一种基于二维光栅结构的温度检测方法技术

本申请公开了一种基于二维光栅结构的温度检测方法，电力设备温度发生变化，不同的温度会辐射出不同波长的红外电磁波，基于二维光栅结构特有的共振特性，不同波长的红外电磁波穿透二维光栅结构后将得到不同的透过强度，电力设备的温度与二维光栅结构的透过强度具有一一对应的关系，利用红外探测器测量透过强度，进而反推电力设备此时对应的温度大小。本申请优点在于，通过二维光栅结构，测量不同波长电磁波经结构后的透过强度，以此反推出电力设备的工作温度。基于二维光栅结构的强波长依赖特性，并利用温度和透过强度一一对应的物理关系式，可实现实时高效的监测电力设备工作温度的变化情况，且通过调整用于二维光栅结构的微纳结构的结构参数，还可以实现不同测量灵敏度。度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于二维光栅结构的温度检测方法


[0001]本申请涉及一种基于二维光栅结构的温度检测方法，属于温度检测


技术介绍

[0002]目前，判断电力系统是否正常运行，通常需要通过检测温度进行监督，这是因为电力设备的工作温度是其运行状态的最直接表现，常见的电力设备有蒸汽轮机、发电机、变压器、水轮机等发电设备、各种电压等级的输电线路、互感器、接触器等供电设备，当上述设备的工作温度发生异常，往往表明电力设备内部存在一定的问题。目前对电力设备进行温度检测采用的是红外测温仪，通过人工检测，这种方法灵敏度不高且无法根据具体电力设备提供更高灵敏度。为了保证电力设备的正常稳定运行，提供能够应对不同温度检测灵敏度需求的温度检测方法至关重要。

