作為電力系統的核心裝置，油浸式電力變壓器是電力傳輸通道的關鍵節點，其安全穩定運行對電力系統的可靠性和能源互聯網的建設至關重要。通過對變壓器油箱進行壓力監測，可以掌握其內部出現嚴重故障導致氣化時的壓力變化過程，從而及時采取有效的措施，確保變壓器安全運行。現有的壓力傳感器通常使用金屬封裝或空腔結構，如果直接在變壓器內部使用，會對變壓器的絕緣造成威脅。

據麥姆斯咨詢報道，為了解決該問題，華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室的研究人員提出一種開發高靈敏度、寬量程、無金屬化、帶溫度補償的光學壓力傳感器的方法。相關研究成果以“A metal-free optical pressure sensor with high sensitivity and extensive range”為題發表在CSEE Journal of Power and Energy Systems期刊上。

該方法基于波長解調光纖光柵技術。研究人員采用氟硅橡膠封裝光纖光柵，并在其外部添加環氧樹脂屏蔽殼，形成無金屬化封裝結構。同時，采用雙光柵垂直排列的方式，提高了壓力測量的靈敏度，進一步避免了變壓器故障導致的溫升對傳感器測量結果的影響。此外，通過優化內部敏感元件的幾何結構、光纖光柵的預拉伸長度、間隙距離等參數，在保證傳感器性能的同時減小了探頭尺寸。

圖1 聚合物封裝的光學壓力傳感器的半剖視圖

圖2 雙光柵交叉布局示意圖

該方法能夠滿足不同靈敏度和量程的壓力傳感器制備要求，并在一定程度上兼顧了高靈敏度和寬量程。研究人員通過靈活選擇敏感元件的尺寸和預拉伸長度，驗證了該方法的有效性。所制備的傳感器原型靈敏度為15 pm/kPa，量程約為0.2 MPa。同時，研究人員通過測量油隙擊穿時的壓力波形，驗證了壓力傳感器在放電環境下測量油壓的可行性和有效性。該壓力傳感器的無金屬特性使其適用于各種油浸式動力設備，它能夠記錄因電氣放電擊穿而引起的油壓變化，因此對變壓器早期故障中的微小壓力變化非常敏感。

圖4 不同光學壓力傳感器的靈敏度和量程比較

圖5 光學壓力傳感器在45 ~ 120℃范圍內、0 kPa時的測量結果（無溫度補償）

圖6 光學壓力傳感器在45 ~ 120℃范圍內、0 kPa時的測量結果（帶溫度補償）

圖7 光學壓力傳感器在45 ~ 120℃范圍內、10 kPa時的測量結果（帶溫度補償和無溫度補償）

圖8 放電室內的光學壓力傳感器

圖9 光學壓力傳感器記錄的擊穿瞬間的壓力波形

綜上所述，這項研究提出一種開發高靈敏度、寬量程的無金屬光學壓力傳感器的方法。基于該方法制備出的光學壓力傳感器原型靈敏度為15 pm/kPa，量程為0.2 MPa。該傳感器可用于油紙絕緣環境中的壓力監測，在高靈敏度檢測場景以及更廣泛的領域具有潛在應用價值。

審核編輯：劉清