CN106092899A - 一种基于co2激光器的自校准测量sf6浓度的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于CO2激光器的自校准测量SF6浓度的装置及方法，运用波长可调谐CO2激光器，在传统光声光谱技术的基础上，检测两个不同波长的光声信号，并通过数据处理计算出SF6浓度。该装置成功实现了自校准的SF6浓度测量，避免了传统光声光谱技术中运用标准气标定检测系统的过程，从而排除了标定过程中气压、温度、缓冲气等因素对检测结果准确性的影响，从而提高了光声光谱技术的测量精度和实用性。此外该自校准测量方法还可以应用于其他微量气体检测的场合，例如激光等离子体真空靶室中各种微量气体的检测。

Description

一种基于CO2激光器的自校准测量SF6浓度的装置及方法
技术领域
本发明属于微量气体浓度检测领域，更具体地，涉及一种基于CO2激光器的自校准测量SF6浓度的装置及方法。
背景技术
SF6是一种电气绝缘性能优越的人造惰性气体，其广泛应用于电力工业中的开关设备、输电管线和变电站。由于SF6电气绝缘性能与浓度成正比，故而对其浓度的实时监测一直是保障电气设备稳定安全运行的关键技术。
目前实际应用的SF6气体浓度检测方法主要有气体密度检测技术和负电晕放电技术。与光声光声光谱技术相比，前两者的实际应用的时间更长，应用范围也更广，但是气体密度检测技术的检测误差较大，无法实现低浓度的精确测量，负电晕放电技术则受限于电极的使用寿命较短。相对的光声光谱技术具有灵敏度高、可检测波谱范围宽、选择性好等优点，在SF6浓度的实时监测中具有良好的应用前景。
现有光声光谱技术需要使用多个浓度的标准气标定检测系统，以确定浓度与光声信号之间的比例关系，且使用过程中仍然需要定期校准，这将耗费大量标准气，增加光声光谱技术的使用成本，限制光声光谱技术的实际应用。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于CO2激光器的自校准测量SF6浓度的装置及方法，其目的在于避免现有光声光谱技术中标定过程，减少SF6标准气的消耗，降低使用成本。
本发明提供了一种基于CO2激光器的自校准测量SF6浓度的装置，包括：光声腔、波长可调谐的CO2激光器、偏振衰减片、信号发生器和数据处理模块；所述波长可调谐的CO2激光器、所述偏振衰减片和所述光声腔依次共轴设置；所述信号发生器的第一输出端与所述波长可调谐的CO2激光器的调制端连接，所述数据处理模块的第一输入端与所述信号发生器的第二输出端连接，所述数据处理模块的第二输入端与所述光声腔的输出端连接。
更进一步地，工作时，所述波长可调谐的CO2激光器以信号发生器产生的方波信号调制输出激光，受调制的激光经所述偏振衰减片衰减后进入所述光声腔中，由于光声效应在腔内产生声压波动在共振腔内放大增强，并转化为电信号，再传输给所述数据处理模块，所述波长可调谐的CO2激光器调谐至另一波长并重复上述测量过程，最终由数据处理模块计算并获得被测SF6气体的浓度。
更进一步地，所述光声腔包括共振腔、缓冲室、进气口、出气口、窗镜和麦克风；麦克风位于共振腔的中点，共振腔两侧分别有一缓冲室，缓冲室中点有螺纹孔作为进出气口，在两缓冲室外侧分别有窗镜与外部空间分隔。所述共振腔用于对光声信号进行共振放大；所述缓冲室用于消减外部噪声的干扰；所述进气口和所述出气口用于被检测气体的流通；所述麦克风用于检测光声效应产生的声压信号并转换为电信号。
更进一步地，所述共振腔为空心圆柱，其内径为6mm，全长160mm。腔内径越小系统的性能越好，但共振腔内径受到光束直径的限制，由于波长可调谐的CO2激光器的光束较粗，故选择内径为6mm。
更进一步地，缓冲室可以为空心圆柱，其内径为50mm，长度为80mm。理论分析可知，缓冲室长度为共振腔长的一半，即为谐振波长四分之一时，可以最大程度消减噪声。
更进一步地，窗镜可以为圆柱状，其直径为25.4mm、厚度为3mm。
更进一步地，窗镜的材料可以为ZnSe材质。ZnSe材质对CO2激光的吸收较弱，可以降低因窗镜吸收带来的同频噪声。
