基于声表面波技术的变电设备综合状态监测系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于声表面波技术的变电设备综合状态监测系统，包括声学传感器及采集器，所述声学传感器安装于电力设备上并实时监测电力设备声表面波的变化数值，所述采集器采集声学传感器监测到的电力设备声表面波变化数值并传递给智能电力通信设备，所述声学传感器包括基于声表面波原理的激发式无源气体传感器。本发明应用声表面波传感器技术，提高在线监测装置可靠性和实用性。
【专利说明】基于声表面波技术的变电设备综合状态监测系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及变电设备综合状态监测系统。
【背景技术】
[0002] 为加强智能电网的建设，保障电网的安全运行，现代化的变电状态监测手段是必 不可少的环节，国内外对变电设备在线监测及带电检测技术的探索和研究已有30多年的 历史。随着电网建设的加速和市场经济的推进，我国目前成为既是全球变电设备状态在线 监测与诊断装置最大的市场，又是生产及推销这类装置最多的国家，而在研究水平上与国 外同步甚至在某些方面领先的成果还难于产业化和推广运用。
[0003] 现有的变电设备在线监测技术存在的问题主要体现在以下几个方面：（1)虽然在 线监测装置在电网内应用越来越多，但由于很多装置在技术上并不十分成熟，其运行稳定 性较差，功能也有待完善。实际应用情况表明，一些早期的监测装置存在设计不合理、原理 不准确等问题，需要综合考虑新工艺和新技术进行改进和完善，提高其稳定性和准确性，确 保传感器等重要部件的自身质量和现场测量中的可靠性，才能提高在线监测的效果。（2)部 分电网公司的统计数据表明，集中型在线监测系统不能正常使用的比率高达60%，主要原 因是装置存在质量问题如灵敏度不高、元件性能不稳定、抗干扰性能较差、抗外界因素如温 度、湿度变化能力不足，存在可靠性问题如测量数据不稳定、信息上传时而断续，起不到动 态跟踪设备运行状态的作用，甚至影响电力设备的正常运行维护。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于声表面波技术的变电设备综合状 态监测系统，提高在线监测装置可靠性和实用性。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于声表面波技术的变电设备 综合状态监测系统，包括声学传感器及采集器，所述声学传感器安装于电力设备上并实时 监测电力设备声表面波的变化数值，所述采集器采集声学传感器监测到的电力设备声表面 波变化数值并传递给智能电力通信设备，所述声学传感器包括基于声表面波原理的激发式 无源气体传感器，所述激发式无源气体传感器包括声表面波发生装置、声表面波激发装置、 探测光束发射装置以及光束强度检测装置，所述声表面波发生装置包括金属靶材和设于金 属靶材表面的气体选择性吸附膜，所述声表面波激发装置向声表面波发生装置发射激光并 在声表面波发生装置中激发出各种波型，所述探测光束发射装置向声表面波发生装置发射 探测光束，所述光束强度检测装置接收探测光束的反射光并检测探测光束的强度.
[0006] 优选的，所述金属靶材使用抛光铝材。
[0007] 优选的，所述气体选择性吸附膜采用聚苯胺薄膜。
[0008] 优选的，所述声表面波激发装置包括激光器、光束分离器以及柱面透镜，激光器激 发激光脉冲，激光脉冲通过光束分离器后被柱面透镜聚焦到声表面波发生装置上。
[0009] 优选的，所述探测光束发射装置包括半导体激光器，所述半导体激光器激发的探 测光束由聚焦透镜聚焦在声表面波发生装置表面。
[0010] 优选的，所述光束强度检测装置包括光电倍增管，探测光束的反射光由一个显微 透镜聚焦并通过光电倍增管转化为电信号。
[0011] 本发明应用声表面波传感器技术，提高在线监测装置可靠性和实用性。
[0012] 本发明的有益效果为：
[0013] (1)推动变电站智能状态监测技术进步。
[0014] 声表面波技术采用被动工作方式，有效的解决了传统在线监测装置存在的在安全 性、可靠性、稳定性等方面存在的问题。
[0015] (2)节约成本。
[0016] 基于声表面波技术的无源无线传感器与被监测设备同寿命，具有极高的可靠性和 稳定性，大大减少了系统的维护工作量，有利于节约成本。
[0017] (3)提高设备安全运行水平。
[0018] 基于声表面波技术的无源无线在线监测装置的应用既保障了在线监测装置的可 靠性和稳定性，还有利于实现一些新的更真实反映设备运行状态的特征量的监测，从而更 加及时、准确、全面掌握设备状态。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步描述：
[0020] 图1为激发式无源气体传感器的结构原理图；
[0021] 图2为激发式无源气体传感器的气体测量光路倾角变化图；
[0022] 图3为本发明的原理框图。
【具体实施方式】
[0023] 如图3所示，基于声表面波技术的变电设备综合状态监测系统，包括声学传感器 及采集器，所述声学传感器安装于电力设备上并实时监测电力设备声表面波的变化数值， 所述采集器采集声学传感器监测到的电力设备声表面波变化数值并传递给智能电力通信 设备。
