CN104198130A - 一种sf6气体泄漏的点阵激光诱导击穿光谱检测方法 - Google Patents
一种sf6气体泄漏的点阵激光诱导击穿光谱检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种SF6气体泄漏的点阵激光诱导等离子体（LIBS）光谱检测方法，该方法采用的系统由嵌入式系统主机（18）、高能量脉冲激光器（1）、扩束镜（3）、聚焦透镜阵列（5）、分束镜（6）、光电探测器阵列（10）、驱动放大输出电路（11）、声光可调滤波器（12）、AOTF驱动控制器（13）、透镜（19）组成。该发明采用点阵LIBS技术对监测区域多点进行硫元素及氟元素LIBS信号实时分析，进而判断是否有SF6气体泄漏及SF6气体泄漏的大致浓度分布。本发明采用了点阵LIBS测量，较单点测量更高效；LIBS光谱分析采用了AOTF进行两个波长选择，无需常规光谱仪分光及光谱分析，节省了分析时间，提高了实时性。除了可判断是否有SF6气体泄漏以外，还可分析SF6气体泄漏的大致浓度分布。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力设备SF6(四氟化硫)气体泄漏的点阵激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy,简称LIBS)监测方法，属于激光光谱测量技术领域。
背景技术
SF6气体(即四氟化硫气体)已有百年历史，它是法国两位化学家Moissan和Lebeau于1900年合成的人造惰性气体。SF6气体最初应用于军事领域，后来开始用于商用。当前SF6气体主要用于电力工业中，在高压电气设备主要起绝缘和/或灭弧的作用。常见的使用SF6气体的电力设备包括：SF6断路器及GIS(在这里指六氟化硫封闭式组合电器，国际上称为“气体绝缘开关设备”(Gas InsulatedSwitchgear)、SF6负荷开关设备，SF6绝缘输电管线，SF6变压器及SF6绝缘变电站。
SF6电力设备一旦出现SF6气体泄漏，将会大大影响绝缘或灭弧性能，从而导致设备故障，进而影响与之相连的电力网络的工作，造成重大的损失。因此对重要的SF6电力设备进行SF6气体泄漏的在线监测是非常必要的，一旦发现SF6气体，可及时进行检修，避免重大损失。
目前，大量使用的是手持式的SF6气体检测设备，基于气体传感器工作，而且必需在电力设备旁边使用，对于运距离设备比如SF6绝缘输电管线，SF6变压器等，无法实时在线监测。
发明内容
本发明的目的是，针对目前方法存在的问题，本发明提供一种基于点阵激光诱导等离子体光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy,简称LIBS)分析的SF6气体泄漏监测系统及方法。通过对监测区域点阵位置处硫元素及氟元素的LIBS光谱实时采集及分析，实现远程电力设备SF6气体泄漏实时在线检测。
本发明的技术方案是这样来实现的：
SF6气体泄漏的点阵激光诱导击穿光谱检测系统由嵌入式系统主机、高能量脉冲激光器、扩束镜、聚焦透镜阵列、分束镜、光电探测器阵列、驱动放大输出电路、声光可调滤波器(即AOTF滤波器)、AOTF驱动控制器、透镜组成。嵌入式系统主机连接并控制高能量脉冲激光器；高能量脉冲激光器发出的脉冲激光通过扩束镜形成平行激光束，进入聚焦透镜阵列后，平行激光束射向分束镜，穿过分束镜后，聚焦到监测区域；由激光诱导产生的LIBS信号经分束镜的高反膜反射后，经过透镜，再经声光可调滤波器到达光电探测器阵列；声光可调滤波器通过AOTF驱动控制器连接嵌入式系统主机的I/0口；位于光电探测器阵列旁的驱动放大输出电路连接嵌入式系统主机的相应I/0口。
