基于二氧化钛和琼脂糖复合膜的光纤传感器及检测方法

1.本发明涉及光纤传感技术领域，尤其是涉及基于二氧化钛和琼脂糖复合膜的光纤传感器及检测方法。


背景技术：

2.箱式变电站放置有低压器、变压器、电缆等关键设备，若因漏水事故影响到电力设备，则将导致设备短路，造成区域性电力无法正常运转，进而导致高额的经济损失，甚至引发一系列严重的安全事故，威胁人们的生命安全。箱式变电站正常运行时，伴随有电气噪声和强磁场环境的产生，其内部工作环境较为恶劣，因此利用现有的传统漏水检测传感器对其进行漏水检测极为困难。
3.与传统的传感器相比，光纤传感器具有抗电磁干扰、电绝缘、本质安全的优势，在箱式变电站具备广阔的应用前景。但是现有的检测漏水的光纤传感器若在箱式变电站进行部署则存在以下问题：(1)所需检测设备复杂，难以进行检测设备的小型化，无法对其进行实用部署；(2)通过测量中心波长变化，进而推断出有无液体渗漏的方法难以定位出液体的渗漏位置，面对比较庞大的检测对象时，需要耗费大量时间进行排查；(3)检测设备量程太大或太小，量程过大致使定位精度难以保证，量程太小则无法在箱式变电站进行有效部署；(4)仪器获取数据后，数据分析过程复杂,对系统的实时性影响较大。


