一种基于光纤FP谐振腔的变压器油中故障气体原位在线监测装置的制作方法

本发明属于电力设备绝缘在线监测与故障诊断领域，具体涉及一种基于光纤fp谐振腔的变压器油中故障气体在线监测装置。

背景技术：

大型油浸式电力变压器是电力系统的核心部件，其安全稳定运行直接影响电网的安全可靠。运行电力变压器在发生故障及老化过程中，其油纸绝缘系统会发生裂解并产生各种反映故障类型和老化程度的特征气体(如h2、co、co2、ch4、c2h6、c2h4、c2h2等)，这些特征气体溶解于绝缘油中。准确检测变压器油中溶解故障及老化程度的特征气体是实现其早期潜伏性故障诊断的关键。

目前常用的气相色谱法、质谱法、化学传感器法、红外吸收光谱法和光声光谱法等气体检测方法存在色谱柱易老化、混合气体交叉敏感、稳定性低等问题，且无法实现油中气体原位检测，不能满足电气设备长期稳定在线监测需求。拉曼光谱法利用单一波长激光同时实现混合气体直接检测，无需组分分离，抗老化能力强，且不消耗、不损坏样品，选择性和灵敏度高。但受限于极低的气体拉曼散射强度，导致气体最小检测浓度不能满足实际需求。提高激光功率和拉曼散射光收集效率，可有效提高气体拉曼散射强度。因此，研究一种用于提高激光功率和拉曼散射光收集效率的方法及装置，同时能够实现油中气体原位检测，对提升电力变压器故障及老化状态在线监测水平，提高电网运行安全、稳定与可靠性具有重大实际意义。

技术实现要素：

鉴于此，本发明针对现有技术难以实现变压器油中溶解气体原位检测的现状，提出一种基于光纤fp谐振腔的变压器油中故障气体原位在线监测装置，基于表面钻孔的空芯光子带隙光纤，实现特征气体在变压器油中的原位检测，并提高拉曼散射有效收集角度，大幅增强拉曼散射信号强度；基于光纤fp谐振腔，提高光纤内部激光功率，进一步提高拉曼散射信号强度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种基于光纤fp谐振腔的变压器油中故障气体原位在线监测装置，其特征在于：该装置包括激光单元、光纤耦合单元、光纤fp谐振腔、空间滤波单元以及光谱采集单元；

所述激光单元用于提供检测所需光源；

所述光纤耦合单元用于实现激光耦合进入光纤fp谐振腔并提高耦合效率；

所述光纤fp谐振腔用于实现变压器油中故障气体的原位拉曼检测，并提高拉曼信号强度，其包括两段光纤光栅及一段空芯光子带隙光纤；其中，两段光纤光栅熔接于空芯光子带隙光纤两端；空芯光子带隙光纤为以空气孔作为纤芯的光纤，且光纤表面利用飞秒激光器实现纳米级钻孔，孔洞从光纤表面延伸至纤芯；所述空芯光子带隙光纤置于变压器油中，拉曼信号由所述光纤fp谐振腔首端输出；

拉曼信号进入所述空间滤波单元后实现空间滤波，提高拉曼信号的信噪比，而后拉曼信号进入所述信号采集单元；

所述信号采集单元用于拉曼信号的采集与检测，包括透镜c、透镜位移装置、光谱仪与ccd。

进一步地，所述光纤耦合单元包括耦合器、耦合器调节装置、光纤固定装置、位移平台、光电探测器。

进一步地，所述耦合器为显微物镜。

进一步地，所述耦合器调节装置为可调镜架。

进一步地，所述光纤固定装置用于夹持光纤谐振腔首端的装置。

进一步地，所述光电探测器用于检测光纤fp谐振腔尾端出射激光的功率，用于反映激光的耦合效率。

进一步地，所述激光单元包含激光器、激光扩束器、滤镜a。

进一步地，所述激光器为固态激光器，输出波长为532nm，功率1.5w，光斑直径1.5mm。

进一步地，所述激光扩束器放大倍率为4倍。

进一步地，所述滤镜a为对45°入射光截止波长为533nm的高通滤镜。

进一步地，所述光纤耦合单元包括耦合器、耦合器调节装置、光纤固定装置、位移平台、光电探测器。

进一步地，所述耦合器为显微物镜，放大倍率为50倍；耦合器调节装置为5轴可调镜架。

进一步地，所述两段光纤光栅高效反射532nm激光。

进一步地，所述空芯光子带隙光纤表面孔洞直径大于气体分子直径且小于变压器油分子直径。

进一步地，所述孔洞直径≤0.7nm，钻孔方式为在光纤侧面钻一排空气孔，形状为圆形，其钻孔间距为0.01mm，钻孔个数为40-60个。

进一步地，所述空芯光子带隙光纤长度为20cm。

进一步地，所述空间滤波单元包括透镜a、透镜b及针孔。

进一步地，所述透镜a焦距为25.4mm；所述透镜b焦距为3.1mm；所述针孔直径为50μm。

进一步地，所述透镜c焦距为50.8mm，并安装在3轴可调的透镜位移装置上。

进一步地，所述透镜a、透镜b、透镜c均为平凸透镜。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明能实现变压器油中溶解气体的原位检测，并通过光纤fp谐振腔增强拉曼散射收集角度与激光功率，提高拉曼光谱散射信号的强度。本发明能较好地应用于变压器油中溶解气体检测领域。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为基于光纤fp谐振腔的变压器油中故障气体原位在线监测装置示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1所示为基于光纤fp谐振腔的变压器油中故障气体原位在线监测装置示意图，该装置包括激光单元、光纤耦合单元、光纤fp谐振腔、空间滤波单元、光谱采集单元等。