更进一步地，波长可调谐的CO2激光器包括衍射光栅和压电陶瓷，衍射光栅和压电陶瓷光学共轴，且位于激光器内部的两端；衍射光栅用于实现激光波长的可调谐，压电陶瓷用于实现稳频输出；其输出光束波长在9.174um～10.835um内可调，输出光束振幅可由PWM波调制，采用该型激光器的原因主要是提高系统的集成度，减少系统的部件。
更进一步地，偏振衰减片在0～100％内连续可调，这样可以避免较低浓度时因光强较强而产生的饱和效应。
本发明还提供了一种基于上述的装置的CO2激光器的自校准测量SF6浓度的方法，包括下述步骤：
(1)波长可调谐的CO2激光器以信号发生器产生的方波信号调制输出激光，受调制的激光经衰减片衰减后进入光声腔中，由于光声效应在腔内产生声压波动在共振腔内放大增强，并通过麦克风4测得光声信号SPA1，再传输给数据处理模块；
(2)波长可调谐的CO2激光器调谐至另一波长并重复上述测量过程，测得光声信号SPA2，将测得的两个光声信号在数据处理模块中进行如下计算：从而实现SF6浓度的自校准测量；
其中，T为温度、Pg为气压、C100为光声腔常数、Pl为光功率、F为麦克风灵敏度、g(ν-ν0)为气体归一化线型函数、SPA为光声信号、S为气体分子线吸收强度。
本实发明的运用波长可调谐CO2激光器输出光束波长可调谐的特点，实现基于光声光谱技术的SF6浓度自校准测量，可以无需使用标准气标定检测系统光声信号与SF6气体浓度的比例关系，也不需要定期重新校准，从而减少了SF6标准气的消耗，降低光声光谱技术的使用成本，推动光声光谱技术的实际应用。
附图说明
图1是本发明提供的基于CO2激光器的自校准测量SF6浓度的装置的结构示意图。
图2是本发明提供的基于CO2激光器的自校准测量SF6浓度的装置中光声腔的装配图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为光声腔，2为共振腔，3为缓冲室，4为麦克风，5为进气孔，6为出气孔，7为窗镜，8为偏振衰减片，9为波长可调谐CO2激光器，10为衍射光栅，11为压电陶瓷，12为数据处理模块，13为信号发生器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明涉及SF6气体浓度检测领域，具体是运用波长可调谐CO2激光器，检测两个不同波长的光声信号(基于光声光谱技术)，并通过数据处理计算出SF6浓度，实现了SF6浓度的自校准测量。
针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是基于波长可调谐CO2激光器设计实现SF6浓度的自校准测量，避免现有光声光谱技术中标定过程，减少SF6标准气的消耗，降低使用成本，推动光声光谱技术的实际应用。
为实现上述发明目的，本发提出了一种运基于CO2激光器自校准测量SF6浓度的装置，包括：光声腔1、波长可调谐的CO2激光器9、偏振衰减片8、信号发生器13和数据处理模块12，波长可调谐的CO2激光器9、偏振衰减片8和光声腔1共轴。该装置通过测量两个波长的激光在光声强中产生的光声信号，通过数据计算获得被测气体浓度，实现SF6浓度的自校准测量。
具体步骤为：波长可调谐的CO2激光器9以信号发生器13产生的方波信号调制输出激光，受调制的激光经衰减片8衰减后进入光声腔1中，由于光声效应在腔内产生声压波动在共振腔内放大增强，并通过麦克风4检测并转化为电信号，再传输给数据处理模块12，波长可调谐的CO2激光器9调谐至另一波长重复上述测量过程，最终由数据处理模块12计算获得被测SF6气体的浓度并显示出来。
其中，光声腔包括共振腔2、缓冲室3、进气口5、出气口6、窗镜7和麦克风4，共振腔2的作用是对光声信号共振放大，缓冲室3的作用是消减外部噪声的干扰，进气口5和出气口6用于被检测气体的流通，麦克风4的作用是检测光声效应产生的声压信号并转换为电信号。
在本发明实施例中，共振腔2为空心圆柱，其内径为6mm，全长160mm，腔内径越小系统的性能越好，但共振腔2内径受到光束直径的限制，由于波长可调谐的CO2激光器9的光束较粗，故选择内径为6mm。
