一种组合石墨烯膜片与微光纤干涉腔的局部放电传感器及基于此的检测方法技术

一种组合石墨烯膜片与微光纤干涉腔的局部放电传感器及基于此的检测方法，该传感器包括：可调谐激光器(1)、激光器波长控制模块(2)、光纤环形器(3)、单模光纤(4)、微光纤干涉腔(5)、光电探测器(6)、信号线(7)、滤波器(8)、数据采集卡(9)。本发明专利技术采用了多层石墨烯膜片，提高了传感器的检测灵敏度；基于对多层石墨烯膜片结构的优化设计，使之适应局部放电检测频带的要求；采用聚酰亚胺涂层提高多层石墨烯膜片的使用寿命；采用飞秒激光在光纤内部加工微光纤干涉腔，并基于激光器波长控制，稳定静态工作点。基于检测装置安装方式的优化设计，使得在安装本装置的同时，不影响电气设备原有的工作环境。

A Partial Discharge Sensor Based on Combination of Graphene Diaphragm and Microfiber Interference Cavity and Its Detection Method

A partial discharge sensor combined with graphene diaphragm and microfiber interference cavity and a detection method based on this sensor include a tunable laser (1), a laser wavelength control module (2), a fiber ring (3), a single mode fiber (4), a microfiber interference cavity (5), a photodetector (6), a signal line (7), a filter (8), and a data acquisition card (9). The invention adopts multi-layer graphene diaphragm to improve the detection sensitivity of the sensor; optimizes the structure of multi-layer graphene diaphragm to meet the requirement of partial discharge detection frequency band; uses polyimide coating to improve the service life of multi-layer graphene diaphragm; uses femtosecond laser to process micro-fiber interference cavity inside the fiber, and based on laser wavelength control, stabilizes it. Static working point. Based on the optimal design of the installation mode of the detection device, the original working environment of the electrical equipment is not affected while installing the device.

