CN104237126A - 一种采用轴向多层滤光片盘结构的光声光谱检测装置 - Google Patents

Abstract

一种采用轴向多层滤光片盘结构的光声光谱检测装置，包括：光源、光源安装支架、机械斩光器、斩光器控制器、多层滤光片盘、滤光片盘驱动器、光声池、循环气泵、过滤装置、电磁阀、出光口抛物面反光镜、高灵敏度传声器、锁相放大器，以及嵌入式主机。其特征在于：所述的多层滤光片盘包括2个或多个滤光片盘，每个滤光片盘都为齿轮形结构，即其外侧边缘带有齿槽，该齿槽与滤光片盘驱动器上的驱动齿轮相配合。每个滤光片盘的滤光片安装孔中有一个不安装滤光片。所述2个或多个滤光片盘同轴安装，且每个滤光片盘由滤光片盘驱动器带动绕轴旋转。所述的滤光片盘驱动器包括驱动电机、导轨、驱动齿轮及可调安装座。一个滤光片盘驱动器可驱动多个滤光片盘。

Description

一种采用轴向多层滤光片盘结构的光声光谱检测装置

技术领域

本发明涉及一种气体检测装置，特别涉及一种能够检测多种类气体的光声光谱检测装置。

背景技术

气体检测技术在工业化生产及日常生活中有着极其广泛的应用，诸如油气管道的泄漏检测、电力系统中的变压器油中溶解气体检测、化工企业的排放废气检测以及空气中的痕量污染气体检测、人体疾病与医疗诊断方面的呼出气体检测等。

如在电力行业中，用于检测电气设备故障，如电力变压器，SF6、氟碳混合气体等气体绝缘电气设备的故障分解气体；

对于充油式电力变压器，需要检测的特征气体有CH4，C2H4，H2，CO，CO2，C2H2，C2H6等。目前对该类气体的检测方法较多；如专利200910046340.7提到一种采用光声光谱技术的在线监测电力变压器的系统，该光声光谱检测仪器采用可调谐级联二极管激光器作为光源。

对于以六氟化硫气体(SF6)为绝缘和灭弧介质的电气设备，如GIS(气体绝缘开关设备，Gas-Insulated Switchgear)、断路器、变压器、开关柜等，目前检测的特征气体有SO2F2、SOF2、SF4、SF2、H2S、SOF4等；专利CN2747583Y“六氟化硫电气设备故障检测仪的检测机构”通过一个四通接头连接压力传感器、SO₂电化学气体传感器和H₂S电化学气体传感器，检测SO₂和H₂S的含量并对设备内部故障进行诊断。但是该专利只能检测SO₂和H₂S气体，检测多种气体组分时会受到传感器的限制。类似的还有专利CN101464671A“一种六氟化硫气体及其分解物监测监控的装置及方法”。专利CN101644670A“六氟化硫气体放电微量组分的红外检测装置及方法”利用傅立叶红外光谱的方法对GIS在局部放电下的SF₆分解气体进行检测。还有，专利CN10151496A“基于光声光谱技术的SF₆检测系统”，专利CN101982759A“局放下六氟化硫分解组分的红外光声光谱检测装置及方法”，专利CN102661918A“非共振光声光谱检测分析装置”，但都是针对SF6分解气体的某一或者某几个组分设计的装置，对于其他绝缘介质的检测无能为力。

此外，在电气设备中还有一类气体，即SF6气体的替代气体，如专利CN200610160462.5提到采用N2、O2、干燥空气、CO2、CF4、c-C4F8、C2F6、C3F8或CF3I之中的任一种单体气体、或将这气体中的任意2种及以上的气体混合而成的混合气体，作为绝缘气体用于气体绝缘电气设备。一些人已经在进行应用尝试。针对新型绝缘气体的基于故障分解物的诊断、检测技术和方法还很少。专利CN201110160224.5提出通过检测电气设备中CF4、C2F6、C2F4、C3F8及C3F6气体含量，来判断c-C4F8及其与N2、CF4等气体混合气体绝缘电气设备内部的故障情况，但没有提及各气体组分的检测方法。

此外还有厂矿企业、大气环境等场所的气体检测也有越来越多的需求。

对于上述气体的检测分析目前已有一些技术，如半导体传感器法，红外光谱法，气相色谱法，光声光谱法等，其中只有红外光谱法、气相色谱法具有较强的通用性，但红外光谱法检测精度低，而气相色谱法监测过程需要载气，增加了维护量。

