存在的主要问题包括：
(1)由起偏器、检偏器、波片、准直器、电光晶体等很多光学元件组合而成，每个元件的相对位置变化都会影响传感器测量精度；
(2)光学类VFTO传感器需要引入接收天线的微结构来提升传感器灵敏度，天线和电极的引入对电场分布会产生影响，往往导致测量结果无法反应VFTO的真实情况；
(3)传感器内各元件受热光效应和热膨胀效应的影响较大，导致不同温度下的测量结果存在较大误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种VFTO传感器及其制备方法和应用，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的VFTO传感器，能够实现对纳秒量级VFTO的准确测量以及对测量结果的远程传输；温度稳定性好，可长期稳定运行。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种VFTO传感器，所述VFTO传感器由微纳光纤干涉仪和液态碳酸丙烯酯通过微纳光纤的倏逝场耦合效应结合而成。
本发明的进一步改进在于，所述微纳光纤干涉仪由掺锗二氧化硅线状微米量级光波导经过两次倏逝场耦合构成，包括环形区域、第一耦合区域和第二耦合区域；
第一耦合区域和第二耦合区域之间的掺锗二氧化硅线状微米量级光波导分别为第一干涉臂和第二干涉臂；其中，第一干涉臂置于液态碳酸丙烯酯中，第二干涉臂置于折射率低于掺锗二氧化硅折射率的固态介质中；
其中，所述掺锗二氧化硅线状微米量级光波导的长度为7cm～10cm。
本发明的进一步改进在于，所述掺锗二氧化硅线状微米量级光波导的直径为2μm～3μm。
本发明的进一步改进在于，所述掺锗二氧化硅线状微米量级光波导两端分别用于作为传感器光输入端和传感器光输出端，用于通过锥形光纤与单模光纤连接。
本发明的进一步改进在于，所述固态介质为固态透明介质。
本发明的进一步改进在于，还包括：基底；所述微纳光纤干涉仪固定设置于所述基底上。
本发明的一种VFTO传感器的制备方法，包括以下步骤：
将微纳光纤进行旋拧制备出环形区域；其中，所述微纳光纤为掺锗二氧化硅线状微米量级光波导；所述掺锗二氧化硅线状微米量级光波导的长度为7cm～10cm；
根据第一干涉臂和第二干涉臂的臂长要求以及预设的测量要求，确定第一耦合区域和第二耦合区域；
将第一干涉臂置于液态碳酸丙烯酯中，第二干涉臂置于折射率低于掺锗二氧化硅折射率的固态介质中。
本发明的进一步改进在于，所述掺锗二氧化硅线状微米量级光波导的直径为2μm～3μm。
本发明的一种VFTO传感器的应用，用于对纳秒量级快速暂态过电压进行测量的方法或装置。
本发明的一种VFTO传感器的应用，用于气体绝缘变电站中，对纳秒量级快速暂态过电压进行测量的方法或装置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明中，提供了一种基于液态碳酸丙烯酯和微纳光纤干涉仪高度集成的VFTO传感器探头，将微纳光纤强倏逝场输出特性和碳酸丙烯酯液体所特有的良好流动性、高电光效应特性结合，能够实现对纳秒量级VFTO的准确测量以及对测量结果的远程传输。本发明中，传感器无任何金属部件、温度稳定性好，可长期稳定运行，具有广阔的市场前景和较高的工程实用价值。
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，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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是本发明实施例的一种快速暂态过电压传感器结构示意图；
图2是本发明实施例中，传感器内部光传输示意图；其中，图2(a)为第一种路径示意图，图2(b)为第二种路径示意图，图2(c)为第三种路径示意图，图2(d)为第四种路径示意图；