[0024] 其中的声学传感器结合传统SAW气体传感器的吸附性薄膜与气体作用的原理与 激光超声检测技术，提出一种新的气体传感器。如图1和图2所示，具体包括声表面波发生 装置1、声表面波激发装置2、探测光束发射装置3以及光束强度检测装置4。其中，声表面 波发生装置1包括金属靶材和设于金属靶材表面的气体选择性吸附膜11，所述声表面波激 发装置2向声表面波发生装置发射激光并在声表面波发生装置中激发出各种波型，所述声 表面波激发装置2包括激光器21、光束分离器22以及柱面透镜23,激光器激发激光脉冲， 激光脉冲通过光束分离器后被柱面透镜聚焦到声表面波发生装置上。所述探测光束发射装 置3包括半导体激光器31，所述半导体激光器激发的探测光束由聚焦透镜32聚焦在声表面 波发生装置表面。所述光束强度检测装置4包括光电倍增管41，探测光束的反射光由一个 显微透镜44聚焦并通过光电倍增管41转化为电信号，在显微透镜44与光电倍增管41之 间设有滤光片43和光纤准直器42,探测光束的反射光经过显微透镜44聚焦后再经过滤光 片和光纤准直器42进入光电倍增管41，光电倍增管41连接示波器45,通过示波器45对检 测结果进行显示。
[0025] 采用激光在覆有吸附性薄膜的金属表面激发声表面波，用单芯光纤耦合的反射式 光束偏转法在薄膜处对所激发声表面波进行探测，进而准确检测出气体的浓度。此气体传 感器的优点在于采用光学方法来检测由激光激发的声脉冲，不仅非接触，而且也为气体监 测提供了一种新的途径。
[0026] 在本SAW气体传感器中，在利用单芯光纤探测光束的偏转来反映声表面波信息 夕卜，关键的部分在于在靶材的中间位置覆了一层很薄的气体选择性吸附膜，该膜只对所需 敏感的气体有吸附作用。本SAW气体传感器输出的可靠性在很大程度上取决于敏感膜的稳 定性。
[0027] 吸附敏感膜具有可逆性和高稳定性，可逆性指的是敏感膜对气体既有吸附作用， 又有解吸作用，当待测的气体浓度升高时，薄膜所吸收的气体量随之增加；当浓度降低时， 薄膜还应该能够解吸待测气体。吸附过程和解吸过程是严格互逆的。这也是此气体传感 器正常可靠工作的前提。它的敏感机理随气敏薄膜的种类不同而不同，当薄膜用各向同性 绝缘材料时，它对气体的吸附作用转变为覆盖层密度的变化，于是SAW传播路径上的质量 负载效应使得SAW波速发生变化。从而引起材料表面倾角的变化，表面倾角改变，光通量也 会产生相应的变化，从而得到新的交流电信号，通过检测可得表面倾角改变的大小，进而定 量分析检测出被检测气体的浓度。
[0028] 其所应用的检测原理为：
[0029] 当激光脉冲在靶材表面传播时，会产生微小的表面形变，近似认为光束发生镜面 反射。设表面形变的倾斜角为e，那么，光束反射时偏移原路径的角度即为2 0相应的，反 射光束经显微透镜聚焦后形成光斑偏移的距离可以表示为：
【权利要求】
1. 基于声表面波技术的变电设备综合状态监测系统，其特征在于：包括声学传感器及 采集器，所述声学传感器安装于电力设备上并实时监测电力设备声表面波的变化数值，所 述采集器采集声学传感器监测到的电力设备声表面波变化数值并传递给智能电力通信设 备，所述声学传感器包括基于声表面波原理的激发式无源气体传感器，所述激发式无源气 体传感器包括声表面波发生装置、声表面波激发装置、探测光束发射装置以及光束强度检 测装置，所述声表面波发生装置包括金属靶材和设于金属靶材表面的气体选择性吸附膜， 所述声表面波激发装置向声表面波发生装置发射激光并在声表面波发生装置中激发出各 种波型，所述探测光束发射装置向声表面波发生装置发射探测光束，所述光束强度检测装 置接收探测光束的反射光并检测探测光束的强度。
2. 根据权利要求1所述的基于声表面波技术的变电设备综合状态监测系统，其特征在 于：所述金属靶材使用抛光铝材。
3. 根据权利要求1所述的基于声表面波技术的变电设备综合状态监测系统，其特征在 于：所述气体选择性吸附膜采用聚苯胺薄膜。
4. 根据权利要求1所述的基于声表面波技术的变电设备综合状态监测系统，其特征在 于：所述声表面波激发装置包括激光器、光束分离器以及柱面透镜，激光器激发激光脉冲， 激光脉冲通过光束分离器后被柱面透镜聚焦到声表面波发生装置上。
5. 根据权利要求1所述的基于声表面波技术的变电设备综合状态监测系统，其特征在 于：所述探测光束发射装置包括半导体激光器，所述半导体激光器激发的探测光束由聚焦 透镜聚焦在声表面波发生装置表面。
6. 根据权利要求1所述的基于声表面波技术的变电设备综合状态监测系统，其特征在 于：所述光束强度检测装置包括光电倍增管，探测光束的反射光由一个显微透镜聚焦并通 过光电倍增管转化为电信号。
【文档编号】G01N29/02GK104458903SQ201410677653
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月21日 优先权日:2014年11月21日
【发明者】章义军, 金国亮, 高久国, 丁海华, 郑城, 周俊杰, 何锋, 何寅 申请人:国家电网公司, 国网浙江省电力公司湖州供电公司, 国网浙江安吉县供电公司