CN103149169B - 利用痕量水气检测装置的标定系统对器件内部水进行标定的方法 - Google Patents

Abstract

以光纤气体传感器器件内部水为参考的痕量水气检测装置，属光纤检测技术领域。装置包括标定系统、DFB激光器、气室、PIN光电探测器及单片机等。标定系统用于对器件内部的水含量进行标定；DFB激光器位于气室前，光纤准直器位于气室内，PIN光电探测器位于光纤准直器之后，PIN光电探测器输出端连接差分放大电路的一个输入端，差分放大电路的输出端连接滤波电路，滤波电路的输出端和单片机的A/D采集端相连接，单片机和DFB激光器相连接为其提供驱动电流，单片机连接到差分放大电路的一个输入端为差分放大电路输入端提供输入信号。本发明具有抗电磁辐射、抗腐蚀、技术简单的优点，在使用中携带方便、性能稳定，且造价低廉。

Description

利用痕量水气检测装置的标定系统对器件内部水进行标定的方法

技术领域

本发明涉及一种以光纤气体传感器器件内部水为参考的痕量水气检测装置，属于光学水气检测技术领域。

背景技术

纯净的SF₆气体是一种无色无味、无毒性的气体，不会燃烧，化学性能稳定，在常温下不与其他物质产生化学反应，具有不燃的特性，优于绝缘油，因而具有良好的绝缘特性和灭弧特性，在正常条件下，是较为理想的绝缘介质。SF6负荷开关是近年来不少用户体会到的一种优良负荷开关，除电寿命长，开断力强等与真空负荷开关有共同的优点外，其突出优点是容易实现三工作位(接通、断开和接地)，小电流(电感、电容)开断，抗严酷环境条件能力强。适宜在城乡中压配电网推广应用。但在运行的SF₆开关设备中，由于SF₆制备不纯或设备密封不好等原因，可能含有水分，水分的存在会严重危及电气设备的安全可靠运行。因此对SF₆中的水气浓度的检测以及控制要求比较严格。

目前，我国电力系统中采用的测量仪主要有露点法、阻容法和电解法。露点仪操作简单,可在常压和高于常压下测量,但极易受到各种干扰因素的影响；阻容式湿度仪在实际应用中易受检测温度和检测压力的影响；电解法的缺点是现场测量前,测量系统本身并不干燥,往往有本底值,这使测量结果不够精确，并且它不能实现在线测量。

此外光纤气体传感器因其稳定性好、测量精度高、抗电磁干扰、在线检测、可实现无电检测等优点在痕量气体浓度的测量中得到越来越广泛的应用，并在一些易燃易爆气体的存储等特殊场合发挥着不可替代的作用。.当光通过水气介质时，激光与水分子发生相互作用，在对应水的吸收峰上产生吸收效应，可以用比尔-朗伯定律来描述，I_t(λ)=I₀(λ)exp[-α(λ)CL)]，其中I_t(λ)为透射距离L衰减后的光强，I₀(λ)为入射光强，α(λ)为对应波长下的吸收系数，可在数据库HITRAN2008查出。则当水气的浓度C不是特别大时C＝ln[I₀(λ)/I_t(λ)]/[α(λ)L]≈[1-I_t(λ)/I₀(λ)]//[α(λ)L]。可以得出，吸收率[1-I_t(λ)/I₀(λ)]与气体中水气的浓度C成正比。常军、王宗良、王伟杰、宋复俊等人的发明专利“一种基于扫描法的微水检测装置”就是介绍的这样一种用于痕量水气检测的气体传感器。但是光纤气体传感器器件内部中的水在这种痕量水气检测装置并未得到考虑。

通常光纤气体传感器的设计中，DFB激光器因其单色性好、线宽窄、功率稳定的优点而被广泛用作光源；光纤准直器用来准直激光，同时气体通过准直器封装的气孔进入到光纤准直器的内部，与激光相互作用；PIN光电探测器因其体积小、耦合效率高的优点常被用作光电转换器件。DFB激光器、光纤准直器及PIN光电探测器是光纤气体传感器结构中必不可少的器件，在它们的封装结构中因其工作原理的需要都存在一定宽度的缝隙，并且它们的生产都是在室内条件下完成的，缝隙中不可避免地充入了有一定水含量的空气。

