基于分布反馈光纤激光器的氢气传感头及制备方法和应用

本发明涉及油浸式电力变压器，尤其是涉及基于分布反馈光纤激光器的氢气传感头及制备方法和应用。

背景技术：

1、测量油浸式变压器(油浸式电力变压器)绝缘油中的溶解气体成分和含量是监测其运行状态最有效的措施之一。油浸式变压器发生早期故障时，主要以弱局部放电和局部热点现象为主，这种早期故障可通过监测油中溶解的氢气浓度来实现。

2、变压器油中溶解氢气的检测方法主要有气相色谱法、半导体金属氧化物法以及光学法等。气相色谱法存在设备昂贵、操作复杂、容易受到干扰并且实验周期长的不足，不利于变压器故障特征气体的在线实时监测。传统的半导体金属氧化物法功耗比较大，需要较高的工作温度，在大型电力设备内部存在安全隐患。光学氢气传感器一般指的是光纤型氢气传感器，传感探头部分为无源器件，从本质上讲安全性大大提高。同时，光纤氢气传感器还具有体积小、重量轻、抗强电磁干扰、耐腐蚀等优点。目前光纤氢气传感器已成为研究热点之一，应用前景广阔。

3、因此，亟需一种基于分布反馈光纤激光器的氢气传感头，以实现在线氢气浓度安全监测。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了解决上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于分布反馈光纤激光器的氢气传感头及制备方法和应用，具体为基于分布反馈光纤激光器(dfb-fl)的高灵敏度、高稳定性变压器油中氢气传感头，采用高灵敏度的窄线宽分布反馈光纤激光器(dfb-fl,distributed feedback fiber laser)作为传感头，有望实现变压器油中痕量氢气的高精度、高灵敏度、低检测限及长期稳定监测，在进行变压器油中氢气检测时，无需油气分离和载气、标气，可以实时在线监测，是实现在线氢气浓度安全监测的较理想方案。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的第一个目的是提供一种基于分布反馈光纤激光器的氢气传感头，所述基于分布反馈光纤激光器的氢气传感头包括氢气敏感分布反馈光纤激光器(氢气敏感dfb-fl，dfb-fl1)和温度补偿分布反馈光纤激光器(温度补偿dfb-fl，dfb-fl2)；所述氢气敏感分布反馈光纤激光器与石英衬底连接；所述温度补偿分布反馈光纤激光器与石英衬底连接；所述氢气敏感分布反馈光纤激光器涂敷有氢气敏感材料。

4、进一步地，所述石英衬底包括凹槽；所述氢气敏感分布反馈光纤激光器与石英衬底的凹槽胶连接。

5、进一步优选地，所述氢气敏感分布反馈光纤激光器与石英衬底的凹槽通过ab胶连接。

6、进一步地，所述氢气敏感材料为pd/ag合金膜。

7、进一步地，所述氢气敏感分布反馈光纤激光器包括从内到外依次设置的光纤、ti膜、pd/ag合金膜、pd膜、氢气选择膜。

8、进一步地，所述氢气选择膜为mof@cof氢气选择膜。

9、进一步地，所述光纤包括纤芯和包层；所述包层围绕纤芯设置。

10、进一步地，两个栅区，即所述氢气敏感分布反馈光纤激光器和温度补偿分布反馈光纤激光器，在同一根光纤上。

11、本发明的第二个目的是提供一种基于分布反馈光纤激光器的氢气传感头的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

12、将涂敷有氢气敏感材料的氢气敏感分布反馈光纤激光器固定在石英衬底内，无氢气敏感材料的级联的温度补偿分布反馈光纤激光器作为温度补偿头，所述氢气敏感分布反馈光纤激光器和温度补偿分布反馈光纤激光器构成氢气传感头。

13、进一步地，所述制备方法包括如下步骤：

14、用ab胶将涂敷有敏感材料的氢气敏感分布反馈光纤激光器固定在石英衬底凹槽内，级联的温度补偿分布反馈光纤激光器作为温度补偿头，无氢气敏感材料。dfb-fl1和dfb-fl2构成一个氢气敏感头。当dfb-fl1上的敏感膜pd/ag合金膜吸收氢气时，一方面由于光纤材料的弹性应变，光栅的周期会发生变化，另一方面由于光纤的弹光效应，光纤的有效折射率也会发生变化，这都会引起激光器输出波长的变化。

