本發(fā)明屬于氣體傳感技術領域，特別涉及了一種用于變壓器油中溶解氫氣檢測的微納光纖傳感器。

背景技術：

油浸式電力變壓器在運行過程中由于受到熱、電和機械方面力的長期作用而逐漸老化，產生氫、乙炔、甲烷、乙烷、乙烯、二氧化碳、一氧化碳等多種小分子可燃性氣體，變壓器內部油紙絕緣的故障類型及嚴重程度對可燃性氣體生成的種類、組分及產氣速率均有關聯(lián)。其中，在潛伏故障階段，變壓器內部的低能放電故障(局部放電)主要引發(fā)絕緣油中c-h化學鍵的斷裂，裂解出的氫原子有會復合成氫分子，游離并溶解于絕緣油中。因此，可以通過監(jiān)測變壓器油中溶解的氫氣來判斷潛伏性故障的發(fā)生與否或相關故障的嚴重程度。

當變壓器存在潛伏性故障時，其氣體產生量和氣體產生速率將逐漸明顯，人們通常抽取變壓器油樣使用氣相色譜方法獲得油中溶解的特征氣體濃度后，就可以對變壓器的故障情況進行分析。通常情況下，油中溶解氣體檢測時首先需將溶解氣體通過振蕩或脫氣方法將小分子氣體從溶解態(tài)解析出來，然后利用氣相色譜、氣體傳感器等方式檢測氣體濃度，進而得到油中溶解氣體的濃度值。油氣分離裝置非常復雜，部分分離技術的耗時也較長，并且油氣分離的程度對檢測結果產生直接的影響，易造成檢測誤差。

由于光纖傳感器具有本質安全的優(yōu)勢，所以具有替代傳統(tǒng)電子式傳感器的潛質。另外，光纖氫氣傳感器在抗電磁干擾、耐高溫、重量輕、體積小、靈敏度高等方面也具有優(yōu)勢，因此國內外對光纖氫氣傳感研究非常重視，根據不同的傳感原理和傳感結構可以分為：

(1)光強型氫氣傳感器

利用氫敏薄膜在與氫氣接觸時形成氫化物，使得對光的吸收率發(fā)生變化，對應的輸出端光功率也會發(fā)生變動，通過觀測輸入和輸出端的光功率可計算得到氫氣的濃度。這種原理的氫氣傳感器制作工藝較為簡潔，傳感結構非常簡單，對氫氣的濃度檢測范圍比較寬，但探測精度易受光源和氫敏薄膜的影響，響應速度較慢。

一般來說，光強型的光纖氫氣傳感器的響應速度較慢，大部分超過了一分鐘，不利于氫氣的實時監(jiān)測，因為時效性偏弱。同時，光強檢測原理的光纖傳感器易受到光源穩(wěn)定性、光路拓撲、環(huán)境因素(振動、溫度變化)等影響。

(2)干涉型氫氣傳感器

干涉型光纖氫氣傳感器是利用雙光路或多光束的干涉產生高分辨率的干涉峰來完成檢測，由于氫敏材料與氫氣發(fā)生物理化學作用時，氫敏材料的體積膨脹對干涉光路的光程差造成影響，從而可以建立干涉光譜偏移量與待測氫氣濃度的關系，實現對氫氣濃度的傳感。干涉型氫氣傳感器在檢測靈敏度和傳感響應速度方面具有優(yōu)勢，但是構建干涉條紋結構復雜，工藝要求比較高，抗干擾能力較差，尤其是對振動敏感，因此長期可靠性難以保障。

