MEMS光纖溫度氫氣傳感器在油狀態監測中的應用研究*

趙 樂, 賈雅君, 江俊杰, 席東民, 劉林釗, 金之儉

(1.內蒙古工業大學 電力學院,內蒙古 呼和浩特 010010； 2.上海交通大學 電子信息與電氣工程學院,上海 200240)

0 引 言

電力變壓器、油浸式互感器等充油設備在正常運行時,由于受到電磁、焦耳熱、機械應力等其他環境因素影響,會使得設備的絕緣性能發生下降[1]。若設備發生熱故障,絕緣油的溫度將快速升高；而當設備發生電故障時,絕緣油內會產生氫氣、乙炔等故障氣體。通過對絕緣油的狀態進行監測,可有效識別充油設備的故障,降低電網的運行風險。傳統的油設備溫度測量方法主要采用了電子式溫度傳感器、紅外線測溫儀[2,3]等。電子式溫度傳感器在工作時易受到環境電磁場干擾,導致溫度測量存在較大誤差,而紅外線測溫儀則無法對油設備內部的溫度進行監測。此外,針對絕緣油中故障氣體組分的測量大多采用油色譜離線測量法和在線氣相色譜法[4,5],前者在每次檢測時需要抽取油樣,造成油量損耗,增加運維成本；而在線氣相色譜雖然避免了油樣抽取的步驟,但油氣分離過程耗時長,無法實現實時監測,亦需要對載氣系統進行定期維護。

基于光纖傳感原理的電氣設備在線監測技術一直是本行業的研究熱點之一[6]。華北電力大學的劉云鵬等人利用分布式光纖傳感器在35 kV油浸式變壓器內完成了溫度在線監測[7],昆明理工大學的王恩等人利用光纖布拉格(Bragg)光柵(FBG)溫度傳感器完成了變壓器油、鐵芯、繞組等溫度的在線監測[8]。南京航空航天大學和華北電力大學的江軍等人設計了一種基于側邊拋磨FBG的氫氣傳感器并驗證了其在變壓器油中的可行性[9]。新西蘭惠靈頓大學的Fisser M等人使用鈀金屬微結構與FBG結合的方法設計并驗證了一種應用于絕緣油中氫氣含量檢測的氫氣傳感器[10～12]。然而,目前溫度和氫氣的MEMS光纖傳感器相對獨立,缺乏溫度氫氣集成傳感器,相應地,針對復合傳感器在絕緣油監測中的應用研究也鮮有報道。

本文對MEMS光纖溫度和氫氣感知模塊的工作原理進行說明,對MEMS光纖溫度感知模塊進行標定實驗和氫氣感知模塊的可行性驗證試驗,最后對MEMS光纖溫度感知模塊性能優化方案進行了討論和驗證。

1 基本原理

1.1 溫度感知模塊

溫度感知模塊采用了FBG傳感技術[13]。當寬帶光源發出的脈沖光進入光纖光柵時,滿足布拉格條件的脈沖光會發生反射,其反射波長被稱為Bragg波長λB。

FBG反射光譜的Bragg波長滿足

λB=2·neff·Λ

(1)

Bragg波長λB隨纖芯的有效折射率neff和光柵間距Λ的改變而變化,當外界溫度發生變化時,由于熱光效應,光纖纖芯的有效折射率neff會發生變化,變化量為Δneff；由于熱膨脹效應,光纖柵距Λ發生變化,變化量為ΔΛ；Δneff和ΔΛ的變化會導致Bragg波長λB產生偏移,其偏移量ΔλB表示為

ΔλB=2(Δneff·Λ+neff·ΔΛ)

(2)

Δneff=ξ·neff·ΔT

(3)

ΔΛ=α·Λ·ΔT

(4)

=(ξ+α)ΔT

(5)

式中ξ為FBG的熱光系數,表示光纖折射率隨溫度的變化率；α為FBG的熱膨脹系數,表示光纖體積隨溫度的變化率。這里的熱膨脹系數α=0.21×10-7/℃。通常情況下,當溫度變化不大時,熱光系數ξ可以近似地認為常數,即ξ=7.0×10-6/℃。

由式(5)可得

ΔλB=λB(α+ξ)ΔT=KΔT

(6)

根據上式,可通過Bragg波長的偏移量ΔλB,求出對應的溫度變化值[14]。

1.2 氫氣感知模塊

光纖氫氣傳感器采用了反射式強度調制微結構與鈀金屬相結合的技術[15]。鈀金屬是一種常見的氫敏材料,當氫氣分子附著在鈀金屬表面時,氫氣分子會在鈀原子的催化作用下變成氫離子,氫離子與鈀金屬發生反應生成氫化鈀在生成氫化鈀的過程中,鈀材會發生形變,吸收氫離子越多,鈀材的形變越大。利用反射式強度調制微結構可以對鈀材的形變量進行測量,從而得到氫氣含量的變化[16],圖1為該感知模塊結構示意。

Pd+xHPdHx

(7)

圖1 溫度氫氣MEMS光纖復合傳感器結構示意

如圖1所示,絕緣油經油道組件進入傳感器后,油中溶解氣體通過半透膜被分離至傳感器封裝組件內,氫氣感知模塊在傳感器封裝組件內完成對氫氣含量的測量。光源發出的連續光經過傳輸光纖及波分復用模塊后,分別進入氫氣測量光纖和參考光纖。MEMS氫氣感知芯片與測量光纖及參考光纖的端面相耦合,測量光纖與芯片耦合面鍍有鈀膜,參考光纖端面可提供鏡面全反射。當鈀膜吸收氫氣后,測量光纖端面反射角度隨之發生變化,而參考光纖反射光不變。兩束光通過波分復用模塊后發生干涉,通過解調干涉光強度便可獲得油中溶解氫氣含量。