图3是本发明实施例中，传感器的制备工艺流程示意图；其中，图3(a)为步骤1示意图，图3(b)为步骤2示意图，图3(c)为步骤3示意图，图3(d)为步骤4示意图，图3(e)为步骤5示意图，图3(f)为步骤6示意图；
图4是本发明实施例中，传感器实际用于VFTO测量所搭建的传感系统示意图；
图5是本发明实施例中，传感器对VFTO信号捕获的波形示意图；
图中，1-基底，2-微纳光纤，3-填充物，4-液态碳酸丙烯酯，5-第一耦合区域，6-第一干涉臂，7-第二干涉臂，8-第二耦合区域，9-环形区域，10-传感器光输入端，11-传感器光输出端；
12-DFB激光器，13-保偏光纤，14-传感器，15-光电探测器，16-微弱电流信号放大器，17-示波器，18-VFTO信号发生器，19-平行电极板，20-分压器，21-波形。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
请参阅图1，本发明实施例的一种VFTO传感器，所述VFTO传感器由微纳光纤干涉仪和对电场敏感的液态电光材料(碳酸丙烯酯)通过微纳光纤的倏逝场耦合效应有机结合而成。其中，微纳光纤干涉仪由长度为7cm～10cm、直径为2μm～3μm的微纳光纤2(掺锗二氧化硅线状微米量级光波导)经过两次倏逝场耦合构成，掺锗二氧化硅线状微米量级光波导两端作为传感器光输入端10和传感器光输出端11，通过锥形光纤与单模光纤连接。其中，微纳光纤2可以置于低折射率的基底1上(进一步的，基底的折射率低于微纳光纤折射率1.467)，基底1预设有预留传感区，所述预留传感区域用于放置液态碳酸丙烯酯4；进一步优选的，所述预留传感区域底部设置有填充物3。
具体的，具有传感能力的微纳光纤干涉仪，微纳光纤干涉仪具有1个环形区域9、第一耦合区域5和第二耦合区域8，其中第二干涉臂7灌封在折射率低于掺锗二氧化硅折射率的固态透明介质中，不与外界环境发生作用，第一干涉臂6可以与液体介质材料结合，敏感液态介质材料折射率的变化量。具体的，液态碳酸丙烯酯4折射率低于二氧化硅折射率，具有良好的流动性和透光性，具有良好的二次电光效应，可有效将外界被测电压信号转化为自身折射率的变化量。具体的，碳酸丙烯酯在传感器中作为将外界被测电压信号转化为自身折射率变化的敏感介质；并将碳酸丙烯酯置放于干涉仪中未被灌封的另一个干涉臂。
液态碳酸丙烯酯4和微纳光纤干涉仪高度集成的VFTO传感器探头，碳酸丙烯酯包裹干涉仪中未被灌封的干涉臂；传感器具有良好的温度稳定性，通过合理调节微纳光纤干涉仪的臂长，可实现传感器的光学传输特性不随外界环境温度改变而改变，进而使得传感器仅对被测电压敏感；干涉仪的长度小于10cm，光经过传感器所需的时间小于0.5ns，因此传感器可满足对纳秒量级VFTO的准确测量；传感器两端与单模光纤进行连接，可通过光纤对测量结果进行实时远程传输。
综上，本发明实施例的一种VFTO传感器，是一种基于微纳光纤与碳酸丙烯酯耦合结构的快速暂态过电压传感器，传感器有机结合微纳光纤强倏逝场输出特性和碳酸丙烯酯液体所特有的良好流动性、高电光效应特性，形成一种基于液态碳酸丙烯酯和微纳光纤干涉仪高度集成的VFTO传感器探头，能够实现对纳秒量级VFTO的准确测量以及对测量结果的远程传输，同时传感器无任何金属部件、温度稳定性好，可长期稳定运行。本发明实施例提供了用于气体绝缘变电站(Gas Insulated Substation，GIS)中对纳秒量级快速暂态过电压的测量装置。
请参阅图1和图2，本发明实施例所提出传感器由微纳光纤微型干涉仪和对电场敏感的液态电光材料(碳酸丙烯酯)通过微纳光纤的倏逝场耦合效应有机结合而成。传感器工作原理如图2所示。相干光从该传感器的输入端注入，在耦合区一分成两束光，分离后的两束光在耦合区二和环区的作用下被合束、反射和再次分束，最终回到耦合区一并输出。由于不同路径的光经历不同的相位延迟，因此在输出端的光是由具有不同相位延迟的光相干叠加而形成的。输出光的电场分量是由相位分别为