光声光谱法是一种新型的高精度气体浓度检测方法，但针对特定的气体需要安装特定的滤光片，如要建立一个能同时检测多种气体如油中溶解气体、SF6故障分解气体、氟碳混合气体故障分解气体、人体呼出气体等的设备，则需要安装约三十多块甚至更多的滤光片。如采用目前已有光声光谱中滤光片的安装结构，则由于体积限制无法实现。如图1所示为一滤光片盘为圆形结构，绕中心的转轴对称开有8个滤光片安装孔。该结构下如要在滤光片盘上装更多的滤光片，则需要增大滤光片盘直径，则造成滤光片盘尺寸太大，导致检测设备体积大，同时大的滤光片盘导致驱动滤光片盘稳定旋转也较困难。另外，目前采用的热红外光源可靠性较低，且由于频谱分布与要检测气体不能完全对应；此外，对于采用红外光源的光声光谱装置，需要配置窄带滤光片，而符合条件的窄带滤光片通常价格高昂。

图1为传统光声光谱检测装置滤光片盘结构示意图。如图1所示，滤光片盘为圆形结构，绕中心的转轴对称开有8个滤光片安装孔。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种采用轴向多层滤光片盘结构的光声光谱检测装置。本发明体积小、制造成本低，同时可靠性高，适用于多种气体的检测。

光声光谱技术基于光声效应。光声效应由气体分子吸收电磁波而产生，气体分子吸收特定波长的电磁波后至激发态，随即以释放热能的方式退激，释放出的热能在气体中产生压力波，压力波的强度与气体分子的浓度成比例，通过检测吸收不同波长而产生的压力波的强度，可得到不同气体组分的浓度。

本发明的气体光声光谱检测装置主要包括：光源、光源安装支架、机械斩光器、斩光器控制器、多层滤光片盘、滤光片盘驱动器、光声池、循环气泵、过滤装置、电磁阀、出光口抛物面反光镜、高灵敏度传声器、锁相放大器，以及嵌入式主机。

所述光源可以是一个或多个。多个光源的功率可以相同或不同。所述的光源安装在光源安装支架上，围绕光源安装支架的中心对称分布。所述的光源安装支架为圆形结构，受嵌入式主机控制绕轴旋转。工作时，根据检测气体的种类不同，嵌入式主机控制光源安装支架将所需的光源旋转到位，即使光源的中心线与滤光片中心线、光声池的光声腔中心线重合。本发明对于经常使用的光源设置有备用光源，当其中某个光源发生故障时，可以采用后备光源，增强检测仪器的可靠性，延长其使用寿命。

所述的光声池的制作材料为铝合金、铝、黄铜或不锈钢。所述光声池的光声腔包括进气口、出气口、入光口、出光口、传声器安装口。光声腔的直径Φ为3～100mm、长度L为20～500mm，且满足直径Φ小于长度L。光声腔的轴向两端开有圆形通孔，分别为入光口和出光口。所述的入光口安装有高透光率的玻璃窗，所述的出光口安装有出光口抛物面反光镜。垂直于光声池轴向的侧壁上开有进气口和出气口。所述进气口和出气口位于光声腔同一侧，且沿光声腔轴线方向分布。所述进气口在入光口一侧，所述出气口在出光口一侧。同时在光声池侧壁中部与中心线垂直对应每个光声腔的位置处开有传声器安装口，高灵敏度传声器安装在所述传声器安装口。

所述光声腔对应的进气口和出气口分别连接气体管路。气体管路上装有电磁阀，控制管路的通断。由循环气泵驱动被检测气体经管路从进气口进入，从出气口返回。在所述循环气泵之前还装有过滤装置，用于过滤气体中的固体颗粒。两个所述电磁阀分别布置在光声池进气口一侧和出气口一侧。

所述的多层滤光片盘包括安装在固定轴上的多个滤光片盘，可以是2个或多个。每个滤光片盘可互相独立地绕固定轴旋转。每个滤光片盘为齿轮状结构，即滤光片盘的外侧边缘开有齿槽。滤光片盘上围绕中心开有滤光片安装孔，每个滤光片盘上的滤光片安装孔以4～8个为宜。安装孔上安装有窄带滤光片。每个滤光片盘上的安装孔都保留一个孔不安装滤光片。工作时，通过对同轴安装的多个滤光片盘的排列组合可实现多种气体的检测。如第一个滤光片盘中与光源中心对应的安装孔装有滤光片，其他几个滤光片盘与光源中心对应的安装孔都不装设滤光片；也可以是第二个滤光片盘与光源中心对应的安装孔装有滤光片，而其他几个滤光片盘与光源中心对应的安装孔不装设滤光片。此外，采用所述结构，滤光片可以叠加使用，得到频道很窄的滤光片，降低对滤光片的波长选择性要求。