光纤传感器的光路穿过这三个器件中的空气，器件内部的水对激光中水吸收峰对应吸收峰处的光造成吸收，如果不针对这本底水造成的吸收进行相应的信号处理或者进行检测技术的创新，检测结果必然会受到影响。同时器件中的空气与外界的空气是隔绝的，这样器件内部水的含量是相对稳定的。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷和不足，本发明提出了一种以光纤气体传感器器件内部水为参考的痕量水气检测装置，旨在提供使用方便、性能稳定、成本低的痕量水气检测装置。

本发明的技术方案是按以下方式实现的：

一种以光纤气体传感器器件内部水为参考的痕量水气检测装置，包括标定系统、DFB激光器、气室、光纤准直器、PIN光电探测器、差分放大电路、滤波电路及单片机，其特征在于DFB激光器位于气室前，光纤准直器位于气室内，PIN光电探测器位于光纤准直器之后；光纤准直器经单模光纤连接耦合到PIN光电探测器上，PIN光电探测器输出端连接差分放大 电路的一个输入端，差分放大电路的输出端连接滤波电路，滤波电路的输出端和单片机的A/D采集端相连接；单片机和DFB激光器相连接为其提供梯形波信号电流作为DFB激光器工作的驱动电流；单片机连接到差分放大电路的另一个输入端为差分放大电路输入端提供输入信号；

所述的标定系统包括DFB激光器、光纤耦合器、气室、光纤准直器、第一PIN光电探测器、第二PIN光电探测器、差分放大电路、滤波电路及单片机，DFB激光器位于光纤耦合器前，光纤耦合器输出端分作两路，一路经光纤连接到光纤准直器，光纤准直器位于气室内，光纤准直器的另一端经光纤连接耦合到第一PIN光电探测器上；光纤耦合器另一输出端经光纤连接直接耦合到第二PIN光电探测器上；第二PIN光电探测器的输出端连接到差分放大电路的一个输入端，差分放大电路的另一个输入端同第一PIN光电探测器的输出端或者单片机相连接为其提供梯形波输入信号；差分放大电路的输出端连接滤波电路，滤波电路的输出端和单片机的A/D采集端相连接；单片机和DFB激光器相连接为其提供梯形波信号电流作为DFB激光器工作的驱动电流。

所述的梯形波驱动信号特征为，单周期内梯形的上底和下底所占的时间比例相同，两个腰的倾斜程度相同。

以光纤气体传感器器件内部水为参考的痕量水气检测装置，用此装置对水气浓度进行检测分为标定和测量两大部分进行：

本装置是利用光纤气体传感器部分器件内部的水作为参考，来检测气室内的痕量水气。因此首先要对这些器件内部的水含量进行标定。

一种利用上述检测装置的标定系统对器件内部的水含量进行标定的方法，步骤如下：

连接好标定系统；打开示波器电源，打开标定系统的电源；调试光路及电路使其正常工作；

将第二PIN光电探测器的光电转换信号和单片机产生的梯形波信号接入差分放大电路的两个输入端；调节第二PIN光电探测器的光电转换信号的放大倍数，用示波器接到第二PIN光电探测器的输出端观察其波形，直到第二PIN光电探测器的光电转换信号的幅度及曲线的斜率与单片机产生的梯形波信号达到一致；通过单片机输出得到电压值V₁，此电压值为吸收峰峰值与梯形波底部对应值的电压差值；V₁对应DFB激光器和第二PIN光电探测器中的水气；

保持第二PIN光电转换信号的电路参数不变；将第二PIN光电探测器的光电转换信号和第一PIN光电探测器的光电转换信号接入差分放大电路的两个输入端；调节第一PIN光电探测器的光电转换信号的放大倍数，用示波器接到第一PIN光电探测器的输出端观察其波形，直到第一PIN光电探测器的光电转换信号的幅度及曲线的斜率与第二PIN光电探测器的光电转换信号达到一致；通过单片机采集得到吸收峰峰值与梯形信号底部对应的值的电压差值V₂，V₂对应光纤准直器中的水气和气室内的水；

