引用本文:
张锦龙,员琳,韩笑笑,等:双层管式微型光纤光栅传感器封装技术[J]. 光通信技术,2019,43(6):5-8.
张锦龙1,员 琳1,韩笑笑1,张 峰2,樊琳琳2
(1. 河南大学 物理与电子学院,河南 开封 475000;2. 北京邮电大学 电子工程学院,北京 100876)
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要:为满足厦门鹭岛柔直换流站示范工程中换流阀绝缘栅双极型晶体管(IGBT)结温监测系统对光纤光栅传感器的需求,设计了双层管式微型光纤布喇格光栅(FBG)传感器。采用点胶式和灌胶与点胶结合式2种封装方法,实现了直径为1.2mm圆柱形极小尺寸封装,通过搭建实验平台对其进行温度特性标定和重复性测试。实验结果表明:封装后的光纤光栅温度特性良好,二次拟合优度均达到0.999以上,并且均具有很好的重复性;其尺寸和性能完全满足工程现场参数要求,适用于对传感器结构参数和兼容性要求较高的场合。
关键词:光纤光栅;温度传感器;微型双端封装;双层管式
中图分类号:TN915.62 文献标志码:A 文章编号:1002-5561(2019)06-0005-04
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2019.06.002
0 引言
柔性直流输电换流阀绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是电力系统中的关键设备[1]。换流阀一旦出现故障,将导致整个输电系统瘫痪,甚至会发生更大的安全事故[2]。因此,换流阀的安全运行极其重要。由于IGBT功率模块处于内部电流频繁大规模波动的工作环境,长时间维持大电流工作易导致其内部高温损坏失效。为评估IGBT模块的可靠性并及时调整其工作状态,需要对IGBT模块的温度进行实时监测,这对分析IGBT功率模块的工作寿命以及提高电网工作的可靠性有着极其重要的意义[3-5]。由于电力系统中热电偶传感器易失效[6],本文采用光纤光栅温度传感器对IGBT结温进行实时监测。根据工程需求,将传感器埋设部位设定于螺母外侧深度为1.2mm的槽孔,采用直径不大于1.2mm、长度为10mm左右的光纤光栅传感器进行嵌入式安装及布线。传统的双端出纤光纤光栅传感器直径至少为3mm,难以满足换流阀中的安装需求,且工程设定的测量点达数千,而单端出纤针式传感器只能通过光分路器来完成多点信息的同时采集,但光分路器插入损耗大、信号提取困难且占据大量测试通道,线路过于复杂。
因此,本文将光纤布喇格光栅(FBG)施与预应力后,由外径分别为0.8mm和1.2mm的毛细钢管封装成双端出纤的微型传感器,使多个测量点集中在一条线路上,从而压缩测量通道、简化测试线路;在采用双层套管封装技术使传感器能精确测量温度的同时,也不受外力的影响,并通过实验室搭建平台对传感器的温度特性进行测试,采用二次多项式拟合以提升测温精度。
3 结束语
本文设计了双层管式双端光纤光栅传感器,分别采用点胶式和灌胶与点胶结合2种封装方式。该传感器的双层结构消除了应力对传感器的影响,且封装后直径为1.2mm的极小尺寸在满足IGBT温度监测系统微型传感器需求的情况下,实现了对温度的精确测量。温度特性和重复性测试结果表明:该传感器温度特性良好,2种封装的温度与波长二次多项式拟合优度均达0.999以上,其中点胶式封装传感器的二次多项式拟合优度达0.99988751;灌胶与点胶结合封装的传感器二次多项式拟合优度达0.99996278。2种封装方式重复性能良好,该传感器可用于IGBT结温监测、电力系统中芯片结温的监测等对传感器尺寸要求高的场合。