(3)光纖光柵氫氣傳感器

光纖光柵氫氣傳感器基于光纖光柵對應變、溫度等參量敏感的原理進行傳感，利用曝光的方式在光纖纖芯上刻寫光柵(有長周期光柵、布喇格光柵兩種)，在光纖包層外鍍氫敏薄膜，當氫敏薄膜與環(huán)境中的氫氣發(fā)生物理化學作用時，氫敏薄膜有體積膨脹，柵區(qū)會隨之發(fā)生應變，光柵的周期就會改變，使得透射或反射的中心波長偏移，建立中心波長偏移量與待測氫氣濃度的量化關系，獲得氫氣的濃度值。光纖光柵氫氣傳感器體積小巧，靈敏度和重復性較好，在一些場合和領域較為實用，但考慮到光柵周期受到應變和溫度的雙重影響，從而存在溫度的交叉敏感問題。

除了光纖光柵型在油浸式電力變壓器中有了初步簡單應用外，其它類型的光學傳感器尚未在電力變壓器中有應用。

技術實現要素：

為了解決上述背景技術提出的技術問題，本發(fā)明旨在提供一種用于變壓器油中溶解氫氣檢測的微納光纖傳感器，克服傳統(tǒng)光纖氫氣傳感器存在的不足，提升光纖氫氣傳感器在抗振動、響應速度方面的性能。

為了實現上述技術目的，本發(fā)明的技術方案為：

一種用于變壓器油中溶解氫氣檢測的微納光纖傳感器，包括激光發(fā)射器、微納光纖、光電探測器和控制模塊，微納光纖置于待測變壓器油中，微納光纖的表面覆蓋有氫敏薄膜，激光發(fā)射器的輸出端通過連接光纖與微納光纖的輸入端相連，光電探測器的輸入端通過連接光纖與微納光纖的輸出端相連，激光發(fā)射器的控制端和光電探測器的輸出端分別與控制模塊電氣連接，控制模塊控制激光發(fā)射器的發(fā)射參數，并根據光電探測器輸出的功率信號計算氫氣濃度。

基于上述技術方案的優(yōu)選方案，微納光纖上設有腰區(qū)，該腰區(qū)的直徑小于微納光纖其他區(qū)域的直徑，且氫敏薄膜覆蓋在腰區(qū)處。

基于上述技術方案的優(yōu)選方案，激光發(fā)射器發(fā)出的激光的中心波長小于等于微納光纖腰區(qū)的直徑。

基于上述技術方案的優(yōu)選方案，微納光纖的腰區(qū)通過加熱拉錐、飛秒脈沖加工、化學腐蝕或者機械拋磨工藝來形成。

基于上述技術方案的優(yōu)選方案，所述氫敏薄膜的材質為金屬鈀或者鈀的合金。

基于上述技術方案的優(yōu)選方案，所述鈀的合金為鈀銀合金、鈀金合金、鈀鎢合金或者鈀鎳合金。

基于上述技術方案的優(yōu)選方案，所述控制模塊包括主控制器以及分別與之連接的放大器、數據存儲器和光驅動器，放大器的輸入端連接光電傳感器的輸出端，光驅動器的輸出端連接激光發(fā)射器的控制端；放大器將光電探測器輸出的功率信號放大后傳輸給主控制器，主控制器根據功率信號計算出氫氣濃度，并輸入數據存儲模塊進行保存。

基于上述技術方案的優(yōu)選方案，激光發(fā)射器發(fā)出的激光的中心波長位于中紅外波段或近紅外波段。

采用上述技術方案帶來的有益效果：

本發(fā)明克服了傳統(tǒng)光纖氫氣傳感易受振動、溫度等影響的不足，可服務于變壓器油中溶解氫氣傳感等工業(yè)場合，具有良好的應用前景。

具體而言，應用于油浸式電力變壓器油中溶解氫氣檢測時，具有如下優(yōu)點：

(1)免油氣分離：微納光纖具有良好的絕緣性能，可以直接內置于變壓器油中，無需油氣分離環(huán)節(jié)，直接對油中溶解的氫氣進行準確感知。

(2)響應速度快：由于微納光纖倏逝場分布非常敏感，光纖表面涂覆的氫敏薄膜非常薄，與氫氣作用非常迅速，有利于實現傳感器的實時傳感。該傳感器對氫氣的響應時間大概在10s左右，比相同氫敏材料其它光纖氫氣傳感器快3倍以上，更比相同電子式氫氣傳感器快10倍以上；

