一种用于变压器油中溶解氢气检测的微纳光纤传感器的制作方法

本发明属于气体传感技术领域，特别涉及了一种用于变压器油中溶解氢气检测的微纳光纤传感器。

背景技术：

油浸式电力变压器在运行过程中由于受到热、电和机械方面力的长期作用而逐渐老化，产生氢、乙炔、甲烷、乙烷、乙烯、二氧化碳、一氧化碳等多种小分子可燃性气体，变压器内部油纸绝缘的故障类型及严重程度对可燃性气体生成的种类、组分及产气速率均有关联。其中，在潜伏故障阶段，变压器内部的低能放电故障(局部放电)主要引发绝缘油中c-h化学键的断裂，裂解出的氢原子有会复合成氢分子，游离并溶解于绝缘油中。因此，可以通过监测变压器油中溶解的氢气来判断潜伏性故障的发生与否或相关故障的严重程度。

当变压器存在潜伏性故障时，其气体产生量和气体产生速率将逐渐明显，人们通常抽取变压器油样使用气相色谱方法获得油中溶解的特征气体浓度后，就可以对变压器的故障情况进行分析。通常情况下，油中溶解气体检测时首先需将溶解气体通过振荡或脱气方法将小分子气体从溶解态解析出来，然后利用气相色谱、气体传感器等方式检测气体浓度，进而得到油中溶解气体的浓度值。油气分离装置非常复杂，部分分离技术的耗时也较长，并且油气分离的程度对检测结果产生直接的影响，易造成检测误差。

由于光纤传感器具有本质安全的优势，所以具有替代传统电子式传感器的潜质。另外，光纤氢气传感器在抗电磁干扰、耐高温、重量轻、体积小、灵敏度高等方面也具有优势，因此国内外对光纤氢气传感研究非常重视，根据不同的传感原理和传感结构可以分为：

(1)光强型氢气传感器

利用氢敏薄膜在与氢气接触时形成氢化物，使得对光的吸收率发生变化，对应的输出端光功率也会发生变动，通过观测输入和输出端的光功率可计算得到氢气的浓度。这种原理的氢气传感器制作工艺较为简洁，传感结构非常简单，对氢气的浓度检测范围比较宽，但探测精度易受光源和氢敏薄膜的影响，响应速度较慢。

一般来说，光强型的光纤氢气传感器的响应速度较慢，大部分超过了一分钟，不利于氢气的实时监测，因为时效性偏弱。同时，光强检测原理的光纤传感器易受到光源稳定性、光路拓扑、环境因素(振动、温度变化)等影响。

(2)干涉型氢气传感器

干涉型光纤氢气传感器是利用双光路或多光束的干涉产生高分辨率的干涉峰来完成检测，由于氢敏材料与氢气发生物理化学作用时，氢敏材料的体积膨胀对干涉光路的光程差造成影响，从而可以建立干涉光谱偏移量与待测氢气浓度的关系，实现对氢气浓度的传感。干涉型氢气传感器在检测灵敏度和传感响应速度方面具有优势，但是构建干涉条纹结构复杂，工艺要求比较高，抗干扰能力较差，尤其是对振动敏感，因此长期可靠性难以保障。

(3)光纤光栅氢气传感器

光纤光栅氢气传感器基于光纤光栅对应变、温度等参量敏感的原理进行传感，利用曝光的方式在光纤纤芯上刻写光栅(有长周期光栅、布喇格光栅两种)，在光纤包层外镀氢敏薄膜，当氢敏薄膜与环境中的氢气发生物理化学作用时，氢敏薄膜有体积膨胀，栅区会随之发生应变，光栅的周期就会改变，使得透射或反射的中心波长偏移，建立中心波长偏移量与待测氢气浓度的量化关系，获得氢气的浓度值。光纤光栅氢气传感器体积小巧，灵敏度和重复性较好，在一些场合和领域较为实用，但考虑到光栅周期受到应变和温度的双重影响，从而存在温度的交叉敏感问题。

除了光纤光栅型在油浸式电力变压器中有了初步简单应用外，其它类型的光学传感器尚未在电力变压器中有应用。

技术实现要素：

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种用于变压器油中溶解氢气检测的微纳光纤传感器，克服传统光纤氢气传感器存在的不足，提升光纤氢气传感器在抗振动、响应速度方面的性能。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种用于变压器油中溶解氢气检测的微纳光纤传感器，包括激光发射器、微纳光纤、光电探测器和控制模块，微纳光纤置于待测变压器油中，微纳光纤的表面覆盖有氢敏薄膜，激光发射器的输出端通过连接光纤与微纳光纤的输入端相连，光电探测器的输入端通过连接光纤与微纳光纤的输出端相连，激光发射器的控制端和光电探测器的输出端分别与控制模块电气连接，控制模块控制激光发射器的发射参数，并根据光电探测器输出的功率信号计算氢气浓度。