及
的三种不同相位电场的叠加场。光在微纳光纤中传输的相位延迟
和
取决于微纳光纤的有效折射率，而微纳光纤的有效折射率受外部环境介质(碳酸丙烯酯)的折射率影响，而碳酸丙烯酯的折射率又受被测电压的影响。因此，当被测电压发生变化时，将导致
和
产生变化，进而引起传感器传输谱的变化。因此，通过测量器件传输谱的变化可得到被测电压信息。由于光的传播速度很快，光通过传感器的时间远小于1ns，因此本传感器可用于对快速暂态过电压的测量。
本发明实施例基于微纳光纤干涉仪与碳酸丙烯酯液体耦合结构的全光纤电压传感新技术，可实现一种新型无电极式结构光学VFTO传感器。相比传统VFTO传感技术，MFI光纤电场/磁场传感技术的技术优势在于：①光路中无需起偏器、检偏器、波片、准直器、电光晶体等多种光学元件，使得传感器较之传统结构更加稳定、更加集成；②VFTO传感器无需引入金属电极式结构，克服了传统VFTO传感器中金属电极的引入导致被测电压畸变的缺陷；③通过调节微纳光纤干涉仪的结构参数，可显著提高传感器的温度稳定性，从而克服传统传感器温度稳定性差的问题。
本发明利用微纳光纤的强倏逝场输出的特性，结合碳酸丙烯酯这一液态电光介质的电光特性，实现一种新型无电极式结构VFTO传感器，这是至今尚未被发掘的全新技术。将本技术所提出的传感器，对解决目前电力生产过程GIS智能化发展的难题，保障我国智能电网的快速、稳定发展具有重要意义。
请参阅图3，本发明实施例中，传感器的制备工艺包括以下步骤：
第一步：将微纳光纤进行旋拧制备出环区；
第二步：将制备好的环区固定在低折射率基底上(折射率低于微纳光纤自身折射率1.467)；
第三步：根据干涉臂长的需要，选定耦合区的起始位置A、B点，并用低折射率硅凝胶(折射率为1.414)将此两点固定在基底上；
步骤四：根据传感器测量范围、灵敏度、温度稳定性的需要，完成耦合区的调节并固定；
第五步：在完成上述四个步骤之后、硅凝胶完全固化之前，还可以根据传输谱的变化对耦合区进行微调；
第六步：当硅凝胶完全固化后，在预留区域填充液态碳酸丙烯酯，即完成传感器的制备。
本发明实施例的一种VFTO传感器的应用，用于气体绝缘变电站中，对纳秒量级快速暂态过电压进行测量的方法或装置。
请参阅图4，本发明实施例的一种基于本发明传感器构建的VFTO传感系统，将特定波长的DFB激光器12通过保偏光纤13与本发明的传感器14的传感器光输入端10相连接，将传感器光输处端11连接至光电探测器15，光电探测器15经微弱电流信号放大器16与示波器17相连接；本发明的传感器14置于平行电极板19上，平行电极板19的两端分别连接VFTO信号发生器18和分压器20，分压器20与示波器17连接。
光电探测器和微弱电流信号放大器将由被测快速暂态过电压引起的传感器输出微弱光强变化量转换成可由示波器直接测量的电压变化量，通过读取示波器上电压随时间的变化量便可测得被测VFTO的波形21。
本发明实施例中，DFB激光器(Distributed Feedback Laser，布式反馈激光器)输出的线宽小于100kHz的C波段单色光通过干涉仪中任何一端单模光纤注入到传感器中；另一端单模光纤将微纳光纤干涉仪的输出光耦合进光电探测器中；在传感器的实际制备过程中，可以通过合理选择相应的微纳光纤直径或调节干涉臂长的方法来消除温度的交叉敏感；传感器不含任何金属材料。