所述激光单元包括激光器、激光扩束器、滤镜a，用于提供检测所需光源。激光器为固态激光器，功率为1.5w；激光器发出波长为532nm，光斑直径为1.5mm的激光，经4倍放大倍率的激光扩束器后扩大为直径6mm，以提高激光耦合进入光纤fp谐振腔的效率。所述滤镜a为对45°入射光截止波长为533nm的高通滤镜，波长大于533nm的光可实现高效透射，波长小于533nm的光可实现高效反射。扩束后的激光经滤镜a反射后，进入光纤耦合单元。

所述光纤耦合单元包括耦合器、耦合器调节装置、光纤固定装置、位移平台、光电探测器，用于实现激光耦合进入光纤fp谐振腔并提高耦合效率。其中所述耦合器为放大倍率为50倍的显微物镜，用于将激光耦合进入光纤谐振腔；耦合器安装于耦合器调节装置中，其中耦合器调节装置为5轴可调镜架，用于调整耦合器与入射激光的相对位置及相对角度，以提高耦合效率；光纤固定装置为特殊设计用于夹持谐振腔首端的装置，并放置在位移平台上方；位移平台为3轴可调位移器，调节精度为500nm，用于调节光纤fp谐振腔首端与耦合器出射激光的相对位置，以提高耦合效率；光电探测器用于检测光纤fp谐振腔尾端出射激光的功率，用于反映激光的耦合效率。开始检测时，需精确调节耦合器调节装置与位移平台，使耦合效率最大化，之后将耦合器调节装置与位移平台锁死，防止外界振动等因素对耦合效率的影响。通过激光单元发出的激光经过光纤耦合单元便可高效进入光纤fp谐振腔。

所述光纤fp谐振腔包括两段光纤光栅及一段空芯光子带隙光纤，用于实现变压器油中溶解气体的原位拉曼检测，并提高拉曼散射信号强度。其中两段光纤光栅可以高效反射532nm激光，并熔接于空芯光子带隙光纤两端；所述空芯光子带隙光纤为以空气孔作为纤芯的光纤，长度20cm，且光纤表面利用飞秒激光器实现纳米级钻孔。孔洞从光纤表面延伸至纤芯，孔洞直径大于气体分子直径且小于变压器油分子直径。该纳米级孔洞直径≤0.7nm，钻孔方式为在光纤侧面钻一排空气孔，形状为圆形，其钻孔间距为0.01mm，钻孔个数为40-60个，钻孔个数不宜太多或太少。

检测时，将所述光纤fp谐振腔中的空芯光子带隙光纤部分置于变压器油中，油中溶解的气体分子可以沿空芯光子带隙光纤表面的纳米级孔洞进入其空气纤芯，并将空芯光子带隙光纤纤芯作为拉曼检测的气室，而直径较大的油分子无法穿过表面的纳米级孔洞。本装置在光纤内部产生拉曼效应，且散射光由光纤传导，其对拉曼散射光的有效收集角度远大于传统收集方式，可大幅增加收集到的拉曼信号。此外，激光进入光纤fp谐振腔后，可在熔接于空芯光子带隙光纤两端的光纤光栅中多次反射并形成谐振，增强空芯光子带隙光纤内部的激光强度，进一步增强光纤内部的拉曼散射信号。空芯光子带隙光纤可高效传导其内部的拉曼散射光，且沿背向，从光纤fp谐振腔首端输出。

光纤fp谐振腔首端输出的信号反向经过所述耦合器后传输至滤镜a，滤镜a可以高效透射拉曼散射光(波长大于533nm)，并有效滤除瑞利散射光(波长小于533nm)。经滤镜a滤除瑞利散射光后，拉曼散射光传输至滤镜b，进一步滤除瑞利散射，之后进入空间滤波单元。滤镜b是对0°入射光截止波长为533nm的高通滤镜。

所述空间滤波单元包含两块透镜及针孔，两块透镜分别为透镜a、透镜b；用于实现空间滤波，提高拉曼散射信号的信噪比。其中透镜a焦距为25.4mm，用于光束聚焦并穿过针孔，即为聚焦透镜；透镜b焦距为3.1mm，用于光束准直，即为准直透镜；针孔直径为50μm，安装于2轴可调平移调整架中。开始检测时，需通过2轴可调镜架精确调节针孔位置，使通过透镜a聚焦后的拉曼散射光高效穿过针孔。空间滤波之后拉曼散射信号传输至信号采集单元。

所述信号采集单元包含透镜c、透镜位移装置、光谱仪与ccd，用于拉曼信号的采集与检测。其中透镜c焦距为50.8mm，安装在3轴可调的透镜位移装置上。透镜位移装置用于精确调节经透镜c聚焦后的拉曼散射光与光谱仪狭缝之间的相对位置，使拉曼散射光高效进入光谱仪，并传输至ccd进行光谱检测。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。