其中聚焦透镜阵列由N乘N个相同规格的均匀排列的单元聚焦透镜组成。单元聚焦透镜表面镀有λ1为1064nm的高透膜。分束镜两面分别镀有λ1为1064nm的高透膜及光谱范围Δλ(200nm至760nm)的高反膜。光电探测器阵列前放置AOTF滤波器进行波长选择，由AOTF驱动控制器进行驱动及控制。
当需要对是否存在SF6泄漏进行检测时，一种SF6气体泄漏的点阵激光诱导击穿光谱检测按下列步骤进行：
(1)嵌入式系统主机发出指令，启动高能量脉冲激光器。高能量脉冲激光器发出一纳秒级波长λ1为1064nm的高能量脉冲激光，经扩束镜后形成一定直径的平行激光束。
(2)平行激光束经过聚焦透镜阵列，再穿过分束镜后，聚焦到监测区域，形成N2个脉冲激光聚焦点，这N2个点均匀分布在监测区域的同一个平面内。
(3)N2个脉冲激光聚焦点处由激光诱导产生的光谱范围为Δλ(400nm至760nm)的LIBS信号经分束镜的高反膜反射后，再经透镜聚焦至光电探测器阵列。光电探测器阵列由N2个均匀分布的相同的单元光电探测器组成，这N2个单元光电探测器的位置与N2个脉冲激光聚焦点关于透镜呈物像共轭关系，即N2个脉冲激光聚焦点处的LIBS光信号准确聚焦至N2个单元光电探测器上。
(4)嵌入式系统主机发出指令启动高能量脉冲激光器后，经过一个微秒级的微小延时后，发出指令至AOTF驱动控制器，选择通带波长λ2(对应于SF6气体组成中硫原子的某一发射波长)；同时发出指令至驱动放大输出电路，对光电探测器阵列进行供电，使其工作并接收对应于波长λ2的LIBS信号，通过信号放大、模数转换之后，由驱动放大输出电路输出至嵌入式系统主机。
(5)收到对应于λ2的N2个点的LIBS信号强度后，嵌入式系统主机18将其储存以供后续分析，并同时发出指令至驱动放大输出电路，对光电探测器阵列进行断电，使其停止工作。
(6)重复以上步骤(1)至(5)，在步骤(4)与(5)中的λ2变为λ3(对应于SF6气体组成中氟原子的某一发射波长)。
(7)嵌入式系统主机内的分析软件对N2个点的对应λ2与λ3的LIBS信号强度进行平均运算得到I2与I3，分别反映了监测区域聚焦平面的硫元素与氟元素的浓度。
通过设定阈值即可断定SF6电力设备是否有SF6气体泄漏。除此之外，通过对N2个点的编号，对N2个点的对应λ2与λ3的LIBS信号强度的比较，还可粗略得出SF6气体在聚焦平面的浓度分布。
本发明的有益效果是，采用了点阵LIBS测量，较单点测量更高效，覆盖范围更广，多点同时测量消除了单点测量可能有的误判；采用了激光远距离聚焦，可实现远程实时SF6气体监测；LIBS光谱分析采用了AOTF进行两个波长选择，无需常规光谱仪分光及光谱分析，节省了分析时间，提高了实时性。除了可判断是否有SF6气体泄漏以外，还可分析SF6气体泄漏的大致浓度分布。
附图说明
图1为本发明SF6气体泄漏检测系统结构示意图；
图2为本发明SF6气体泄漏检测系统聚焦透镜阵列、分束镜及脉冲激光聚点等放大示意图；
在图中，1是高能量脉冲激光器；2是脉冲激光；3是扩束镜；4是平行激光束；5是聚焦透镜阵列；6是分束镜；7是SF6气体；8是监测区域；9是SF6电力设备；10是光电探测器阵列；11是驱动放大输出电路；12是AOTF滤波器(声光可调滤波器)；13是AOTF驱动控制器；14是I/O(输入/输出)口A；15是I/O口B；16是I/O口C；17是I/O口D；18是嵌入式系统主机；19是透镜；20是单元聚焦透镜；21是脉冲激光聚焦点；22是单元光电探测器；23是平面。
具体实施方式
本发明具体实施方式如图1和2所示。
需要监测的SF6电力设备9内含有SF6(六氟化硫)气体，它起绝缘、灭弧等作用。当SF6电力设备9正常时，无SF6气体泄漏；当SF6电力设备9中SF6气室罐体及焊缝存在砂眼、裂缝或密封垫老化等原因，导致有SF6气体7泄漏出去时，在监测区域8将存在一定浓度的SF6气体。