在本发明实施例中，缓冲室为空心圆柱，其内径为50mm，长度为80mm，理论分析可知，缓冲室长度为共振腔长2的一半，即为谐振波长四分之一时，可以最大程度消减噪声。
在本发明实施例中，光声腔为不锈钢材质，其具有严格的气密性。
在本发明实施例中，窗镜7为圆柱状，其直径为25.4mm、厚度为3mm，更进一步的，所述窗镜7为ZnSe材质，ZnSe材质对CO2激光的吸收较弱，可以降低因窗镜7吸收带来的同频噪声。
在本发明实施例中，波长可调谐的CO2激光器包括衍射光栅和压电陶瓷，其输出光束波长在9.174um～10.835um内可调，输出光束振幅可由PWM波调制，采用该型激光器的原因主要是提高系统的集成度，减少系统的部件。
在本发明实施例中，偏振衰减片在0～100％内连续可调，这样可以避免较低浓度时因光强较强而产生的饱和效应。
自校准测量SF6浓度的方法：波长可调谐的CO2激光器9以信号发生器13产生的方波信号调制输出激光，受调制的激光经衰减片8衰减后进入光声腔1中，由于光声效应在腔内产生声压波动在共振腔内放大增强，并通过麦克风4测得光声信号SPA1，再传输给数据处理模块12。波长可调谐的CO2激光器9调谐至另一波长重复上述测量过程，测得光声信号SPA2，将测得的两个光声信号在数据处理模块中进行如下计算：从而实现SF6浓度的自校准测量，式中T为温度、Pg为气压、C100为光声腔常数、Pl为光功率、F为麦克风灵敏度、g(ν-ν0)为气体归一化线型函数、SPA为光声信号、S为气体分子线吸收强度。其中温度T、气压P和光声信号SPA可实时测得，光声腔常数C100为光声腔的固有常数，光功率Pl和麦克风灵敏度F为已知值，气体分子线吸收强度S可由HITRAN数据库获得，气体归一化线型函数g(ν-ν0)可在HITRAN数据库数据的基础上计算得到。
本实发明的运用波长可调谐CO2激光器输出光束波长可调谐的特点，实现基于光声光谱技术的SF6浓度自校准测量，可以无需使用标准气标定检测系统光声信号与SF6气体浓度的比例关系，也不需要定期重新校准，从而减少了SF6标准气的消耗，降低光声光谱技术的使用成本，推动光声光谱技术的实际应用。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，这些实施方式的说明有助于理解本发明，但并不构成本发明的限定。
本实施例中，如图1所示波长可调谐CO2激光器9输出光束的波长设置为10.571um，同时将信号发生器13设置为频率1029Hz、幅值为5V的方波，并通过PWM调至CO2激光器9的输出光功率，使得波长可调谐CO2激光器9输出占空比为50％、波长为10.571um的激光。
调节偏振衰减片8的衰减比例至30％，CO2激光经衰减片8后进入光声腔1。周期性调至的激光束激发SF6分子，受激SF6分子通过弛豫产热回到基态，在共振腔2中产生周期性的温度升降，从而引起共振管2内气体的周期性胀缩，产生声音信号并共振放大，经麦克风4转化为电信号，并传输至数据处理模块12。
调节波长可调谐CO2激光器9的输出波长至10.611um。信号发生器设置不变，此时波长可调谐CO2激光器9输出占空比为50％、波长为10.611um的激光。调节衰减片8使光功率与波长为10.571um时一致，激光进入光声腔1产生光声信号，传输至数据处理模块12，此时将10.571um和10.611um时获得的两个光声信号带入公式计算，就可以获得被测气体的浓度，并由数据处理模块12显示出来，从而实现了SF6气体浓度的自校准测量。
图2示出了本发明提供的基于CO2激光器的自校准测量SF6浓度的装置中光声腔的装配图，窗镜压圈通过其上均布的四颗M6螺丝与缓冲室外侧连接，以将窗镜压于缓冲室上，缓冲室中间的螺孔拧上2分管螺纹与外部外径为8mm的气管相连，缓冲室内侧同样由均布的四颗M6螺丝与盖板连接，盖板则由螺纹与共振腔拧接，整个光声腔的连接部分都通过O型密封圈实现密封。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于CO2激光器的自校准测量SF6浓度的装置，其特征在于，包括：光声腔(1)、波长可调谐的CO2激光器(9)、偏振衰减片(8)、信号发生器(13)和数据处理模块(12)；