(3)抗振好：微納光纖氫氣傳感器避免了光路干涉和準直，只需稍加封裝和支撐，保證了該傳感器的抗振動性能；

(4)操作簡便：微納光纖氫氣傳感器直接在光纖連接器上接入光纖即可，操作簡便，并對不同波長的激光或光源具有良好的通用性；

(5)干擾誤差低：微納光纖氫氣傳感器能夠適用于不同溫度、壓強和振動環(huán)境的應用，削弱了受環(huán)境參數的影響，還通過波長調制的方式避免了干擾噪聲，進一步減小測量誤差。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結構框圖；

圖2是本發(fā)明中微納光纖的結構示意圖；

圖3是實施例中錐形微納光纖的示意圖；

圖4是實施例中光功率與氫氣濃度的變化趨勢圖。

具體實施方式

以下將結合附圖，對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明。

一種用于變壓器油中溶解氫氣檢測的微納光纖傳感器，如圖1所示，包括激光發(fā)射器、微納光纖、光電探測器和控制模塊。微納光纖置于待測變壓器油中。激光發(fā)射器的輸出端通過連接光纖與微納光纖的輸入端相連，光電探測器的輸入端通過連接光纖與微納光纖的輸出端相連，激光發(fā)射器的控制端和光電探測器的輸出端分別與控制模塊電氣連接，控制模塊控制激光發(fā)射器的發(fā)射參數，并根據光電探測器輸出的功率信號計算氫氣濃度。

如圖2所示，微納光纖上設有腰區(qū)，該腰區(qū)的直徑小于微納光纖其他區(qū)域的直徑，且在腰區(qū)處覆蓋了氫敏薄膜。激光發(fā)射器發(fā)出的激光的中心波長小于等于微納光纖腰區(qū)的直徑。

氫敏薄膜的材質為金屬鈀或者鈀的合金，包括鈀銀合金、鈀金合金、鈀鎢合金或者鈀鎳合金。微納光纖的腰區(qū)通過加熱拉錐、飛秒脈沖加工、化學腐蝕或者機械拋磨工藝來形成。

如圖1所示，控制模塊包括主控制器以及分別與之連接的放大器、數據存儲器和光驅動器。放大器為鎖相放大器，用于調節(jié)光電探測器的增益。光驅動器為可調諧半導體激光器提供電流驅動，為周期性鋸齒形電流。主控制器根據光電探測器輸出的功率信號計算出氫氣濃度，并輸入數據存儲模塊進行保存。

本發(fā)明的工作原理為，微納光纖的表面有較強的倏逝場分布，當涂覆或濺射在微納光纖表面的氫敏薄膜與環(huán)境中的氫氣發(fā)生物理化學反應時，氫敏薄膜的折射率參數會發(fā)生變化，影響著倏逝場的分布，改變了透射的光功率，再根據透射的光功率和待測氫氣濃度的對應關系，測出氫氣濃度。

在本實施例中，采用如圖3所示的微納光纖，即錐形微納光纖，其具體參數如下：

光源：輸出波長λ為1510nm；最大輸出功率3mw。

測試環(huán)境：常溫常壓。

錐形微納光纖：單模光纖加熱拉錐方法制備，單模光纖直徑ρ0為125μm，腰區(qū)長度l0為2mm，腰區(qū)直徑ρ為1600nm，鈀膜厚度t為10nm。

將該傳感器置于電力變壓器油中，油中溶解氫濃度影響到光纖表面的氫敏鈀膜的吸氫量和鈀膜中氫化物的含量，進而影響到氫敏薄膜的折射率，改變了光纖表面倏逝場的分布，進而影響了光功率的輸出。光功率與氫氣濃度的變化趨勢如圖4所示，可知當輸入光功率不變時，輸出光功率越小，表明油中的氫氣濃度越低。

實施例僅為說明本發(fā)明的技術思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內。