15、进一步地，所述氢气敏感分布反馈光纤激光器的制备方法包括如下步骤：

16、s1、在光纤表面溅射一层ti膜以提高pd薄膜的附着力，ti膜对光纤的附着力比pd/ag合金好，起到连接剂的作用；

17、s2、在ti膜表面溅射pd/ag合金膜；

18、s3、pd/ag合金膜溅射完成后，在其外层再溅射一层纯pd膜；

19、s4、在纯pd膜外层沉积mof@cof氢气选择膜。

20、进一步地，所述pd膜的厚度为50-200nm；所述mof@cof氢气选择膜的厚度为50-200nm；所述pd/ag合金膜的厚度为50-200nm；所述ti膜的厚度为50-200nm。

21、进一步地，步骤s2中，在ti膜表面溅射pd/ag合金膜的具体过程如下：

22、采用双靶共溅的方式制备pd/ag合金膜，设置试样托自转，进行溅射。

23、进一步地，步骤s2中，溅射的时间为1-2分钟，pd/ag合金膜厚度为50-200nm。

24、本发明的第三个目的是提供一种基于分布反馈光纤激光器的氢气传感头的应用，将所述基于分布反馈光纤激光器的氢气传感头用于油浸式电力变压器故障的早期诊断和预警。

25、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

26、1)本发明所提供的基于分布反馈光纤激光器的氢气传感头，具有高灵敏度、高精度、抗电磁干扰、低检测限及长期稳定监测等优点。

27、2)本发明所提供的基于分布反馈光纤激光器的氢气传感头，采用高灵敏度的窄线宽分布反馈光纤激光器(dfb-fl,distributed feedback fiber laser)作为传感头，有望实现变压器油中痕量氢气的高精度、高灵敏度、低检测限及长期稳定监测。

28、3)本发明所提供的基于分布反馈光纤激光器的氢气传感头，通过设置氢气敏感分布反馈光纤激光器和温度补偿分布反馈光纤激光器，前者对氢气敏感，用于氢气浓度检测，后者对氢气不敏感，但通过波长的变化，可以得出环境温度的变化，用于进行温度补偿。

技术特征：

1.一种基于分布反馈光纤激光器的氢气传感头，其特征在于，所述基于分布反馈光纤激光器的氢气传感头包括氢气敏感分布反馈光纤激光器(1)和温度补偿分布反馈光纤激光器(2)；

2.根据权利要求1所述的基于分布反馈光纤激光器的氢气传感头，其特征在于，所述石英衬底(3)包括凹槽；

3.根据权利要求1所述的基于分布反馈光纤激光器的氢气传感头，其特征在于，所述氢气敏感材料为pd/ag合金膜(14)。

4.根据权利要求3所述的基于分布反馈光纤激光器的氢气传感头，其特征在于，所述氢气敏感分布反馈光纤激光器(1)包括从内到外依次设置的光纤、ti膜(13)、pd/ag合金膜(14)、pd膜(15)、氢气选择膜。

5.根据权利要求4所述的基于分布反馈光纤激光器的氢气传感头，其特征在于，所述光纤包括纤芯(11)和包层(12)；

6.一种如权利要求1-5所述的基于分布反馈光纤激光器的氢气传感头的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的基于分布反馈光纤激光器的氢气传感头的制备方法，其特征在于，所述氢气敏感分布反馈光纤激光器(1)的制备方法包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的基于分布反馈光纤激光器的氢气传感头的制备方法，其特征在于，所述pd膜(15)的厚度为50-200nm；

9.根据权利要求7所述的基于分布反馈光纤激光器的氢气传感头的制备方法，其特征在于，步骤s2中，在ti膜(13)表面溅射pd/ag合金膜(14)的具体过程如下：

10.一种如权利要求1-5所述的基于分布反馈光纤激光器的氢气传感头的应用，其特征在于，将所述基于分布反馈光纤激光器的氢气传感头用于油浸式电力变压器故障的早期诊断和预警。

技术总结
本发明涉及基于分布反馈光纤激光器的氢气传感头及制备方法和应用，所述基于分布反馈光纤激光器的氢气传感头包括氢气敏感分布反馈光纤激光器(1)(氢气敏感DFB‑FL，DFB‑FL1)和温度补偿分布反馈光纤激光器(2)(温度补偿DFB‑FL，DFB‑FL2)；所述氢气敏感分布反馈光纤激光器(1)与石英衬底(3)连接；所述温度补偿分布反馈光纤激光器(2)与石英衬底(3)连接；所述氢气敏感分布反馈光纤激光器(1)涂敷有氢气敏感材料。与现有技术相比，本发明的氢气传感头具有高灵敏度、高精度、抗电磁干扰、低检测限及长期稳定监测等优点。

技术研发人员：卞正兰,初凤红,韩家文,孙义盛
受保护的技术使用者：上海电力大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21