本实施例是这样进行的：
SF6气体泄漏的点阵激光诱导击穿光谱检测系统由主机18、高能量脉冲激光器1、扩束镜3、聚焦透镜阵列5、分束镜6、光电探测器阵列10、驱动放大输出电路11、AOTF滤波器12、AOTF驱动控制器13、透镜19组成。聚焦透镜阵列5由N乘N个相同规格的均匀排列的单元聚焦透镜20组成，在本实施例中，N取4，即共16个单元聚焦透镜20。单元聚焦透镜20表面镀有λ1为1064nm的高透膜。分束镜6两面分别镀有λ1为1064nm的高透膜及光谱范围Δλ(200nm至760nm)的高反膜。光电探测器阵列10前放置AOTF滤波器12进行波长选择，由AOTF驱动控制器13进行驱动及控制。
当需要对是否存在SF6泄漏进行检测时，按下列方法步骤进行检测：
(1)嵌入式系统主机18通过I/O口D17发出指令，启动高能量脉冲激光器1。高能量脉冲激光器1发出一纳秒级波长λ1为1064nm的高能量脉冲激光2，经扩束镜3后形成直径为D的平行激光束4。要求D大于聚焦透镜阵列5的尺寸。
(2)平行激光束4经过聚焦透镜阵列5，再穿过分束镜6后，聚焦到监测区域8，形成16个脉冲激光聚焦点21，这16个点均匀分布在监测区域8的同一个平面23内(注：较单点测量更高效，覆盖范围更广，多点同时测量消除了单点测量可能有的误判)。
由于脉冲激光能量很大，脉冲激光聚焦点21处的激光能量密度很大，诱导该处气体产生等离子体，即产生激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdownspectroscopy,简称LIBS)。LIBS光谱分布与脉冲激光聚焦点21处的气体原子组成有关。
(3)16个脉冲激光聚焦点21处由激光诱导产生的光谱范围为Δλ(400nm至760nm)的LIBS信号经分束镜6的高反膜反射后，再经透镜19聚焦至光电探测器阵列10。光电探测器阵列10由16个均匀分布的相同的单元光电探测器22组成，这16个单元光电探测器22的位置与16个脉冲激光聚焦点21关于透镜19呈物像共轭关系，即16个脉冲激光聚焦点21处的LIBS光信号准确聚焦至16个单元光电探测器22上。
(4)嵌入式系统主机18发出指令启动高能量脉冲激光器1后，经过一个微秒级的微小延时后，通过I/O口A14发出指令至AOTF驱动控制器13，选择通带波长λ2(对应于SF6气体组成中硫原子的某一发射波长，在实施例中取295.783nm)；同时通过I/O口C16发出指令至驱动放大输出电路11，对光电探测器阵列10进行供电，使其工作并接收对应于波长λ2的LIBS信号，通过信号放大、模数转换之后，由驱动放大输出电路11通过I/O口B15输出至嵌入式系统主机18。
(5)收到对应于λ2的16个点的LIBS信号强度后，嵌入式系统主机18将其储存以供后续分析，并同时通过I/O口C16发出指令至驱动放大输出电路11，对光电探测器阵列10进行断电，使其停止工作。
(6)重复以上步骤(1)至(5)，在步骤(4)与(5)中的λ2变为λ3(对应于SF6气体组成中氟原子的某一发射波长，在实施例中取685.6nm)。
(7)嵌入式系统主机18内的分析软件对16个点的对应λ2与λ3的LIBS信号强度进行平均运算得到I2与I3，分别反映了平面23的硫元素与氟元素的浓度。
如果平面23位置无SF6气体，产生的是空气的LIBS光谱，由于空气中的硫与氟含量极低，因此I2与I3的数值极小；如果平面23位置有SF6气体，产生的是SF6为主的LIBS光谱，由于SF6气体由硫原子与氟原子组成，因此I2与I3的数值相对较大，通过设定阈值即可断定SF6电力设备9是否有SF6气体7泄漏。除此之外，通过对16个点的编号，对16个点的对应λ2与λ3的LIBS信号强度的比较，还可粗略得出SF6气体在平面23的浓度分布。