基于上述技术方案的优选方案，微纳光纤上设有腰区，该腰区的直径小于微纳光纤其他区域的直径，且氢敏薄膜覆盖在腰区处。

基于上述技术方案的优选方案，激光发射器发出的激光的中心波长小于等于微纳光纤腰区的直径。

基于上述技术方案的优选方案，微纳光纤的腰区通过加热拉锥、飞秒脉冲加工、化学腐蚀或者机械抛磨工艺来形成。

基于上述技术方案的优选方案，所述氢敏薄膜的材质为金属钯或者钯的合金。

基于上述技术方案的优选方案，所述钯的合金为钯银合金、钯金合金、钯钨合金或者钯镍合金。

基于上述技术方案的优选方案，所述控制模块包括主控制器以及分别与之连接的放大器、数据存储器和光驱动器，放大器的输入端连接光电传感器的输出端，光驱动器的输出端连接激光发射器的控制端；放大器将光电探测器输出的功率信号放大后传输给主控制器，主控制器根据功率信号计算出氢气浓度，并输入数据存储模块进行保存。

基于上述技术方案的优选方案，激光发射器发出的激光的中心波长位于中红外波段或近红外波段。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本发明克服了传统光纤氢气传感易受振动、温度等影响的不足，可服务于变压器油中溶解氢气传感等工业场合，具有良好的应用前景。

具体而言，应用于油浸式电力变压器油中溶解氢气检测时，具有如下优点：

(1)免油气分离：微纳光纤具有良好的绝缘性能，可以直接内置于变压器油中，无需油气分离环节，直接对油中溶解的氢气进行准确感知。

(2)响应速度快：由于微纳光纤倏逝场分布非常敏感，光纤表面涂覆的氢敏薄膜非常薄，与氢气作用非常迅速，有利于实现传感器的实时传感。该传感器对氢气的响应时间大概在10s左右，比相同氢敏材料其它光纤氢气传感器快3倍以上，更比相同电子式氢气传感器快10倍以上；

(3)抗振好：微纳光纤氢气传感器避免了光路干涉和准直，只需稍加封装和支撑，保证了该传感器的抗振动性能；

(4)操作简便：微纳光纤氢气传感器直接在光纤连接器上接入光纤即可，操作简便，并对不同波长的激光或光源具有良好的通用性；

(5)干扰误差低：微纳光纤氢气传感器能够适用于不同温度、压强和振动环境的应用，削弱了受环境参数的影响，还通过波长调制的方式避免了干扰噪声，进一步减小测量误差。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明中微纳光纤的结构示意图；

图3是实施例中锥形微纳光纤的示意图；

图4是实施例中光功率与氢气浓度的变化趋势图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

一种用于变压器油中溶解氢气检测的微纳光纤传感器，如图1所示，包括激光发射器、微纳光纤、光电探测器和控制模块。微纳光纤置于待测变压器油中。激光发射器的输出端通过连接光纤与微纳光纤的输入端相连，光电探测器的输入端通过连接光纤与微纳光纤的输出端相连，激光发射器的控制端和光电探测器的输出端分别与控制模块电气连接，控制模块控制激光发射器的发射参数，并根据光电探测器输出的功率信号计算氢气浓度。

如图2所示，微纳光纤上设有腰区，该腰区的直径小于微纳光纤其他区域的直径，且在腰区处覆盖了氢敏薄膜。激光发射器发出的激光的中心波长小于等于微纳光纤腰区的直径。

氢敏薄膜的材质为金属钯或者钯的合金，包括钯银合金、钯金合金、钯钨合金或者钯镍合金。微纳光纤的腰区通过加热拉锥、飞秒脉冲加工、化学腐蚀或者机械抛磨工艺来形成。

如图1所示，控制模块包括主控制器以及分别与之连接的放大器、数据存储器和光驱动器。放大器为锁相放大器，用于调节光电探测器的增益。光驱动器为可调谐半导体激光器提供电流驱动，为周期性锯齿形电流。主控制器根据光电探测器输出的功率信号计算出氢气浓度，并输入数据存储模块进行保存。

本发明的工作原理为，微纳光纤的表面有较强的倏逝场分布，当涂覆或溅射在微纳光纤表面的氢敏薄膜与环境中的氢气发生物理化学反应时，氢敏薄膜的折射率参数会发生变化，影响着倏逝场的分布，改变了透射的光功率，再根据透射的光功率和待测氢气浓度的对应关系，测出氢气浓度。

在本实施例中，采用如图3所示的微纳光纤，即锥形微纳光纤，其具体参数如下：

光源：输出波长λ为1510nm；最大输出功率3mw。

测试环境：常温常压。

锥形微纳光纤：单模光纤加热拉锥方法制备，单模光纤直径ρ0为125μm，腰区长度l0为2mm，腰区直径ρ为1600nm，钯膜厚度t为10nm。

将该传感器置于电力变压器油中，油中溶解氢浓度影响到光纤表面的氢敏钯膜的吸氢量和钯膜中氢化物的含量，进而影响到氢敏薄膜的折射率，改变了光纤表面倏逝场的分布，进而影响了光功率的输出。光功率与氢气浓度的变化趋势如图4所示，可知当输入光功率不变时，输出光功率越小，表明油中的氢气浓度越低。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。