【技术实现步骤摘要】
一种组合石墨烯膜片与微光纤干涉腔的局部放电传感器及基于此的检测方法
本专利技术属于电气设备在线监测
，尤其涉及一种组合石墨烯膜片与微光纤干涉腔的局部放电传感器以及局部放电检测方法。
技术介绍
局部放电是绝缘介质中局部区域击穿导致的放电现象，局部放电检测是一种有效的电气设备绝缘状态评估方法。当介质中发生局部放电时，会产生电脉冲、电磁波、超声波、光、局部过热及一些新化学产物。通过检测局部放电产生的超声波信号，可以确定局部放电的存在并定位放电点。与传统的压电式传感器相比，基于光纤传感的局部放电传感器具有响应频带宽、体积小、抗电磁干扰等优点。基于光纤法珀干涉的局部放电传感器是目前最常用且最有效的光纤局部放电传感器。光纤法珀式局部放电传感器由光纤端面、膜片和干涉腔构成，超声波信号通过引起感应膜片的振动，导致干涉相位和干涉强度发生变化，通过检测反射光光强及相位的变化实现局部放电的检测。但目前在实际工程应用中普遍存在检测灵敏度较低，易受温度影响的缺点。为了获得高灵敏度，希望在局部放电超声波信号作用下能够获得更大的膜片中心形变。因此，具有高机械强度，良好柔韧性和稳定性的超薄膜片是开发高性能光纤法珀式局部放电传感器的关键。目前，已有很多材料被用于制作法珀传感器的膜片，包括硅膜片、石英膜片、二氧化硅膜片、聚合物膜片和金属膜片。然而，上述膜片的厚度通常在μm量级，局部放电检测灵敏度较低，最小检测限大多在100pC,难以满足工程应用的要求。在超声波检测领域，研究人员陆续将重点投入到基于新型材料,主要是二维材料的膜片研制中，选用的材料如石墨烯、纳米银、MoS2等，由于这些材料可以实现纳米级加工，使得超声波检测的灵敏度较传统的硅或石英膜片提升了2-3个数量级。石墨烯是目前自然界中已知最薄的膜材料，其断裂强度为42N/m，约是石英或硅膜片的25倍。香港理工大学制备的基于石墨烯膜片的光纤法珀干涉腔声传感器，膜片厚度为100nm，将灵敏度提高到了1100nm/kPa，但该传感器检测频率较低，不适合局部放电的检测。传统光纤法珀干涉式传感器由于支撑结构、封装材料等热膨胀系数不同，干涉腔长将随温度变化产生变化，导致工作点漂移，影响传感器的检测精度。基于飞秒激光加工的微光纤法珀干涉腔，其空气腔位于光纤内部，作为一种近似全光纤结构，不存在热膨胀系数不匹配的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种组合石墨烯膜片与微光纤干涉腔的局部放电传感器及基于此的检测方法，旨在解决目前光纤法珀式局部放电传感器普遍存在的检测灵敏度较低和易受温度影响的缺点。本专利技术采用以下技术方案以实现上述专利技术目的：一种组合石墨烯膜片与微光纤干涉腔的局部放电传感器，包括：可调谐激光器(1)、激光器波长控制模块(2)、光纤环形器(3)、单模光纤(4)、微光纤干涉腔(5)、光电探测器(6)、信号线(7)、滤波器(8)、数据采集卡(9)；所述可调谐激光器(1)发出的激光经所述光纤环形器(3)后由所述单模光纤(4)传入所述微光纤干涉腔(5)，在所述微光纤干涉腔(5)中形成干涉，反射光沿所述单模光纤(4)返回，经所述光纤环形器(3)后输入所述光电探测器(6)，将光强信号变换为电信号，经所述信号线(7)分别传给所述激光器波长控制模块(2)和所述滤波器(8)；其中传给所述滤波器(8)的一路信号，经高通滤波后传给数据采集卡(9)，记录检测到的局部放电超声波信号波形。进一步优选地，所述微光纤干涉腔(5)包括：聚酰亚胺涂层(10)、多层石墨烯膜片(11)、光纤端面(12)；其中所述聚酰亚胺涂层(10)厚度为1000nm，对所述多层石墨烯膜片(11)起保护作用；所述多层石墨烯膜片(11)厚度为100nm，直径为125μm；由所述光纤端面(12)和所述石墨烯膜片(11)形成的腔体长度为17μm,宽度为60μm。所述腔体采用飞秒激光加工在光纤内部，所述多层石墨烯膜片的有效振动圆面直径为60μm，超声波检测频带可达95kHz。所述可调谐激光器(1)为窄线宽DFB激光器，输出功率20mW，调谐范围1526nm到1567nm，谱线宽度＜300kHz。所述滤波器(8)为高通滤波器，滤除频率在10kHz以下的低频噪声。其中传给所述激光器控制模块(2)的一路信号，由所述激光器控制模块(2)记录反射光的静态光强，与之前存储的参考值作对比，当光强值偏差超出阈值后，由所述激光器控制模块(2)调整所述可调谐激光器(1)输出激光的波长。一种基于组合石墨烯膜片与微光纤干涉腔的局部放电检测方法，将可调谐激光器(1)发出的激光经过光纤环形器(3)后由单模光纤(4)传入微光纤干涉腔(5)，在所述微光纤干涉腔(5)中形成干涉，反射光沿所述单模光纤(4)返回，经所述光纤环形器(3)后输入光电探测器(6)，将光强信号变换为电信号，然后经信号线(7)分别传给激光器波长控制模块(2)和滤波器(8)；其中传给滤波器(8)的一路信号，经高通滤波后传给数据采集卡(9)，记录检测到的局部放电超声波信号波形。进一步优选地，所述微光纤干涉腔(5)包括：聚酰亚胺涂层(10)、多层石墨烯膜片(11)、光纤端面(12)；其中所述聚酰亚胺涂层(10)厚度为1000nm，对所述多层石墨烯膜片(11)起保护作用；所述多层石墨烯膜片(11)厚度为100nm，直径为125μm；由所述光纤端面(12)和所述石墨烯膜片(11)形成的腔体长度为17μm,宽度为60μm。所述腔体采用飞秒激光加工在光纤内部，所述多层石墨烯膜片的有效振动圆面直径为60μm，超声波检测频带可达95kHz。所述可调谐激光器(1)为窄线宽DFB激光器，输出功率20mW，调谐范围1526nm到1567nm，谱线宽度＜300kHz。所述滤波器(8)为高通滤波器，滤除频率在10kHz以下的低频噪声。其中传给所述激光器控制模块(2)的一路信号，由所述激光器控制模块(2)记录反射光的静态光强，与之前存储的参考值作对比，当光强值偏差超出阈值后，由所述激光器控制模块(2)调整所述可调谐激光器(1)输出激光的波长。进一步优选地，将所述微光纤干涉腔(5)安装在气体绝缘全封闭组合电器(GIS)的介质窗。在所述介质窗中心开一直径为127μm的贯穿介质层和金属层的微孔，在微孔端部，贴合一聚合物薄膜，将微光纤干涉腔插入所述微孔，所述微光纤干涉腔(5)的端部透入聚合物薄膜中，然后向所述微孔中注入胶水，并在所述金属层端部加装密封胶圈。所述聚合物薄膜直径为300μm，厚度为1mm。所述透入的深度为0.8mm。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益的效果：(1)本专利技术与同类型的光纤法珀式局部放电传感器相比，采用了石墨烯膜片，极大地提高了传感器的检测灵敏度；优化了膜片的结构参数，使得传感器检测频带能够满足GIS局部放电检测的需要；在膜片表面涂覆聚酰亚胺膜，保障了膜片的长期可靠性；采用飞秒激光加工微光纤干涉腔，有效地抑制了温度漂移。基于激光器波长控制，稳定静态工作点。(2)本专利技术与传统的电学局部放电超声波传感器相比，具有抗电磁干扰能力强，结构简单，尺寸小巧，适合在GIS设备内部安装的优点。(3)本专利技术基于检测装置安装方式的优化设计，使得在安装本装置的同时，不影响电气设备原有的工作环境。附图说明为了本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种组合石墨烯膜片与微光纤干涉腔的局部放电传感器，其特征在于，包括：可调谐激光器(1)、激光器波长控制模块(2)、光纤环形器(3)、单模光纤(4)、微光纤干涉腔(5)、光电探测器(6)、信号线(7)、滤波器(8)、数据采集卡(9)；所述可调谐激光器(1)发出的激光经所述光纤环形器(3)后由所述单模光纤(4)传入所述微光纤干涉腔(5)，在所述微光纤干涉腔(5)中形成干涉，反射光沿所述单模光纤(4)返回，经所述光纤环形器(3)后输入所述光电探测器(6)，将光强信号变换为电信号，经所述信号线(7)分别传给所述激光器波长控制模块(2)和所述滤波器(8)；其中传给所述滤波器(8)的一路信号，经高通滤波后传给数据采集卡(9)，记录检测到的局部放电超声波信号波形。

