[發明專利]一種判別GIS內絕緣材料劣化程度的氣敏光纖傳感器

有效

• 申請號: 202011298533.4
• 申請日: 2020-11-19
• 公開（公告）號: CN112433132B
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發明（設計）人: 沈濤;楊添宇;梁涵;劉馳;張智文;王韶峰;宋明歆
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: G01R31/12
• 分類號: G01R31/12;G01N21/41;G01N21/552;G01N21/01
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種判別GIS內絕緣材料劣化程度的氣敏光纖傳感器，其特征在于，由寬帶光源（1）、偏振器（2）、測試氣室（3）、D型光子晶體光纖（4）、單模光纖（5）、光譜分析儀（6）和計算機（7）組成；所述D型光子晶體光纖（4）位于測試氣室（3）內，測試氣室（3）內有控制四氟化碳氣體的入口（8）和出口（9）；

所述D型光子晶體光纖（4）側面拋光表面涂覆鉑復合石墨烯薄膜（Pt/GO），與所述D型光子晶體光纖（4）熔接的單模光纖（5）、涂覆鉑復合石墨烯薄膜（Pt/GO）的D型光子晶體光纖（4）一起構成所述的一種判別GIS內絕緣材料劣化程度的氣敏光纖傳感器的探頭；

所述D型光子晶體光纖（4）包括：包層（10）、25個位于包層中的空氣孔；第一空氣孔（11）和第二空氣孔（12）以原點為中心分別旋轉20°、40°、60°、79°，再鏡像形成第一層空氣孔、第二層空氣孔；第三空氣孔（13）以原點為中心分別旋轉20°、40°，再鏡像形成第三層空氣孔；橢圓空氣孔（14）位于y軸纖芯處；

所述D型光子晶體光纖（4）側面拋光表面涂覆鉑復合石墨烯薄膜（Pt/GO）的制備方法為：采用濕化學還原法制備鉑復合石墨烯薄膜（Pt/GO），將300 mg石墨烯（GO）通過超聲分散于60 mL乙二醇（EG）中，超聲2 min使石墨烯（GO）在溶液中均勻分散并得到懸浮液，按照鉑（Pt）的擔載量為6 wt%、3 wt%、0.7 wt%，向懸浮液中分別加入濃度為7.26 mg/mL的氯鉑酸（H2PtCl6）溶液2750 μL、1550 μL、525.65 μL，由此得到混合液；用1 mol/L的NaOH/乙二醇溶液調節混合液的pH至12，在150℃的烘箱溫度下恒溫2.5 h，然后冷卻到室溫得到反應液，再用濃度為0.5 mol/L的HCl溶液調節反應液pH至3，用去離子水進行洗滌、過濾，最后置于75℃烘箱中過夜烘干，經過氫氣還原得到鉑復合石墨烯薄膜（Pt/GO）材料。

2.根據權利要求1所述的一種判別GIS內絕緣材料劣化程度的氣敏光纖傳感器，其特征在于：所述D型光子晶體光纖（4）的包層空氣孔間距Λ為10-12μm，包層直徑D為100μm，第一空氣孔（11）、第二空氣孔（12）和第三空氣孔（13）的直徑d₁、d₂和d₃分別為8.55-9.45μm、6.65-7.35μm、4.75-5.25μm；橢圓空氣孔（14）的短軸a和長軸b分別為3μm和7μm。

3.根據權利要求1所述的一種判別GIS內絕緣材料劣化程度的氣敏光纖傳感器，其特征在于：所述D型光子晶體光纖（4）的包層材料為熔融石英，其折射率由Sellmeier公式定義。

4.根據權利要求1所述的一種判別GIS內絕緣材料劣化程度的氣敏光纖傳感器，其特征在于：所述四氟化碳氣體是通過從含有四氟化碳的其他氣體中分離、提取出來的。

5.根據權利要求1所述的一種判別GIS內絕緣材料劣化程度的氣敏光纖傳感器，其特征在于：采用堆疊-拉絲技術制備光子晶體光纖，然后在V型槽中進行拋磨加工成D型光子晶體光纖（4），利用射頻磁控濺射方法可以得到所述的涂覆鉑復合石墨烯薄膜（Pt/GO）的D型光子晶體光纖（4）；

所述的堆疊-拉絲技術為：首先對石英套管進行預處理，在超凈環境下按照參數拉制毛細管，拉制溫度為1900℃-2000℃，之后對毛細管兩端用氫氧焰進行拉錐封孔，在石英套管中將毛細管按照設計要求堆積形成所需的結構，用純石英棒對空隙進行填充，利用氧炔火焰將石英套管與毛細管燒結在一起，在拉絲塔上使用兩次拉絲技術制成光子晶體光纖；

所述的一種判別GIS內絕緣材料劣化程度的氣敏光纖傳感器，其傳輸路徑如下：所述寬帶光源（1）經過偏振器（2）變成y偏振光，通過測試氣室（3）傳輸到D型光子晶體光纖（4），由D型光子晶體光纖（4）輸出由單模光纖（5）輸入至光譜分析儀（6），光譜分析儀（6）的輸出端連接計算機（7）；

所述鉑復合石墨烯薄膜（Pt/GO）表面激發的等離子體波波矢與入射光場的波矢在特定的波長范圍內達到相位匹配，發生耦合，出現共振損耗峰；表面等離子體共振（SPR）對介質環境十分敏感，四氟化碳氣體折射率RI變化會使共振條件發生變化，導致共振損耗峰發生明顯變化；因此，可以實現高靈敏度、實時性探測，同時也通過對四氟化碳氣體的探測，能實時的反映出GIS內部絕緣材料劣化程度，對電氣設備的安全運行提供保障。