Claims (4)
1.一种SF6气体泄漏的点阵激光诱导等离子体光谱检测系统，
其特征在于，所述系统由SF6气体泄漏检测系统由嵌入式系统主机、高能量脉冲激光器、扩束镜、聚焦透镜阵列、分束镜、光电探测器阵列、驱动放大输出电路、声光可调滤波器、AOTF驱动控制器、透镜组成；嵌入式系统主机连接并控制高能量脉冲激光器；高能量脉冲激光器发出的脉冲激光通过扩束镜形成平行激光束，进入聚焦透镜阵列后，平行激光束射向分束镜，穿过分束镜后，聚焦到监测区域；由激光诱导产生的激光诱导等离子体光谱信号经分束镜的高反膜反射后，经过透镜，再经声光可调滤波器到达光电探测器阵列；声光可调滤波器通过AOTF驱动控制器连接嵌入式系统主机的I/0口；位于光电探测器阵列旁的驱动放大输出电路连接嵌入式系统主机的相应I/0口。
2.根据权利要求1所述的一种SF6气体泄漏的点阵激光诱导等离子体光谱检测系统，其特征在于，所述聚焦透镜阵列由N乘N个相同规格的均匀排列的单元聚焦透镜组成；单元聚焦透镜表面镀有λ1为1064nm的高透膜；分束镜两面分别镀有λ1为1064nm的高透膜及光谱范围Δλ(200nm至760nm)的高反膜；光电探测器阵列前放置AOTF滤波器进行波长选择，由AOTF驱动控制器进行驱动及控制。
3.根据权利要求1所述的一种SF6气体泄漏的点阵激光诱导等离子体光谱检测系统，其特征在于，所述光电探测器阵列由N2个均匀分布的相同的单元光电探测器组成；这N2个单元光电探测器的位置与N2个脉冲激光聚焦点关于透镜呈物像共轭关系，即N2个脉冲激光聚焦点处的激光诱导等离子体光谱光信号准确聚焦至N2个单元光电探测器上。
4.一种SF6气体泄漏的点阵激光诱导等离子体光谱检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)嵌入式系统主机发出指令，启动高能量脉冲激光器；高能量脉冲激光器发出一纳秒级波长λ1为1064nm的高能量脉冲激光，经扩束镜后形成一定直径的平行激光束；
(2)平行激光束经过聚焦透镜阵列，再穿过分束镜后，聚焦到监测区域，形成N2个脉冲激光聚焦点，这N2个点均匀分布在监测区域的同一个平面内；
(3)N2个脉冲激光聚焦点处由激光诱导产生的光谱范围为Δλ(400nm至760nm)的LIBS信号经分束镜的高反膜反射后，再经透镜聚焦至光电探测器阵列；
(4)嵌入式系统主机发出指令启动高能量脉冲激光器后，经过一个微秒级的微小延时后，发出指令至AOTF驱动控制器，选择对应于SF6气体组成中硫原子的某一发射波长λ2；同时发出指令至驱动放大输出电路，对光电探测器阵列进行供电，使其工作并接收对应于波长λ2的LIBS信号，通过信号放大、模数转换之后，由驱动放大输出电路输出至嵌入式系统主机；
(5)收到对应于λ2的N2个点的激光诱导等离子体光谱信号强度后，嵌入式系统主机将其储存以供后续分析，并同时发出指令至驱动放大输出电路，对光电探测器阵列进行断电，使其停止工作；
(6)重复以上步骤(1)至(5)，在步骤(4)与(5)中的λ2变为对应于SF6气体组成中氟原子的某一发射波长λ3；
(7)嵌入式系统主机内的分析软件对N2个点的对应λ2与λ3的LIBS信号强度进行平均运算得到I2与I3，分别反映了监测区域聚焦平面的硫元素与氟元素的浓度；
通过设定阈值，即可断定SF6电力设备是否有SF6气体泄漏；除此之外，通过对N2个点的编号，对N2个点的对应λ2与λ3的激光诱导等离子体光谱信号强度的比较，还可粗略得出SF6气体在聚焦平面的浓度分布。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhang Cuanyu Inventor after: Zhong Zhiqiang Inventor before: Wan Xiong |