【技术特征摘要】
1.一种组合石墨烯膜片与微光纤干涉腔的局部放电传感器，其特征在于，包括：可调谐激光器(1)、激光器波长控制模块(2)、光纤环形器(3)、单模光纤(4)、微光纤干涉腔(5)、光电探测器(6)、信号线(7)、滤波器(8)、数据采集卡(9)；所述可调谐激光器(1)发出的激光经所述光纤环形器(3)后由所述单模光纤(4)传入所述微光纤干涉腔(5)，在所述微光纤干涉腔(5)中形成干涉，反射光沿所述单模光纤(4)返回，经所述光纤环形器(3)后输入所述光电探测器(6)，将光强信号变换为电信号，经所述信号线(7)分别传给所述激光器波长控制模块(2)和所述滤波器(8)；其中传给所述滤波器(8)的一路信号，经高通滤波后传给数据采集卡(9)，记录检测到的局部放电超声波信号波形。2.如权利要求1所述的一种组合石墨烯膜片与微光纤干涉腔的局部放电传感器，其特征在于，所述微光纤干涉腔(5)包括：聚酰亚胺涂层(10)、多层石墨烯膜片(11)、光纤端面(12)；其中所述聚酰亚胺涂层(10)对所述多层石墨烯膜片(11)起保护作用；由所述光纤端面(12)和所述石墨烯膜片(11)形成腔体。3.如权利要求2所述的一种组合石墨烯膜片与微光纤干涉腔的局部放电传感器，其特征在于，所述聚酰亚胺涂层(10)厚度为1000nm，所述多层石墨烯膜片(11)厚度为100nm，直径为125μm；所述腔体长度为17μm,宽度为60μm。4.如权利要求2或3所述的一种组合石墨烯膜片与微光纤干涉腔的局部放电传感器，其特征在于，所述腔体采用飞秒激光加工在光纤内部，所述多层石墨烯膜片的有效振动圆面直径为60μm，超声波检测频带可达95kHz。5.如权利要求1所述的一种组合石墨烯膜片与微光纤干涉腔的局部放电传感器，其特征在于，所述可调谐激光器(1)为窄线宽DFB激光器，输出功率20mW，调谐范围1526nm到1567nm，谱线宽度＜300kHz。6.如权利要求1所述的一种组合石墨烯膜片与微光纤干涉腔的局部放电传感器，其特征在于，所述滤波器(8)为高通滤波器，滤除频率在10kHz以下的低频噪声。7.如权利要求1-6任一项所述的一种组合石墨烯膜片与微光纤干涉腔的局部放电传感器，其特征在于，其中传给所述激光器控制模块(2)的一路信号，由所述激光器控制模块(2)记录反射光的静态光强，与之前存储的参考值作对比，当光强值偏差超出阈值后，由所述激光器控制模块(2)调整所述可调谐激光器(1)输出激光的波长。8.一种基于组合石墨烯膜片与微光纤干涉腔的局部放电检测方法，其特征在于，将可调谐激光器(1)发出的激光经过光纤环形器(3)后由单模光纤(4)传入微光纤干涉腔(5)，在所述微光纤干涉腔(5)中形成干涉，反射光沿所述单模光纤(4)返回，经所述光纤环形器(3)后输入光电探测器(6)，将光强信号变换为电信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈伟根，杜林，张知先，万福，雷嘉丽，李剑，谭亚雄，王有元，黄正勇，王飞鹏，周湶，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50