准备十组已知水气浓度的样本气体，分别按照一个相同的流量通入到气室，通过单片机的输出得到相对应的不同的电压值V₂利用已知的水气浓度通过公式η=1-exp[-α(λ)CL)]计算得出吸收率η，其中：α(λ)为对应波长λ下的吸收系数，C为气室内的水气浓度，L为光在气室内的传输距离，描绘出“V₂-气体吸收率η曲线图”，V₂轴上截距为电压值V₀对应光纤准直器器件内部中的水；利用“V₂-气体吸收率η曲线图”分别推算出光纤准直器、DFB激光器和PIN光电探测器对激光光强造成的影响；在“V₂-气体吸收率η曲线图”上V₀+V₁对应处的气体吸收率对应光纤准直器、DFB激光器和PIN光电探测器三个器件内部的水气。

在对光纤气体传感器部分器件内部存在的水的含量作了标定后，利用以光纤气体传感器器件内部水为参考的痕量水气检测装置对气室内的水气浓度进行测量。

一种利用上述检测装置对待测气体进行痕量水气检测的方法，步骤如下：

①连接好检测系统；打开示波器电源；打开标定系统的电源；调试光路及电路使其正常工作；待测气体通入到气室中；

②控制单片机产生的梯形波信号与标定系统对器件内部的水含量进行标定的方法中步骤 中单片机产生的梯形波信号大小相同；将PIN光电探测器的光电转换信号和单片机产生的 梯形波信号接入差分放大电路的两个输入端；调节PIN光电探测器的光电转换信号的放大倍数，用示波器观察其波形，直到PIN光电探测器的光电转换信号的幅度及曲线的斜率与单片机产生的梯形波信号达到一致；通过单片机采集得到吸收峰峰值与梯形波底部对应的值的电压差值V，V对应DFB激光器、光纤准直器中的水气、PIN光电探测器和气室内的水气；

③上述步骤中测量得到的V对应DFB激光器、光纤准直器中的及气室水气、PIN光电探测器三个器件内部水以及气室中待测水气，器件内部水产生的影响已经在标定系统对器件内部的水含量进行标定的方法中测出，以此为参考计算V₀+V₁在V中所占的比例，得出气室中待测水气对激光所产生的吸收率，再利用吸收率公式η=1-exp[-α(λ)CL)]计算出水气浓度；

④待测气体的水气浓度检测完毕，关闭电源，整理仪器装置。

本发明所用的光源是中心波长为1370nm的DFB激光器，其线宽在MHz量级，相比于扫描范围可视为线状谱光线；标定系统所用的光纤耦合器为熔融拉锥型1×2的3dB光纤耦合器，经过它的激光会被平均分为光强比例1：1的两束。

本发明以光纤气体传感器器件内部水为参考的痕量水气检测装置有以下优点：

巧妙地利用的光纤气体传感器器件中的本底水作为参考；梯形波电流用于激光器的驱动使得电信号的波形调整变得更加方便；装置设计中省去了光纤耦合器并只采用单个探测器节约了成本；传感器不带电，可采用光纤传输信号，实现特殊环境下水气浓度的无电检测。

附图说明

图1为本发明痕量水气检测装置的示意图。

其中：1、单片机，2、DFB激光器，3、气室，4、光纤准直器，5、PIN光电探测器，6、差分放大电路，7、滤波电路。

图2为标定系统示意图，用于标定基于光纤气体传感器器件本底水的痕量水气检测装置中器件DFB激光器、光纤准直器及PIN光电探测器三个器件内部水气对激光造成吸收率。

其中：8、单片机，9、DFB激光器，10、光纤耦合器，11、气室，12、光纤准直器，13、第一PIN光电探测器，14、第二PIN光电探测器，15、差分放大电路，16、滤波电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例1：

本发明装置的实施例1如图1-2所示，包括标定系统、DFB激光器2、气室3、光纤准直器4、PIN光电探测器5、差分放大电路6、滤波电路7及单片机1，其特征在于DFB激光器2位于气室3前，光纤准直器4位于气室3内，PIN光电探测器5位于光纤准直器4之后，光纤准直器4经单模光纤连接耦合到PIN光电探测器5上，PIN光电探测器5输出端连接差分放大电路6的一个输入端，差分放大电路6的输出端连接滤波电路7，滤波电路7的输出端和单片机1的A/D采集端相连接；单片机1和DFB激光器2相连接为其提供梯形波信号电流作为DFB激光器2工作的驱动电流；单片机1连接到差分放大电路6的另一个输入端为差分放大电路6输入端提供输入信号；