所述波长可调谐的CO2激光器(9)、所述偏振衰减片(8)和所述光声腔(1)依次共轴设置；所述信号发生器(13)的第一输出端与所述波长可调谐的CO2激光器(9)的调制端连接，所述数据处理模块(12)的第一输入端与所述信号发生器(13)的第二输出端连接，所述数据处理模块(12)的第二输入端与所述光声腔(1)的输出端连接。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，工作时，所述波长可调谐的CO2激光器(9)以信号发生器(13)产生的方波信号调制输出激光，受调制的激光经所述偏振衰减片(8)衰减后进入所述光声腔(1)中，由于光声效应在腔内产生声压波动在共振腔内放大增强，并转化为电信号，再传输给所述数据处理模块(12)，所述波长可调谐的CO2激光器(9)调谐至另一波长并重复上述测量过程，最终由数据处理模块(12)计算并获得被测SF6气体的浓度。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光声腔(1)包括共振腔(2)、缓冲室(3)、进气口(5)、出气口(6)、窗镜(7)和麦克风(4)；麦克风(4)位于共振腔(2)的中点，共振腔(2)两侧分别有一缓冲室(3)，缓冲室(3)中点有螺纹孔作为进出气口，在两缓冲(3)室外侧分别有窗镜(7)与外部空间分隔；
所述共振腔(2)用于对光声信号进行共振放大；所述缓冲室(3)用于消减外部噪声的干扰；所述进气口(5)和所述出气口(6)用于被检测气体的流通；所述麦克风(4)用于检测光声效应产生的声压信号并转换为电信号。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述共振腔(2)为空心圆柱，其内径为6mm，全长160mm。
5.如权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述缓冲室(3)为空心圆柱，其内径为50mm，长度为80mm。
6.如权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述窗镜(7)为圆柱状，其直径为25.4mm、厚度为3mm。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述窗镜(7)的材料为ZnSe材质。
8.如权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述波长可调谐的CO2激光器(9)包括衍射光栅(10)和压电陶瓷(11)；衍射光栅(10)和压电陶瓷(11)光学共轴，且位于激光器内部的两端；衍射光栅(10)用于实现激光波长的可调谐，压电陶瓷(11)用于实现稳频输出；其输出光束波长在9.174um～10.835um内可调，输出光束振幅可由PWM波调制。
9.如权利要求1-8任一项所述的装置，其特征在于，偏振衰减片(8)在0～100％内连续可调。
10.一种基于权利要求1所述的装置的CO2激光器的自校准测量SF6浓度的方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)波长可调谐的CO2激光器以信号发生器产生的方波信号调制输出激光，受调制的激光经衰减片衰减后进入光声腔中，由于光声效应在腔内产生声压波动在共振腔内放大增强，并通过麦克风4测得光声信号SPA1，再传输给数据处理模块；
(2)波长可调谐的CO2激光器调谐至另一波长并重复上述测量过程，测得光声信号SPA2，将测得的两个光声信号在数据处理模块中进行如下计算：从而实现SF6浓度的自校准测量；
其中，T为温度、Pg为气压、C100为光声腔常数、Pl为光功率、F为麦克风灵敏度、g(ν-ν0)为气体归一化线型函数、SPA为光声信号、S为气体分子线吸收强度。
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