[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
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• 代理人: 暫無信息

本發明專利提供了一種判別GIS內絕緣材料劣化程度的氣敏光纖傳感器，由寬帶光源、偏振器、測試氣室、D型光子晶體光纖、單模光纖、光譜分析儀和計算機組成；D型光子晶體光纖位于測試氣室內，測試氣室內有控制四氟化碳氣體的入口和出口；D型光子晶體光纖側面拋光表面涂覆鉑復合石墨烯薄膜，與D型光子晶體光纖熔接的單模光纖、涂覆鉑復合石墨烯薄膜的D型光子晶體光纖一起構成所述一種判別GIS內絕緣材料劣化程度的氣敏光纖傳感器的探頭。利用SPR傳感機制，將四氟化碳氣體折射率RI的微小變化轉換成可測量的損耗峰的變化，實現折射率傳感，具有靈敏度高、設計靈活、結構緊湊、穩定性強等優點，在絕緣材料劣化程度判別中具有廣泛的應用價值。

技術領域

本發明屬于光纖傳感技術領域，具體涉及一種判別GIS內絕緣材料劣化程度的氣敏光纖傳感器。

背景技術

氣體絕緣組合電器( Gas Insulated Switchgear，GIS)因穩定性好、可靠性高等優點，在電力系統中得到了廣泛的應用。然而，GIS設備因安裝、檢修和長期運行等原因不可避免會存在各種內部絕緣缺陷，這些絕緣缺陷在長期運行中，可能會導致GIS設備絕緣故障，從而產生局部放電，通常情況下，對局部放電的程度進行分析，可以判斷設備的絕緣狀況。然而，在傳統的局部放電檢測方法中，如脈沖電流法、超聲法、超高頻法等方法都具有相應的特點和優勢，但始終擺脫不了抗電磁干擾這一問題。直至近些年來，用光纖傳感技術來結合局部放電測量的方法產生，使得抗電磁干擾這一問題得到了很大的改善，同時也提高了相關測量的靈敏度和穩定性。

近年來，基于光子晶體光纖（PCF）的SPR傳感器的概念已被提出。光子晶體光纖的特點是其設計的靈活性，因此可以通過不同的氣孔布置來定制色散、雙折射、非線性等。PCF-SPR傳感器可以實現等離子體模式和基模模式的完美匹配，因為基模的有效折射率可以設計為零到核心材料的折射率之間，在折射率檢測方面具有很高的靈敏度和分辨率?？朔嘶诶忡R和傳統光纖的SPR傳感器體積大、傳輸損耗高、靈敏度低的缺點。

側邊拋磨光子晶體光纖是利用光纖研磨拋光技術除去部分包層的光纖元件，既能保持傳統光纖的優勢，又能使光纖內傳導模式通過拋磨區泄露出來用以其他的應用，例如利用倏逝波應用于傳感器領域等。J. J. Wu等人（J. J. Wu, S. G. Li, M. Shi, X. X.Feng, Photonic crystal fiber temperature sensor with high sensitivity basedon surface plasmon resonance, Optical Fiber Technology, 2018, 43:90-94）提出一種基于SPR的PCF溫度傳感器，采用金屬金作為SPR激發材料，固體纖芯下方的四個小氣孔和一個大氣孔用于產生雙折射，測量溫度范圍為10-85℃（折射率范圍為1.336-1.3696）；N.Chen等人（N. Chen, M. Chang, X. L. Lu, J. Zhou and X. D. Zhang, NumericalAnalysis of Midinfrared D-ShapedPhotonic-Crystal-Fiber Sensor based onSurface-Plasmon-Resonance Effect for Environmental Monitoring, AppliedSciences, 2020, 10(11):3897）提出一種工作在近紅外波段（2.9-3.6μm）、用于環境監測的基于SPR效應的D型PCF折射率傳感器，分析物與金層直接接觸，而且環繞整個D型PCF，而不是只接觸拋光面，包層材料是硅，包層中的三層氣孔按照六邊形晶格排列；M. N. Sakib等人（M. N. Sakib, M. B. Hossain, K. F. Al-tabatabaie, I. M. Mehedi, M. T.Hasan, M. A. Hossain, I.S. Amiri, High Performance Dual Core D-Shape PCF-SPRSensor Modeling Employing Gold Coat, Results in physics, 2019, 15:102788）提出采用金涂層、固體雙芯的D型PCF-SPR傳感器，兩個固體纖芯與y軸對稱，雙芯能量與金屬層能量耦合較困難，適用的探測范圍較窄；S. Singh等人（S. Singh, Y. K. Prajapati,Highly sensitive refractive index sensor based on D-shaped PCF with gold-graphene layers on the polished surface, Applied Physics A, 2019, 125:437）提出一種在拋光表面涂有金和石墨烯層的D型PCF折射率傳感器，在固體纖芯x方向放置兩個大空氣孔，研究x方向偏振光發生耦合時的限制損耗譜；A. A. Rifat等人（A. A. Rifat,G. A. Mahdiraji, D. M. Chow, Y. G. Shee , R. Ahmed and F. R. M. Adikan,Photonic Crystal Fiber-Based Surface Plasmon Resonance Sensor with SelectiveAnalyte Channels and Graphene-Silver Deposited Core, Sensors, 2015, 15(5):11499-11510）提出一種D型光子晶體光纖SPR折射率傳感器，采用銀作為SPR激發材料，該傳感器不僅探測范圍較窄，而且不能滿足高靈敏度的要求。