所述的标定系统包括DFB激光器9、光纤耦合器10、气室11、光纤准直器12、第一PIN光电探测器13、第二PIN光电探测器14、差分放大电路15、滤波电路16及单片机8，DFB激光器9位于光纤耦合器10前，光纤耦合器10输出端分作两路，一路经光纤连接到光纤准直器12，光纤准直器12位于气室11内，光纤准直器12的另一端经光纤连接耦合到第一PIN光电探测器13上；光纤耦合器10另一输出端经光纤直接连接耦合到第二PIN光电探测器14上；第二PIN光电探测器14的输出端连接到差分放大电路15的一个输入端，差分放大电路15的另一个输入端同第一PIN光电探测器13的输出端或者单片机8相连接为其提供梯形波输入信号；差分放大电路15的输出端连接滤波电路16，滤波电路16的输出端和单片机8的A/D采集端相连接；单片机8和DFB激光器9相连接为其提供梯形波信号电流作为DFB激光器9工作的驱动电流。

实施例2：

一种利用上述检测装置的标定系统对器件内部的水含量进行标定的方法，步骤如下：

连接好标定系统；打开示波器电源，打开标定系统的电源；调试光路及电路使其正常工作；

将第二PIN光电探测器的光电转换信号和单片机产生的梯形波信号接入差分放大电路的两个输入端；调节第二PIN光电探测器的光电转换信号的放大倍数，用示波器接到第二PIN光电探测器的输出端观察其波形，直到第二PIN光电探测器的光电转换信号的幅度及曲线的斜率与单片机产生的梯形波信号达到一致；通过单片机输出得到电压值V₁，此电压值为吸收峰峰值与梯形波底部对应值的电压差值；V₁对应DFB激光器和第二PIN光电探测器中的水气；

保持第二PIN光电转换信号的电路参数不变；将第二PIN光电探测器的光电转换信号和第一PIN光电探测器的光电转换信号接入差分放大电路的两个输入端；调节第一PIN光电探测器的光电转换信号的放大倍数，用示波器接到第一PIN光电探测器的输出端观察其波形，直到第一PIN光电探测器的光电转换信号的幅度及曲线的斜率与第二PIN光电探测器的光电转换信号达到一致；通过单片机采集得到吸收峰峰值与梯形信号底部对应的值的电压差值V₂，V₂对应光纤准直器中的水气和气室内的水；

准备十组已知水气浓度的样本气体，分别按照一个相同的流量通入到气室，通过单片机的输出得到相对应的不同的电压值V₂利用已知的水气浓度通过公式η=1-exp[-α(λ)CL)]计算得出吸收率η，其中：α(λ)为对应波长λ下的吸收系数，C为气室内的水气浓度，L为光在气室内的传输距离，描绘出“V₂-气体吸收率η曲线图”，V₂轴上截距为电压值V₀对应光纤准直器器件内部中的水；利用“V₂-气体吸收率η曲线图”分别推算出光纤准直器、DFB激光器和PIN光电探测器对激光光强造成的影响；在“V₂-气体吸收率η曲线图”上V₀+V₁对应处的气体吸收率对应光纤准直器、DFB激光器和PIN光电探测器三个器件内部的水气。

在对光纤气体传感器部分器件内部存在的水的含量作了标定后，利用以光纤气体传感器器件内部水为参考的痕量水气检测装置对气室内的水气浓度进行测量。

一种利用上述检测装置对待测气体进行痕量水气检测的方法，步骤如下：

①连接好检测系统；打开示波器电源；打开标定系统的电源；调试光路及电路使其正常工作；待测气体通入到气室中；

②控制单片机产生的梯形波信号与标定系统对器件内部的水含量进行标定的方法中步骤 中单片机产生的梯形波信号大小相同；将PIN光电探测器的光电转换信号和单片机产生的梯形波信号接入差分放大电路的两个输入端；调节PIN光电探测器的光电转换信号的放大倍数，用示波器观察其波形，直到PIN光电探测器的光电转换信号的幅度及曲线的斜率与单片机产生的梯形波信号达到一致；通过单片机采集得到吸收峰峰值与梯形波底部对应的值的电压差值V，V对应DFB激光器、光纤准直器中的水气、PIN光电探测器和气室内的水气；

③上述步骤中测量得到的V对应DFB激光器、光纤准直器中的及气室水气、PIN光电探测器三个器件内部水以及气室中待测水气，器件内部水产生的影响已经在标定系统对器件内部的水含量进行标定的方法中测出，以此为参考计算V₀+V₁在V中所占的比例，得出气室中待测水气对激光所产生的吸收率，再利用吸收率公式η=1-exp[-α(λ)CL)]计算出水气浓度；