技术实现思路

[0003]本申请的目的在于提供可以灵活控制灵敏度的温度检测方法。
[0004]为了达到上述目的，本申请的技术方案是提供了一种基于二维光栅结构的温度检测方法，电力设备温度发生变化，不同的温度会辐射出不同波长的红外电磁波，基于二维光栅结构特有的共振特性，不同波长的红外电磁波穿透二维光栅结构后将得到不同的透过强度，电力设备的温度与二维光栅结构的透过强度具有一一对应的关系，利用红外探测器测量透过强度，进而反推电力设备此时对应的温度大小。
[0005]具体的，制作实现上述方法的温度监测装置步骤如下：
[0006]步骤一、根据电力设备的温度范围，确定其辐射出红外电磁波的波长范围；
[0007]步骤二、选择具有强波长依赖特性的微纳结构作为二维光栅结构的基本单元；
[0008]步骤三、对微纳结构的结构参数进行微调，从中选取具有强波长依赖特性的谱线，将其对应的结构用于最终的二维光栅结构；
[0009]步骤四、利用光刻和刻蚀工艺加工制备设计的二维光栅结构，得到样品，然后将样品与红外探测器进行集成封装，红外探测器用于测量通过强度；
[0010]步骤五、对温度检测装置进行标定，通过测量不同入射波长经二维光栅结构后的透过强度，根据测量结果拟合出波长与透过强度的对应关系式，进而得到电力设备工作温度与透过强度的关系式。
[0011]其中，所述微纳结构设为具有强波长依赖特性的锗四方柱结构，所述锗四方柱结构包括正方形基体和位于基体上表面凸起的四方柱。所述锗四方柱结构的结构参数包括周期p，四方柱的高度h，四方柱之间的间隙s和四方柱的柱体宽度b。通过调整用于二维光栅结构的微纳结构的结构参数，可以实现不同测量灵敏度。
[0012]本申请优点在于，为了解决电力设备工作温度实时监测灵敏度调整问题，提出设计的二维光栅结构，通过测量不同波长电磁波经结构后的透过强度，以此反推出电力设备的工作温度。基于二维光栅结构的强波长依赖特性，并利用温度和透过强度一一对应的物
理关系式，可实现实时高效的监测电力设备工作温度的变化情况，且通过调整用于二维光栅结构的微纳结构的结构参数，还可以实现不同测量灵敏度。
附图说明
[0013]图1为实施例中提供的锗四方柱结构俯视示意图；
[0014]图2为实施例中提供的锗四方柱结构侧视示意图。
具体实施方式
[0015]为使本申请更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
[0016]实施例
[0017]本实施例提供了基于二维光栅结构的温度检测方法，二维光栅结构具有共振特性，当电力设备温度发生变化，不同的温度会辐射出不同波长的红外电磁波，因二维光栅结构特有的共振特性，不同波长的红外电磁波穿透二维光栅结构后将得到不同的透过强度，电力设备的温度与二维光栅结构的透过强度具有一一对应的关系，利用红外探测器测量透过强度，进而反推电力设备此时对应的温度大小，实现对电力设备实时高效高灵敏度的温度监测。
[0018]基于上述方法制作温度监测装置步骤如下：
[0019]步骤一、根据电力设备的温度范围，确定其辐射出电磁波的波长范围λ1～λ2。
[0020]步骤二、选择具有强波长依赖特性的微纳结构作为二维光栅结构的基本单元，将微纳结构横纵分布拼接得到二维光栅结构。为了使入射波长和结构透过强度具有单调一一对应的关系，根据理论模型和数值计算调整光栅周期使二维光栅结构在最小波长或最大波长处发生共振。
[0021]步骤三、对微纳结构的结构参数进行微调，计算不同结构参数下二维光栅结构的透过谱，具体的，透过谱的计算可使用有限元方法或时域有限差分方法，将微纳结构的模型导入有限元方法的软件如Comsol、CST等或时域有限差分方法的软件如Lumerical、Eastwave等，计算得到透过谱，从中选取具有强波长依赖特性的谱线，将其对应的结构用于最终的二维光栅结构。
[0022]步骤四、利用光刻和刻蚀工艺加工制备设计的二维光栅结构，得到样品，然后将样品与红外探测器进行集成封装，红外探测器用于测量通过强度。
[0023]步骤五、最后对温度检测装置进行标定。通过测量不同入射波长经二维光栅结构后的透过强度，根据测量结果拟合出波长与透过强度的对应关系式，进而得到电力设备工作温度与透过强度的关系式。
[0024]具体的，设定红外电磁波的最大波长为10μm，并选取具有强波长依赖特性的锗四方柱结构作为微纳结构，参见图1和图2，锗四方柱结构：材料为锗的包括厚度一定的正方形基体和位于基体上表面凸起的四方柱，四方柱的位置分布为正方形分布，锗四方柱结构的结构参数包括周期p(基体宽度)，四方柱的高度h，四方柱之间的间隙s和四方柱的柱体宽度b；将微纳结构横纵阵列拼接得到二维光栅结构，通过调整微纳结构的结构参数，对二维光栅结构的透过谱进行调制，从中选取具有强波长依赖特性的谱线，将其对应的结构参数用于最终设计的二维光栅结构，本实施例选取周期p＝8μm，高度h＝4μm，宽度b和间隙s在0.4μ
m到7.6μm范围变化，最终得到宽度b＝2.5μm，间隙s＝1.5μm。
[0025]然后利用光刻和刻蚀工艺加工制备设计的二维光栅结构，再将其与红外探测器集成封装，从而得到电力设备温度监测装置。当电力设备工作温度发生变化时，辐射出不同波长的红外电磁波，红外电磁波作用到二维光栅结构上，利用红外探测器测量出电磁波的透过强度，然后根据标定好的温度与强度的关系式，计算得到电力设备的工作温度。
[0026]本实施例提出设计二维光栅结构，通过测量电磁波经结构后的透过强度来监测电力设备的工作温度变化。因二维光栅结构的强波长依赖特性，结构的透过强度对入射的电磁波波长非常敏感，且可以通过改变二维光栅结构的结构参数实现不同测量灵敏度，将二维光栅结构与红外探测器集成，可实现实时的监测电力设备的工作温度。基于二维光栅结构的温度监测方法为电力设备运行状态的实时监测提供了全新的解决方案。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二维光栅结构的温度检测方法，其特征在于，电力设备温度发生变化，不同的温度会辐射出不同波长的红外电磁波，基于二维光栅结构特有的共振特性，不同波长的红外电磁波穿透二维光栅结构后将得到不同的透过强度，电力设备的温度与二维光栅结构的透过强度具有一一对应的关系，利用红外探测器测量透过强度，进而反推电力设备此时对应的温度大小。2.如权利要求1所述的一种基于二维光栅结构的温度检测方法，制作实现所述温度检测方法的温度监测装置步骤如下：步骤一、根据电力设备的温度范围，确定其辐射出红外电磁波的波长范围；步骤二、选择具有强波长依赖特性的微纳结构作为二维光栅结构的基本单元；步骤三、对微纳结构的结构参数进行微调，从中选取具有强波长依赖特性的谱线，将其对应的结构用于最终的二维光栅结构；步骤四、利用光刻和刻蚀工艺加工制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐振恒，李鹏，田兵，樊小鹏，陈仁泽，王志明，李立浧，张伟勋，何毅，卢星宇，钟枚汕，
申请(专利权)人：南方电网数字电网研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：