请参阅图5，图5给出了本发明传感器测得的典型的VFTO时域波形。本发明传感器的技术优势在于：①光路中无需起偏器、检偏器、波片、准直器、电光晶体等多种光学元件，使得传感器较之传统结构更加稳定、更加集成；②VFTO传感器无需引入金属电极式结构，克服了传统VFTO传感器中金属电极的引入导致被测电压畸变的缺陷；③通过调节微纳光纤干涉仪的结构参数，可显著提高传感器的温度稳定性，从而克服传统传感器温度稳定性差的问题。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种VFTO传感器，其特征在于，所述VFTO传感器由微纳光纤干涉仪和液态碳酸丙烯酯(4)通过微纳光纤的倏逝场耦合效应结合而成。
2.根据权利要求1所述的一种VFTO传感器，其特征在于，所述微纳光纤干涉仪由掺锗二氧化硅线状微米量级光波导经过两次倏逝场耦合构成，包括环形区域(9)、第一耦合区域(5)和第二耦合区域(8)；
第一耦合区域(5)和第二耦合区域(8)之间的掺锗二氧化硅线状微米量级光波导分别为第一干涉臂(6)和第二干涉臂(7)；其中，第一干涉臂(6)置于液态碳酸丙烯酯(4)中，第二干涉臂(7)置于折射率低于掺锗二氧化硅折射率的固态介质中；
其中，所述掺锗二氧化硅线状微米量级光波导的长度为7cm～10cm。
3.根据权利要求2所述的一种VFTO传感器，其特征在于，所述掺锗二氧化硅线状微米量级光波导的直径为2μm～3μm。
4.根据权利要求2所述的一种VFTO传感器，其特征在于，所述掺锗二氧化硅线状微米量级光波导两端分别用于作为传感器光输入端(10)和传感器光输出端(11)，用于通过锥形光纤与单模光纤连接。
5.根据权利要求2所述的一种VFTO传感器，其特征在于，所述固态介质为固态透明介质。
6.根据权利要求2所述的一种VFTO传感器，其特征在于，还包括：基底；所述微纳光纤干涉仪固定设置于所述基底上；所述基底设置有预留传感区域，所述预留传感区域填充有所述液态碳酸丙烯酯(4)。
7.一种VFTO传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将微纳光纤进行旋拧制备出环形区域(9)；其中，所述微纳光纤为掺锗二氧化硅线状微米量级光波导；所述掺锗二氧化硅线状微米量级光波导的长度为7cm～10cm；
根据第一干涉臂(6)和第二干涉臂(7)的臂长要求以及预设的测量要求，确定第一耦合区域(5)和第二耦合区域(8)；
将第一干涉臂(6)置于液态碳酸丙烯酯(4)中，第二干涉臂(7)置于折射率低于掺锗二氧化硅折射率的固态介质中。
8.根据权利要求7所述的一种VFTO传感器的制备方法，其特征在于，所述掺锗二氧化硅线状微米量级光波导的直径为2μm～3μm。
9.一种权利要求1所述的VFTO传感器的应用，其特征在于，用于对纳秒量级快速暂态过电压进行测量的方法或装置。
10.一种权利要求1所述的VFTO传感器的应用，其特征在于，用于气体绝缘变电站中，对纳秒量级快速暂态过电压进行测量的方法或装置。
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|---|---|---|---|
| CN202111006132.1A Pending CN113740587A (zh) | 2021-08-30 | 2021-08-30 | 一种vfto传感器及其制备方法和应用 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN113740587A (zh) |
Citations (15)
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-
2021
- 2021-08-30 CN CN202111006132.1A patent/CN113740587A/zh active Pending
Patent Citations (15)
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