一種基于太赫茲波光子晶體光纖的變壓器油溶解氣體監測方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于太赫茲波光子晶體光纖的變壓器油溶解氣體監測方法，根據每種氣體吸收光譜具有不同的特征吸收峰，將需要檢測的氣體對應吸收峰的光波分別入射到不同的光纖，光在光纖內傳播時會因被氣體吸收而減弱，最后檢測光纖口的光波強度便可得出氣體濃度。具體實現步驟為：首先利用一個可調諧的激光器作為光源，然后運用導光子晶體光纖光柵實現光路的分解，將HC-PCF作為傳感單元引入光纖氣體傳感中，最后測量光強，計算氣體濃度。本發明實現了實時、高靈敏度、多組分的DGA探測技術，具有相當好的社會和經濟效益。
【專利說明】一種基于太赫茲波光子晶體光纖的變壓器油溶解氣體監測方法
所屬【技術領域】
[0001]本發明屬于電子儀器設備領域，具體涉及一種基于太赫茲波光子晶體光纖的變壓器油溶解氣體監測方法。
【背景技術】
[0002]變壓器是發電廠和用戶之間最重要的紐帶，也是各電網等級之間的樞紐，是電力系統中的重要電氣設備之一，其運行狀況直接影響電能的正常輸送。為確保變壓器的安全運行，從20世紀50年代開始，發展了多種技術來監測和診斷變壓器，電力變壓器油中溶解氣體分析(DGA)是監測和診斷油浸式電力變壓器早期故障及預防災難、事故的最有效的方法之一，已列為油浸變壓器32項預試項目的第I位。DGA主要通過監測在電力變壓器運行過程中，由于電和熱的故障、絕緣紙的分解、分接開關油室向主油箱滲漏、設備油箱帶油補焊和潛油泵出故障、變壓器油中含水和本體受潮等原因導致變壓器油中出現的H2、CO、CO2,CH4, C2H2, C2H4和C2H6等各種氣體濃度，來判斷變壓器的運行狀況，預防事故的發生。
[0003]現有DGA檢測方法與技術主要有:(I)基于色譜監測技術，這種方式操作繁瑣、周期長、對油中溶解氣體的發展趨勢測量代價高等缺點，其檢測結果難以準確和及時地反映設備的當前工作狀況。(2)基于熱導池檢測器(TCD)和氫火焰檢測器，雖然這兩種檢測器技術都比較成熟，但都存在體積大、成本高、靈敏度低、反應時間長等缺點；(3)基于微機電傳感技術(MEMS)的TCD構成的氣體在線監測系統，雖然具有反應時間短和體積小等特點，但靈敏度不高；(4)基于燃料電池技術的檢測儀，靈敏度有所提高，但系統累積效應大，使用時間越長，誤差越大；(5)基于紅外傅里葉光譜技術的監測儀，不能檢測氏；(6)基于光聲光譜技術檢測儀，檢測靈敏度高，但對現場的環境有比較高的要求，故其應用仍然需要解決大量的工程問題。
[0004]表1目前DGA的常用的 幾種檢測方法靈敏度對比
[0005]
【權利要求】
1.一種基于太赫茲波光子晶體光纖的變壓器油溶解氣體監測方法，其特征在于包括以下組成部分: 第一部分:油氣分離與控制單元 第二部分:光學單元 第三部分:信號處理單元
2.根據權利要求1所述的一種基于太赫茲波光子晶體光纖的變壓器油溶解氣體監測方法，其特征在于將氣體傳感模塊改為光學模塊。
3.根據權利要求1所述的一種基于太赫茲波光子晶體光纖的變壓器油溶解氣體監測方法，其特征在于光學部分采用了可調諧激光器作為光源。
4.根據權利要求1所述的一種基于太赫茲波光子晶體光纖的變壓器油溶解氣體監測方法，其特征在于激光器所發出的光將經過光子晶體光纖光柵分光，選取出檢測氣體所需的單色光。
5.根據權利要求1所述的一種基于太赫茲波光子晶體光纖的變壓器油溶解氣體監測方法，其特征在于光敏性聚合物材料制作光子晶體光纖。
6.根據權利要求1所述的一種基于太赫茲波光子晶體光纖的變壓器油溶解氣體監測方法，其特征在于光波通過橫向射入兩束紫外光在纖芯中形成布喇格反射光柵，光的入射角為Qi，光的衍射角為0d，Λ為光柵周期，這里為光子晶體光纖空氣孔之間的間距，當0d射的射線滿足下列光柵方程 A (sin Θ j-sin Θ d) = πιλ(I)` 上式中m是光柵的階數。對于不同的波長，可以在成像平面內的不同點滿足光柵方程，所以這種光柵可以精確分離單獨波長。當多波長信號寫入光柵時，與布喇格反射條件相位匹配的波長是不能傳輸的。纖芯折射率在光的照射下沿著其軸向受到均勻正弦調制，即: n(z) = ncore + δη[? + cos^f)](2) 11。_是沒有被照射的纖芯折射率，S n則是折射率的光之變化。光柵的最大反射率當滿足布喇格條件時，在光柵中出現最大反射率，反射波長λ Bragg為: λ Bragg = 2 A neff(3) nrff是纖芯的模式有效折射率。在該波長處，長為L、耦合系數為K的光柵最大反射率可以保持的半高全寬Λ λ為 ΔΑ =\kL)2 +π2}(4)
^neffL
7.根據權利要求6所述的一種基于太赫茲波光子晶體光纖光柵,其特征在于通過一個三端口的環形器連接光柵，一個端口的輸出信號作為下一端口輸入。被分離的光將進入光子晶體光纖，剩余的光繼續入射到下一個光柵，繼續分光。
8.根據權利要求1所述的一種基于太赫茲波光子晶體光纖的變壓器油溶解氣體監測方法，其特征在于采用三角形的帶隙型空芯聚合物光子晶體光纖(HC-PPCF)作為THz波傳感元件。HC-PPCF的材料的選取和結構參數首先通過材料帶隙、色散、損耗、模場能量分布值等因素來確定。
9.根據權利要求1所述的一種基于太赫茲波光子晶體光纖的變壓器油溶解氣體監測方法，其特征在于光子晶體光纖參數的設計和計算，假設光纖的邊界條件為完全匹配層(PML)吸收邊界，PML是在計算區域邊界處設置一種特殊介質層，一方面該層介質的波阻抗與相鄰介質波阻抗完全匹配，使THz波將無反射的穿過分界面而進入PML層；另一方面層該層介質的折射率與相鄰介質波折射率存在一定的梯度差，使進入PML層的透射波將迅速衰減，達到有限厚度的PML層對于入射波有很好的吸收效果。HC-PPCF是THz波與氣體相互作用的區域，四周是PML有損介質層，計算區域中的激勵源穿過吸收區和PML介質層的分界面，在PML層中被吸收。 數值解的時間穩定性取決于時間步長At與空間步長AX、Ay和Λ Z間的關系。運用Taflove等人在1975年對Yee氏差分形式對時間步長的限制條件，表示為:
【文檔編號】G01N21/39GK103512860SQ201210201779
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年6月19日 優先權日:2012年6月19日
【發明者】許雪梅, 張鍵洋, 楊兵初, 陶少華, 鄧宏貴, 丁家峰, 戴鵬, 李奔榮 申請人:中南大學