2 溫度感知模塊的標定實驗與優化方案驗證

2.1 溫度感知模塊的標定實驗

如圖2所示,MEMS光纖復合傳感器與探入式溫度計和高精度熱電偶溫度計同時浸沒在25號絕緣油中,恒溫磁力攪拌器可調控絕緣油溫度。實驗中,絕緣油溫度每升高10 ℃后,維持當前溫度10 min,同時記錄溫度感知模塊在該溫度下Bragg的波長值,測試溫度范圍為35～85 ℃,環境溫度與Bragg波長值的關系見表1。

圖2 恒溫磁力攪拌器

表1 環境溫度與Bragg波長值的關系

由式(6)可推導出實時溫度T′為

T′=T0+ΔT=T0+ΔλB/K

(8)

式中T0為初始溫度；ΔT為溫度變化量；ΔλB為Bragg波長偏移量；系數K=λB(α+ξ),對于確定的FBG光纖其為定值。由式(8)可知,實時溫度T′與隨溫度變化的Bragg波長λB=ΔλB+ΔλB0同樣呈一次函數關系。對表1中的溫度和Bragg波長進行一次函數擬合,如圖3所示。

圖3 溫度與Bragg波長的一次函數擬合

由于熱光系數ξ是一個關于溫度的線性函數,對表1進行二次函數的擬合,結果如圖4所示。

相較于一次函數,使用二次函數進行擬合可進一步提高擬合度。

圖4 溫度與Bragg波長的二次函數擬合

2.2 溫度感知模塊優化方案驗證

實驗選取了熱膨脹系數遠高于光纖包層和纖芯材料的聚酰亞胺(PI,熱膨脹系數：2×10-5/℃～3×10-5/℃),并將其均勻涂覆在光纖光柵表面以增加溫度感知模塊的靈敏度。為了對比明顯,同時制作了3種光纖光柵：其中,一種光柵表面未涂覆PI,一種光柵表面涂覆1層PI,最后一種光柵表面涂覆2層PI,每層PI厚度約為15 μm,3種光柵依次標記為G1～G3。如圖5所示,將制備好的3種光纖光柵固定在一起,同時測量并記錄在22 ℃時各光纖光柵的Bragg波長偏移量。實驗結果如表2。

圖5 3種光纖光柵

表2 涂覆前后Bragg波長的偏移量

由表2可知,相較于無PI涂覆的光柵,在光柵表面涂覆PI后,Bragg波長偏移量隨涂覆層厚度的增加而變大。進一步地,涂覆1層PI和涂覆2層PI的光柵的溫度靈敏度較之無涂覆的光柵溫度靈敏度分別提高了36.5和93倍。實驗結果充分表明,在光纖光柵上涂覆熱膨脹系數較大的材料可有效提升溫度感知模塊的靈敏度。

3 光纖氫氣感知模塊可行性驗證實驗

實驗分為兩個部分：氫氣感知模塊對氫氣的響應特性及氫氣感知模塊的恢復特性。

3.1 氫氣感知模塊響應特性驗證

將復合傳感器固定在定制密封容器接口處,在純油中注入一定含量的氫氣,記錄對應的Bragg波長及光強差。使用GH—300高純氫發生器制備高純度氫氣。

使用注射器向密封測量容器內注入6.5 mL氫氣,靜置2 h后,對比氫氣感知模塊在純油環境下的原始光譜圖與注射氫氣后的光譜圖。如圖6所示,光功率峰值從原先的-35 dBm下降至-42 dBm,表明氫氣感知模塊對油中溶解氫氣具有明顯地響應。

圖6 靜置2 h后響應特性光譜變化

3.2 氫氣感知模塊恢復特性驗證

將浸沒于含氫油樣的氫氣感知模塊重新轉移至純油中,并分別靜置60 min和80 min,再次觀察靜置兩個時間段后的氫氣感知模塊光譜光功率峰值的變化量。由圖7可知,在傳感器靜置60 min和80 min后,其光譜峰值均恢復至-40 dBm,這表明,一方面,氫氣感知模塊的光功率峰值均發生恢復,且強度未有明顯差別；另一方面,在上述兩種實驗條件下,光功率峰值并未恢復至原始狀態。

圖7 短時間靜置后恢復特性光譜變化

圖8 長時間靜置后恢復特性光譜變化

進一步地,將氫氣感知模塊在空氣中靜置24 h后,再次浸入純油并穩定2 h,相應的氫氣感知模塊光譜圖如圖8所示。氫氣感知模塊在空氣中靜置24 h后,其光譜峰值為-31 dBm,高于初始純油中氫氣感知模塊下的光譜峰值,這主要是由于空氣中的氫氣所導致；氫氣感知模塊浸入純油2 h后,光譜峰值發生下降,并穩定至-35 dBm,這表明氫氣感知模塊已恢復至初始狀態。

4 結 論

本文以絕緣油的油溫及油中溶解氫氣作為檢測對象,對溫度氫氣MEMS光纖復合傳感器在油中氣體檢測應用中的可行性進行了探究。實驗結果表明:復合傳感器的溫度感知模塊在35～85 ℃的絕緣油溫度范圍內,具良好的線性度。通過在FBG表面涂覆PI薄膜,溫度感知模塊靈敏度得到了顯著的提升。同時,復合傳感器的氫氣感知模塊對含氫油樣有明顯的響應,光譜光功率的峰值完成氫氣體積分數的測量后可恢復至初始狀態。至此,溫度氫氣MEMS光纖復合傳感器在油中氣體檢測應用中的可行性得到了初步驗證,為進一步在電力油設備在線監測的工程化應用作鋪墊。