一种膜片式局部放电传感器及其制作方法与流程

1.本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种膜片式局部放电传感器及其制作方法。


背景技术：

2.局部放电是绝缘开关(gis)发生绝缘故障的重要征兆和表现形式，通过对gis局部放电信号进行检测，可以及时有效地发现gis内部存在的缺陷，从而实现故障预警。因此，研究gis局放检测技术，对于保障设备安全和供电可靠性起到关键的作用。
3.现有局放检测最常采用膜片式局部放电传感器及其制作方法进行。目前市场上存在的绝大部分膜片式传感器皆包括：单模光纤、形成法珀腔的腔体及反射膜片，单模光纤和反射膜片分别位于法珀腔的两端面。工作原理如下：输入光从单模光纤进入，在单模光纤与法珀腔相接的端面反射和透射，反射光返回单模光纤内形成反射光线α；透射光经过法珀腔到达反射膜片内表面，并在反射膜片内表面再次反射和透射，反射光通过法珀腔回到单模光纤内形成反射光线β，反射光线α和反射光线β在单模光纤内形成干涉，并且干涉光沿单模光纤输出。根据光的干涉原理，两束具有光程差的光相遇时会产生干涉现象，形成干涉光，且干涉光的相位与光程差有关。在这个过程中，两束反射光线的光程差只与法珀腔的空气折射率和法珀腔长度有关，空气折射率一般不变或变化很小，所以对光程差起决定性因素的就是法珀腔长度。局部放电时会产生超声波，反射膜片受到超声波作用时产生振动，膜片的振动改变了法珀腔的长度，从而引起了光程差变化，最终导致干涉光相位偏移。检测时，通过检测干涉光相位偏移即可得知是否发生了局部放电。
4.目前市面上的膜片式局部放电传感器的膜片弹性形变小，从而导致干涉光的相位偏移小，进而导致检测灵敏度低。