所述滤光片盘驱动器包括驱动电机，驱动齿轮，导轨和可调安装座。所述驱动齿轮与驱动电机共轴，由电机带动旋转。所述驱动电机固定在可调安装座上，可上下移动。可调安装座安装在导轨上，由电机驱动沿导轨水平移动，分别驱动多个滤光片盘。所述的驱动齿轮工作时与滤光片盘外侧边缘齿槽咬合，驱动滤光片盘绕轴旋转。所述滤光片盘驱动器由嵌入式主机控制。所述滤光片盘驱动器可以是一个或多个，分别驱动多个滤光片盘或者分别驱动某个滤光片盘；且每个滤光片盘最多由一个滤光片盘驱动器驱动。

所述机械斩光器放置在光源的出口端。滤光片盘及滤光片放置在机械斩光器后，光声池位于滤光片盘及滤光片之后。光源的中心线与滤光片盘上滤光片安装孔中心线、所述光声池光声腔的中心线对应。

机械斩光器经由信号线缆与斩光器控制器连接，机械斩波器的斩光调制频率由斩光器控制器控制，并通过BNC信号线将斩光调制频率信号传输给锁相放大器。滤光片盘放置在机械斩光器后，对调制过的红外光进行滤波，透射过滤光片的红外光经过光声池的入光口射入光声腔，经光声腔的出光口射出，出光口抛物面反光镜把红外光反射回光声腔，并聚焦于光声腔的几何中心。在光声腔中产生的光声信号由安装在光声池侧壁上的高灵敏度传声器接收，并通过抗干扰信号线传输至锁相放大器处理，处理后再经过RS485/232电缆传输至嵌入式主机。

所述高灵敏度传声器的频率响应范围是0.1Hz～30kHz，灵敏度大于20mV/Pa。所述锁相放大器的频率范围为1mHz～102.4kHz，灵敏度为2nV～1V，增益精确度为±1％，动态存储>100dB，具有GPIB和RS232两种接口。斩光器控制器的输出端口与所述的锁相放大器通过BNC信号线相连，斩光器的调制频率作为参考频率由斩光器控制器的输出端口传送到锁相放大器，锁相放大器的输出信号经RS485/232传输到嵌入式主机处理得到分解气体种类、浓度等信息。

附图说明

图1传统光声光谱检测装置滤光片盘结构示意图；

图2为本发明光声光谱检测装置结构示意图；

图3为本发明的光声池7的结构示意图；

图4a、图4b为本发明的三层结构滤光片盘实施方式之一的结构示意图；

图5为本发明的滤光片盘驱动器6的结构示意图；

图6为本发明的滤光片叠加使用滤光效果示意图；

图7为本发明的光源及光源安装支架示意图；

图8为本发明实施方式之二设有两个滤光片盘驱动器的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图2为本发明轴向多层滤光片盘结构的光声光谱检测装置结构示意图。如图2所示，本发明装置主要包括光源2、光源安装支架1、机械斩光器3、斩光器控制器4、多层滤光片盘5、滤光片盘驱动器6、光声池7、出光口抛物面反光镜8、高灵敏度传声器9、锁相放大器12、嵌入式主机14、固定轴15、循环气泵17、过滤装置18、第一电磁阀21，以及第二电磁阀22。

被测气体从图2所示的进气口进入，由循环气泵17驱动沿管路流动，经过滤装置18过滤，经第一电磁阀21，从进气口71进入光声腔70，再从出气口72流出，经第二电磁阀22流出。

所述第一电磁阀21、第二电磁阀22由嵌入式主机14控制通断；所述循环气泵17由嵌入式主机14控制启停。所述第一电磁阀21、第二电磁阀22分别布置在光声池7的进气口一侧和出气口一侧。

所述多层滤光片盘5由3个滤光片盘安装在固定轴15上构成，三个滤光片盘结构相同，所安装的滤光片的波长不同。所述滤光片盘驱动器6可分别多个驱动滤光片盘旋转。

图3为本发明的光声池7的结构示意图；如图3所示，光声池7主要包括光声腔70、气口71、出气口72、入光口73、出光口74。所述的光声腔70为圆柱腔形结构。

光声腔70的轴向两端开有圆形通孔，分别为入光口73和出光口74；垂直于光声腔70轴向的侧壁上开有进气口71和出气口72；所述进气口71和出气口72位于光声腔70同一侧且沿光声腔70轴线方向分布；所述进气口71在入光口73一侧，所述出气口72在出光口74一侧。