技术实现要素：

4.针对上述问题,本发明提供了一种具有抗电磁干扰、实时检测、灵敏度高、定位准、易于部署的分布式光纤漏水检测传感器，其技术方案如下：
5.基于二氧化钛和琼脂糖复合膜的光纤传感器，包括单片机，单片机电连接有通讯单元、led驱动单元和信号变换单元，led驱动单元和信号变换单元间设置漏水敏感单元；漏水敏感单元包括光纤宏弯环结构，光纤宏弯环结构外侧依次镀有二氧化钛薄膜和琼脂糖薄膜；单片机通过光纤宏弯环结构中的光强损耗来反映环境湿度。
6.优选的，漏水敏感单元设置于光纤传感器密封盒外侧，通讯单元、单片机、led驱动单元、信号变换单元均设置于光纤传感器密封盒内侧。
7.优选的，led驱动单元包括led光源和驱动器，信号变换单元包括光电二极管、放大器和a/d转换器；led光源与光电二极管分别位于光纤宏弯环结构的两个端部。
8.基于上述光纤传感器，本发明还提出了光纤传感器的检测方法，包括，
9.s1：传感器安装；将主控模块与若干个光纤传感器通过通讯线路相互级联，并采用分布式方式部署于待检测的箱式变电站内部；
10.s2：传感器轮询；主控模块的fpga芯片通过通讯线路对与之级联的光纤传感器进行轮询，fpga芯片首先发送一帧数据，数据包含地址和校验信息；
11.s3：地址判断；光纤传感器对接收数据中的地址进行判断，从而确定此次轮询的是否为本机地址；若为本机地址，则进入s4步骤，否则进入等待状态；
12.s4：数据采集；单片机驱动led光源提供稳定光强的光线，光线经光纤宏弯环结构产生宏弯损耗后照射到光电二极管上，光电二极管将光信号转换为电信号，电信号经过放大器、a/d转换器处理并转换为数字信号形式的电流数据，电流数据回传至单片机；
13.s5：数据回传；单片机通过通讯线路向主控模块的fpga芯片发送一帧数据，数据包括本机地址、本机所测得的电流数据和校验信息；
14.s6：漏点定位；主控模块中的fpga芯片对来自各个光纤传感器测得的电流数据进行分析和处理，并结合各个光纤传感器的安装位置信息，最终确定箱式变压器是否漏水及漏水位置。
15.综上，本发明采用上述光纤传感器，首次提出将二氧化钛和琼脂糖复合膜结合宏弯环结构的光纤漏水敏感探头作为传感器的漏水敏感单元。二氧化钛薄膜是折射率敏感膜，琼脂糖薄膜是湿度敏感膜，二者结合不仅提高了漏水敏感单元的检测精度，而且实现了漏水检测传感器的小型化和强磁场环境下的漏水检测传感器的有效部署。本系统中传感器单元能够实现模块化部署，传感器之间采用级联方式连接，能够根据需求更加灵活地选择传感器的数量，极大地简化了系统的结构。基于以上论述，未来该传感系统也将能够满足在其他空间结构中进行漏水检测的需求，尤其适用于电气、通讯、石油、化工等行业的漏水检测。
附图说明
16.图1为本发明的系统总体框图；
17.图2为本发明涂覆二氧化钛和琼脂糖复合膜的光纤；
18.图3为本发明中传感器的宏弯环结构图；
19.图4为本发明中漏水检测系统分布示意图。
20.附图标记：1-琼脂糖薄膜，2-二氧化钛薄膜，3-光纤包层，4-光纤纤芯，5-密封盒，6-宏弯环结构，7-led光源，8-光电二极管，9-主控模块，10-光纤传感器。
具体实施方式
21.以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
22.实施例1
23.如图1所示的光纤传感器，是基于二氧化钛和琼脂糖复合膜的准分布式光纤漏水检测传感器，该分布式光纤漏水检测系统由光纤传感器10和主控模块9两部分组成。传感器部分的主要功能是对周围环境的湿度进行监测，包括单片机、led驱动单元、漏水敏感单元、信号变换单元和通讯单元。主控模块部分的主要功能是对数据进行综合分析和处理，包括fpga芯片和通信单元。若系统中漏水检测传感器数量较多时，主控模块9与传感器之间采用串行通讯；若系统中的漏水检测传感器数量较少时，采用并行通讯，实时性好。
24.如图2所示，将二氧化钛薄膜2(折射率敏感膜)镀在光纤的光纤包层3表面，然后涂覆琼脂糖薄膜1(湿度敏感膜)。利用宏弯损耗效应将光纤制作成弯曲半径为1cm的宏弯环结构6，并使用硅胶将其固定，以此作为漏水敏感单元。光纤的弯曲半径根据所需光纤敏感探头的灵敏度所确定，需保证漏水检测系统的定位精度，以及最大程度的降低光纤断裂的风险。
25.漏水敏感单元利用宏弯损耗效应产生对漏水事件的敏感。宏弯损耗是指光纤的曲率半径比光纤直径大的多的弯曲引起的附加损耗。当光纤弯曲时，部分光线的入射角大于临界角，不再满足全内反射的条件，导致光线泄露。在其它条件不变的情况，损耗的能量随周围环境折射率的变化而变化。在光纤包层3表面镀二氧化钛薄膜2,光纤纤芯4内模式分布发生模式转换现象,即随着薄膜厚度的增加，包层模能量或模场分布逐渐向包层表面的二氧化钛薄膜2转移。通过优化二氧化钛薄膜2的厚度,可使包层模处于最灵敏的谐振状态，进而有效提高宏弯环结构6对周围环境有效折射率的敏感程度。
26.如图3所示，密封盒5中含有单片机、通讯单元、led驱动单元和信号变换单元，将它们密封在盒中不仅能够防止相关元器件受到腐蚀以及相关电路受潮发生短路，而且能够加强内部装置的抗干扰性能。密封盒5外侧裸露设置宏弯环结构6，以直接接触空气。
27.led驱动单元包括led光源7和驱动器两部分，通过驱动器为led光源7提供恒流电源，以此来保证光源的稳定性。信号变换单元主要包括光电二极管8、放大器和a/d转换器。光电二极管8主要是将光纤中的光信号转变为电信号，便于系统对光信号进行解调。放大器主要包括放大电路和电压跟随电路，其中光电二极管8采用光伏工作模式，电压跟随电路用来提高系统的稳定性。a/d转换器是将模拟量转换为数字量，使得单片机能够对数据进行存储、调用、分析和处理。
28.led光源7产生的光线耦合进入光纤中，经过宏弯环结构6，产生宏弯损耗，然后光线耦合到光电二极管8上，光电二极管8将光信号转换为电信号。电信号的强弱随着光信号的强弱变化而变化，光信号的强弱又会随着周围环境折射率的变化而发生变化。当没有漏水事件时，箱式变电站内部湿度均匀，此时琼脂糖薄膜1不发生变化，折射率较高，光纤产生更多的辐射光，光纤内光强较小，光电二极管8产生的电流也较小；当发生漏水事件时，箱式变电站内部湿度变化大，此时琼脂糖薄膜1吸水膨胀，有效折射率变小，光纤会产生较少的辐射光，因此光纤中的光强变大，光电二极管8产生的电流也将变大。最终，通过对光电二极管8产生的电流大小进行解调实现对漏水事件的监测。
29.实施例2
30.本实施例为针对实施例1中的光纤传感器的检测方法，包括如下步骤：
31.s1：传感器安装；将主控模块与若干个光纤传感器通过通讯线路相互级联，并采用分布式方式部署于待检测的箱式变电站内部；如图4所示，光纤传感器采用串行方式连接；
32.s2：传感器轮询；主控模块的fpga芯片通过通讯线路对与之级联的光纤传感器进行轮询，fpga芯片首先发送一帧数据，数据包含地址和校验信息；
33.s3：地址判断；光纤传感器对接收数据中的地址进行判断，从而确定此次轮询的是否为本机地址；若为本机地址，则进入s4步骤，否则进入等待状态；
34.s4：数据采集；单片机驱动led光源提供稳定光强的光线，光线经光纤宏弯环结构产生宏弯损耗后照射到光电二极管上，光电二极管将光信号转换为电信号，电信号经过放大器、a/d转换器处理并转换为数字信号形式的电流数据，电流数据回传至单片机；
35.s5：数据回传；单片机通过通讯线路向主控模块的fpga芯片发送一帧数据，数据包括本机地址、本机所测得的电流数据和校验信息；
36.s6：漏点定位；主控模块中的fpga芯片对来自各个光纤传感器测得的电流数据进行分析和处理，并结合各个光纤传感器的安装位置信息，最终确定箱式变压器是否漏水及
漏水位置。
37.以上是本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不应局限于此。任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此本发明的保护范围应以权利要求书所限定的保护范围为准。