技术实现要素：

5.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中膜片式局部放电传感器膜片弹性形变小导致检测灵敏度低的缺陷，从而提供一种能够增大膜片弹性形变的膜片式局部放电传感器及其制作方法。
6.为解决上述技术问题，本发明提供的膜片式局部放电传感器，包括：
7.单模光纤；
8.毛细管，套接在所述单模光纤的外侧；
9.扩充管，设有至少一层，且逐层套接在所述毛细管的外侧；
10.管壳，套接在所述扩充管的外侧；
11.所述单模光纤、毛细管、扩充管和管壳皆同轴且相对固定，所述单模光纤、毛细管和扩充管的一端齐平以形成工作面，所述管壳的一端外伸于所述工作面以形成外伸段；
12.反射膜片，焊接于所述外伸段的端部，且厚度为30
‑
40μm；
13.所述反射膜片、外伸段及工作面共同围成法珀腔。
14.可选的，所述单模光纤、毛细管、扩充管、管壳及反射膜片皆为石英材质。
15.可选的，所述单模光纤、毛细管、扩充管、管壳及反射膜片之间皆通过co2激光打点焊接。
16.可选的，所述外伸段开设有气孔。
17.可选的，所述法珀腔的长度为32～39μm。
18.可选的，所述反射膜片焊接于所述外伸段的端面外侧，所述反射膜片的外径与所述管壳的外径相等。
19.本发明提供的制作方法，依次包括如下步骤：
20.s1.将单模光纤穿入毛细管且一端对齐形成对齐端面，通过co2激光打点焊接，形成第一整体；
21.s2.将所述第一整体穿入扩充管内且所述对齐端面与所述扩充管端面对齐，通过co2激光打点焊接，若设有两层或以上的扩充管，则逐层穿入固定，形成第二整体；
22.s3.将所述第二整体穿入管壳内，使得所述管壳的端面外伸于所述对齐端面形成外伸段，通过co2激光打点焊接；
23.s4.选用厚度为30
‑
40μm的反射膜片，并将反射膜片贴合在所述外伸段的端部，通过co2激光打点焊接。
24.可选的，在步骤s2与s3之间还有步骤a：
25.在管壳的一端部的管壁上开设气孔，且使得在步骤s3中所述气孔位于所述外伸段。
26.可选的，在步骤s1～s3中，选取距离对齐端面1～2cm处作为co2激光打点焊接点。
27.可选的，在步骤s4中，所述反射膜片与所述对齐端面之间的距离为32～39μm。
28.本发明技术方案，具有如下优点：
29.1.本发明提供的膜片式局部放电传感器，设有至少一层扩充管，能够增大反射膜片的直径，并且反射膜片厚度为30
‑
40μm，反射膜片的厚度更薄。通过增大面积和减小厚度，反射膜片在受到超声波作用时产生的弹性形变更大，从而增加了干涉光的相位偏移，进而提高了传感器的检测灵敏度。
30.2.本发明提供的膜片式局部放电传感器，反射膜片焊接于管壳的端部，不需通过额外的部件进行固定，增大了反射膜片的有效直径，从而进一步增大了其检测灵敏度。
31.3.本发明提供的膜片式局部放电传感器，各组成部件皆采用石英制成，石英材料具有稳定、耐高温、抗电磁干扰等特点，同时避免了不同材料间由于热膨胀系数和热光系数的差异导致的微小形变，可有效提高传感器结构稳定性。另外，石英材料价格低廉，节约了传感器的成本。
32.4.本发明提供的膜片式局部放电传感器，各组成部件之间通过co2激光打点焊接实现相对固定，能够避免外界环境造成的连接松动，从而增加传感器使用寿命和检测精度。
33.5.本发明提供的膜片式局部放电传感器，在外伸段开设有气孔，能够平衡反射膜片两侧的压差，使得传感器能够应用于不同压强环境，扩大了传感器的应用范围，同时便于排出因温升而膨胀的气体，减少因温度变化对反射膜片造成的影响。
34.6.本发明提供的膜片式局部放电传感器，法珀腔的长度为32～39μm，干涉光的自由光谱范围更大，干涉光的相位偏移范围更大，从而增加了超声检测的范围，同时能够减少
不必要的反射和透射次数，降低损耗。
35.7.本发明提供的制作方法，采用从内至外逐层co2激光打点焊接的方式对传感器的各部件进行组装，操作简单，且法珀腔的长度可控，传感器样品制备重复率高、一致性好。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1为本发明实施例第一整体的结构示意图；
38.图2为本发明实施例第二整体的结构示意图；
39.图3为本发明实施例膜片式局部放电传感器的结构示意图(去除反射膜片)；
40.图4为本本发明实施例膜片式局部放电传感器的结构示意图。
41.附图标记说明：
42.1、单模光纤；2、毛细管；3、扩充管；4、管壳；41、气孔；5、反射膜片。
具体实施方式
43.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
45.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
46.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
47.实施例一
48.本实施例提供一种膜片式局部放电传感器，包括单模光纤1、毛细管2、扩充管3、管壳4及反射膜片5。
49.毛细管2，套接在单模光纤1的外侧。毛细管2主要用以安装单模光纤1。
50.扩充管3，设有至少一层，且逐层套接在毛细管2的外侧。本实施例中优选两层，如图2所示。
51.管壳4，套接在扩充管3的外侧。管壳4主要用以安装反射膜片5。