图4a、图4b为滤光片盘实施方式之一的结构示意图。如图4a所示，多层滤光片盘5包括三个滤光片盘51，52，53；三个滤光片盘51，52，53安装在固定轴15上，且各自可以独立绕固定轴15旋转。滤光片盘51、53对应光源中心线的安装孔装有滤光片，而滤光片盘52对应光源中心线的安装孔没有安装滤光片。如图4b所示，滤光片盘51为齿轮状结构。滤光片盘51包括滤光片安装孔511、转轴孔512、齿槽513及安装在其中七个滤光片安装孔上的滤光片514。七个滤光片的中心波长各不相同，分别对应不同的检测组分。滤光片盘上围绕转轴孔512开有8个安装孔。工作时，多层滤光片盘5的滤光片盘51、52、53分别独立旋转，使得装有特定波长滤光片的安装孔或不装滤光片的安装孔的中心线与光源对应。所述转轴孔512的尺寸与固定轴15配合，使得滤光片盘可以安装在固定轴15上，且可以自由旋转。

图5为本发明的滤光片盘驱动器结构示意图。如图5所示，滤光片盘驱动器6包括导轨61，驱动电机62，驱动齿轮63和可调安装座64。所述的驱动齿轮63安装在驱动电机62的轴上，所述驱动电机62安装在可调安装座64上，所述驱动电机62可受控嵌入式主机14控制上下移动，使得驱动齿轮63与滤光片盘外边缘的齿槽咬合或分离。所述可调安装座64安装在导轨61上，可沿导轨61滑动。工作时，驱动齿轮63受嵌入式主机14控制，与滤光片盘外边缘的齿槽切合，驱动滤光片盘旋转，使得需要的光源2发出的光中心线穿过指定的滤光片。

图6为本发明的滤光片叠加使用的滤光效果示意图。如图6所示，多层滤光片盘中有两个滤光片同时处于工作状态，且两个滤光片中心波长接近，则可以产生带宽更窄的窄带光。如图6所示，由两个中心波长为λ1和λ2的滤光片叠加产生带宽更窄的中心波长为λ0的窄带光。

图7为本发明的光源及光源安装支架结构示意图。图7所示为光源安装支架上安装有4个光源时的结构示意图。如图7所示，光源安装支架1为圆形结构，可以绕转轴10旋转，4个光源2围绕中心对称安装在光源安装支架1上。所述光源安装支架1的旋转受嵌入式主机14控制。

图8为本发明实施方式之二设有两个滤光片盘驱动器的的结构示意图；如图8所示，本发明实施方式之二安装两个滤光片盘驱动器6、6’。其中第二滤光片盘驱动器6’驱动三个滤光片盘中的右边两个；第一滤光片盘驱动器6驱动三个滤光片盘中的最左边的一个。

如图2、图3和图4所示，光源2通过连接件固定在光源安装支架1上，用于斩光调制的机械斩光器3放置在光源2的出口端。多层滤光片盘5放置在机械斩光器3后，光声池7位于多层滤光片盘5之后，且所述光声池7的光声腔70与多层滤光片盘5上滤光片安装孔对应，使得透过滤光片的平行光的中心线，正好与光声腔70的中心线对应。

光源2发出的光经过机械斩光器3斩光后，连续的平行红外光被调制为具有特定调制频率的平行红外光。之后，宽谱平行红外光经过多层滤光片盘5中的窄带滤光片滤波后，仅有窄带滤光片允许通过的特定波长范围的红外光透过滤光片，原有的宽谱平行红外光变为具有特定波长范围的窄带平行红外光。机械斩光器3执行的斩光调制频率由斩光器控制器4发出，通过信号线缆传输给机械斩光器3，并通过BNC信号线传输给锁相放大器12作为锁相放大器的参考频率。

工作时，透过多层滤光片盘5的窄带平行红外光通过入光口73进入光声腔70，沿光声腔70轴向穿过，通过出光口74射出，经过出光口抛物面反光镜8的反射回光声腔70，并聚焦于光声腔70几何中心，光程倍增的红外光被分解气体吸收产生光声效应，产生的光声信号由安装在光声腔70上的高灵敏度传声器9接收转化为电信号，经过抗干扰信号线进入锁相放大器12，进一步通过RS485/232电缆传输至嵌入式主机14，最终得到被检测的绝缘气体分解气体的组分信息，包括种类、含量等。

出光口抛物面反光镜8的形状尺寸与光声池7配合，抛物面焦点在对应光声腔70的几何中心处。

Claims (7)