④待测气体的水气浓度检测完毕，关闭电源，整理仪器装置。

Claims (1)

1.一种利用痕量水气检测装置的标定系统对器件内部水进行标定的方法，痕量水气检测装置包括标定系统、DFB激光器、气室、光纤准直器、第二PIN光电探测器、差分放大电路、滤波电路及单片机；标定系统包括光纤耦合器、第一PIN光电探测器连同上述的DFB激光器、气室、光纤准直器、第二PIN光电探测器、差分放大电路、滤波电路及单片机，其中DFB激光器位于光纤耦合器前，光纤耦合器输出端分作两路，一路经光纤连接到光纤准直器，光纤准直器位于气室内，光纤准直器的另一端经光纤连接耦合到第一PIN光电探测器上；光纤耦合器另一输出端经光纤连接直接耦合到第二PIN光电探测器上；第二PIN光电探测器的输出端连接到差分放大电路的一个输入端，差分放大电路的另一个输入端同第一PIN光电探测器的输出端或者单片机相连接为其提供梯形波输入信号；差分放大电路的输出端连接滤波电路，滤波电路的输出端和单片机的A/D采集端相连接；单片机和DFB激光器相连接为其提供梯形波信号电流作为DFB激光器工作的驱动电流；需要标定的对应器件为光纤准直器、DFB 激光器和第二PIN 光电探测器，其特征在于标定方法步骤如下：

连接好标定系统：DFB激光器位于光纤耦合器前，光纤耦合器输出端分作两路，一路经光纤连接到光纤准直器，光纤准直器位于气室内，光纤准直器的另一端经光纤连接耦合到第一PIN光电探测器上；光纤耦合器另一输出端经光纤连接直接耦合到第二PIN光电探测器上；第二PIN光电探测器的输出端连接到差分放大电路的一个输入端，差分放大电路的另一个输入端同第一PIN光电探测器的输出端或者单片机相连接为其提供梯形波输入信号；差分放大电路的输出端连接滤波电路，滤波电路的输出端和单片机的A/D采集端相连接；单片机和DFB激光器相连接为其提供梯形波信号电流作为DFB激光器工作的驱动电流；打开示波器电源，打开标定系统的电源；调试光路及电路使其正常工作；

将第二PIN光电探测器的光电转换信号和单片机产生的梯形波信号接入差分放大电路的两个输入端；调节第二PIN光电探测器的光电转换信号的放大倍数，用示波器观察其波形，直到第二PIN光电探测器的光电转换信号的幅度及曲线的斜率与单片机产生的梯形波信号达到一致；通过单片机输出得到电压值V₁，此电压值为吸收峰峰值与梯形波底部之间的电压差值；V₁对应DFB激光器和第二PIN光电探测器中的水气；

保持第二PIN光电转换信号的电路参数不变；将第二PIN光电探测器的光电转换信号和第一PIN光电探测器的光电转换信号接入差分放大电路的两个输入端；调节第一PIN光电探测器的光电转换信号的放大倍数，用示波器观察其波形，直到第一PIN光电探测器的光电转换信号的幅度及曲线的斜率与第二PIN光电探测器的光电转换信号达到一致；通过单片机输出得到电压值V ₂ ，此电压值为吸收峰峰值与梯形信号底部对应的值的电压差值，V ₂ 对应光纤准直器中的水气和气室内的水；

准备十组已知水气浓度的样本气体，分别按照一个相同的流量通入到气室，通过单片机的输出得到相对应的不同的V ₂ 值，利用已知的水气浓度通过公式η=1-exp[-α(λ)CL)]计算得出吸收率η，其中：α(λ)为对应波长λ下的吸收系数，C为气室内的水气浓度，L为光在气室内的传输距离，描绘出“V ₂ -气体吸收率曲线图”，V ₂ 轴上的截距为电压值V₀ ，V₀对应光纤准直器器件内部中的水；利用“V ₂ -气体吸收率曲线图”可以分别推算出光纤准直器、DFB激光器和第二PIN光电探测器对激光光强造成的影响；在“V ₂ -气体吸收率曲线图”上V₀+V₁对应处的气体吸收率对应光纤准直器、DFB激光器和第二PIN光电探测器三个器件内部的水气。