52.单模光纤1、毛细管2、扩充管3和管壳4皆同轴且相对固定，单模光纤1、毛细管2和扩充管3的一端齐平以形成工作面，管壳4的一端外伸于工作面以形成外伸段。所谓工作面即参与整个检测工作的结构，具体的，该工作面形成了法珀腔的一个端面。
53.反射膜片5，焊接于外伸段的端部，且厚度为30
‑
40μm。如果采用螺钉等其他部件进行固定，总会覆盖反射膜片5的部分区域，这样会减小反射膜片5的有效直径；本发明采用焊接的方式固定在外伸段，不需借用其他的部件进行固定，相对而言增大了反射膜的有效直径，从而增大了其受到超声波作用时的弹性形变，进而提高了其检测灵敏度。具体的，反射膜片5可以套接在管壳4的外端内侧，也可以焊接于外伸段的端面外侧，反射膜片5的外径与管壳4的外径相等，优选后者，这样可最大程度的提高其有效直径。具体的，焊接手段根据发射膜片和管壳4的具体材质决定，这是本领域人员容易设计的。具体的，反射膜片5的厚度可以为30μm或35μm或40μm。
54.反射膜片5、外伸段及工作面共同围成法珀腔。具体的，反射膜片5的内端面、外伸段的内壁以及工作面共同围成法珀腔。
55.作为上述方案的一种优选方案，单模光纤1、毛细管2、扩充管3、管壳4及反射膜片5皆为石英材质。具有两个好处：第一，因石英本身具有稳定、耐高温、抗电磁干扰等特性，所以采用石英制成本传感器，能够使本传感器具有这些优点，同时采用同种材料制作，也能避免不同材料间由于热膨胀系数和热光系数的差异导致的微小形变，可提高传感器的结构稳定性；第二，石英价格低廉，节约了传感器的制作成本。当然，其他实施例中，也可采用塑料等其他材料去制作传感器的各组成部分，或者采用不同材料分别制作传感器的不同组成部分。
56.当单模光纤1、毛细管2、扩充管3、管壳4及反射膜片5皆为石英材质时，采用co2激光打点焊接的方式实现各组成部分的连接，结构连接紧密，连接点不易松动，能够提高传感器的使用寿命。
57.作为上述技术方案的改进方案，外伸段开设有气孔41。气孔41的形状不作限定，圆形、方形、三角形或其他形状皆可，只要能起到连通法珀腔与外界的功能即可。气孔41具有两个好处：第一，可平衡膜片两侧压差，使得传感器能够应用于不同压强环境，扩大了传感器的应用范围；第二，当温度升高时，膨胀的气体可从气孔41排出，减少因温度变化对反射膜片5的影响，从而保证了其检测精度。
58.优选的，法珀腔的长度为32～39μm。具体的，可以为32μm或35μm或37μm或39μm。法珀腔的长度设计较短，干涉光的自由光谱范围更大，干涉光的相位偏移范围更大，从而增加了超声检测的范围，同时能够减少不必要的反射和透射次数，降低损耗。
59.基于前述的具体实现形式，本实施例膜片式局部放电传感器的使用方法如下：从光源发出的光束，首先在单模光纤1中传输，传输至工作面时发生反射和透射，反射光返回单模光纤1内形成反射光线α，透射光经过法珀腔内的空气到达反射膜片5的内表面，在反射膜片5的内表面再次反射和透射，反射光通过空气回到单模光纤11内形成反射光线β，这两束反射光线α和β在单模光纤1内形成干涉，并且干涉光沿单模光纤1输出。通过耦合器耦合进出射光线，传输到光谱仪中，分析光谱数据可判断是否发生局部放电。
60.实施例二
61.本实施例提供一种膜片式局部放电传感器的制作方法，依次包括如下步骤：
62.s1.将单模光纤1穿入毛细管2且一端对齐形成对齐端面，通过co2激光打点焊接，形成第一整体；具体的，选用距离对齐端面1cm处的位置作为焊接点，焊接时要保证焊接点最深处不接触单模光纤1的纤芯，避免对其造成损坏；
63.s2.将第一整体穿入扩充管3内且对齐端面与扩充管3端面对齐，通过co2激光打点焊接，若设有两层或以上的扩充管3，则逐层穿入固定，形成第二整体；具体的，选用距离对齐端面1.3cm处的位置作为焊接点；设有几层扩充管3则要焊接几次，例如图2中有两层扩充管3，则需要先将第一整体穿入内层的扩充管3进行焊接固定，然后再将形成的整体穿入外层的扩充管3进行焊接固定，从而形成第二整体；
64.s3.将第二整体穿入管壳4内，使得管壳4的端面外伸于对齐端面形成外伸段，通过co2激光打点焊接；具体操作时，可将管壳4水平放置，将第二整体的对齐端面从管壳4的左端面穿入，在显微镜下边观察边操作，缓慢移动第二整体，使对齐端面缓慢向管壳4右端面靠近，在对齐端面距离管壳4右端面36μm时停止移动，并选用距离对齐端面1.8cm处的位置作为焊接点；
65.s4.选用厚度为30
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40μm的反射膜片5，并将反射膜片5贴合在外伸段的端部，通过co2激光打点焊接。具体的，反射膜片5可以套接在管壳4的外端内侧，也可以焊接于外伸段的端面外侧，反射膜片5的外径与管壳4的外径相等，优选后者，这样可最大程度的提高其有效直径。具体的，反射膜片5的厚度可选择30μm或35μm或40μm。
66.作为上述方案的进一步改进，在步骤s2与s3之间还有步骤a：
67.在管壳4的一端部的管壁上开设气孔41，且使得在步骤s3中气孔41位于外伸段。具体操作时，可在步骤s3之前先将管壳4水平放置，在距离管壳4右端面20μm处开设气孔41。
68.具体的，在步骤s4中，反射膜片5与对齐端面之间的距离为32～39μm，可以为32μm或35μm或37μm或39μm。实际操作时，主要是通过步骤s3中外伸段的长度来控制这个距离。
69.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。