1.一种采用轴向多层滤光片盘结构的光声光谱检测装置，其特征在于：所述的检测装置包括光源安装支架(1)、光源(2)、机械斩光器(3)、斩光器控制器(4)、多层滤光片盘(5)、滤光片盘驱动器(6)、光声池(7)、出光口抛物面反光镜(8)、高灵敏度传声器(9)、锁相放大器(12)、嵌入式主机(14)、循环气泵(17)、过滤装置(18)，以及电磁阀(21、22)；所述机械斩光器(3)放置在光源(2)的出口端，多层滤光片盘(5)放置在机械斩光器(3)后且两者共轴；光声池(7)位于多层滤光片盘(5)之后，且工作时光声腔的中心线与滤光片的中心线重合；所述的光源(2)安装在光源安装支架(1)上；所述光声池(7)的光声腔(70)包括进气口、出气口、入光口、出光口，以及传声器安装口；光声腔(70)的轴向两端开有圆形通孔，分别为入光口和出光口；所述入光口安装有玻璃窗；光声腔(70)的出光口端安装有出光口抛物面反光镜(8)；垂直于光声腔轴向的光声池侧壁上开有进气口和出气口；所述进气口和出气口位于光声腔(70)的同一侧，且沿光声腔轴线方向分布；所述进气口在入光口一侧，所述出气口在出光口一侧；在光声池侧壁对应光声腔的位置处开有传声器安装口，高灵敏度传声器(9)安装在所述传声器安装口上；所述光声腔的进气口和出气口分别连接气体管路，气体管路上装有电磁阀(21、22)，所述电磁阀(21、22)分别安装在光声池(7)的进气口一侧和出气口一侧；由循环气泵(17)驱动被检测气体经管路从进气口进入，从出气口返回；过滤装置(18)位于所述循环气泵(17)之前，用于过滤气体中的固体颗粒；所述的多层滤光片盘(5)由多个滤光片盘安装在固定轴(15)上构成，且每个滤光片盘互相独立，围绕固定轴(15)旋转；所述的滤光片盘由滤光片盘驱动器(6)通过驱动齿轮(63)带动绕固定轴(15)旋转，滤光片盘驱动器(6)能够分别驱动多个滤光片盘旋转；机械斩光器经由信号线缆与斩光器控制器连接，机械斩波器的斩光调制频率由斩光器控制器控制，并通过BNC信号线将斩光调制频率信号传输给锁相放大器；在光声腔(70)中产生的光声信号由安装在光声池侧壁上的高灵敏度传声器(9)接收，并通过抗干扰信号线传输至锁相放大器(12)处理，处理后再经过RS485/232电缆传输至嵌入式主机(14)。

2.按照权利要求1所述的光声光谱检测装置，其特征在于：所述的滤光片盘为齿轮形结构；滤光片盘上开有滤光片安装孔，滤光片安装孔围绕滤光片盘的中心排布；所述滤光片盘的外边缘有齿槽，该齿槽与滤光片盘驱动器(6)中驱动齿轮(63)的齿槽相配合；每个滤光片盘的安装孔中有一个不安装滤光片，其余安装孔装设有滤光片。

3.按照权利要求1所述的光声光谱检测装置，其特征在于：所述的滤光片盘驱动器(6)包括导轨(61)、驱动电机(62)、驱动齿轮(63)和可调安装座(64)；所述的驱动齿轮(63)安装在驱动电机(62)的轴上，所述驱动电机(62)安装在可调安装座(64)上，驱动电机(62)可受控嵌入式主机(14)控制上下移动，使得驱动齿轮(63)与滤光片盘外边缘的齿槽咬合或分离；所述的可调安装座(64)安装在导轨(61)上，能够沿导轨(61)移动。

4.按照权利要求1或3所述的气体光声光谱检测装置，其特征在于：多个所述的滤光片盘驱动器(6)分别驱动多个滤光片盘；且每个滤光片盘最多由一个滤光片盘驱动器(6)驱动。

5.按照权利要求1所述的光声光谱检测装置，其特征在于：所述的光源(2)为一个或多个；当光源(2)为多个时，所述光源(2)在光源安装支架(1)上绕中心转轴对称安装；所述光源安装支架(1)受嵌入式主机(14)控制绕转轴旋转。

6.按照权利要求1所述的光声光谱检测装置，其特征在于：所述的光声腔(70)为圆柱形腔体，光声腔(70)的直径Φ为3～100mm、长度L为20～500mm，且满足直径Φ小于长度L；所述光声腔(70)的出光口(74)处固定有出口抛物面反光镜(8)。

7.按照权利要求1所述的光声光谱检测装置，其特征在于：所述的光声池(7)的制作材料为铝合金或铝或黄铜或不锈钢。