CN109580585A - 变压器特征气体拉曼光谱检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置及检测方法，检测装置包括分布反馈式半导体激光器、光学隔离及光反馈系统、气体样品池、光谱仪与CCD、以及计算机。本发明解决了目前变压器油中溶解气体检测装置内部核心传感单元易老化，气体交叉干扰及拉曼光谱气体分析受限的最小检测浓度，检测准确度等技术问题，实现了复杂故障特征气体拉曼光谱微量检测。
Description
技术领域
本发明属于电力设备状态特征气体的检测装置及检测方法技术领域，具体涉及一种变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置及检测方法。
背景技术
电力系统的安全、稳定、可靠与经济运行是经济快速发展及社会稳定的基础之一。电力变压器是电力系统中承担不同等级电压转换、电能分配的枢纽设备，它在电力系统输电、变电、配电过程中起着极其重要的作用，其安全运行是保障电力系统安全与稳定的核心。国民经济的增长促进了电网规模的不断扩大，为实现全国范围内电能资源的优化配置，国家电网公司相继制定了且正在推广交流1000kV及直流800kV超特高压输电的发展战略。越来越多的大容量、高等级大型电力变压器在超特高压电网中投入使用，一旦发生故障，不仅损坏昂贵的电气设备，还会导致电网瘫痪，对人民日常生活及国家经济造成难以估计的损失。
目前国内外大型电力变压器主要采用油浸式变压器，其内绝缘系统为绝缘油及绝缘纸(板)构成的复合绝缘结构。正常运行下的变压器，外界的机械应力、电、热不足以破坏绝缘油及绝缘纸的分子化学键。正常老化的油纸绝缘材料只会产生极少量的烷类气体与氢气等低分子气体；而当变压器存在早期潜伏性故障或故障形成过程中，热、电、氧化及局部电弧等多种因素作用会加速运行变压器油纸绝缘材料的老化甚至裂解，产气量变大和产气速率增快，生成的低分子气体经扩散、对流等过程而不断溶解于变压器油中，直至达到饱和状态，进而以气泡的形式析出。
拉曼光谱法是基于拉曼散射效应，通过直接测量物质因激光照射产生的拉曼散射光，进而推断物质性质、含量的一种光谱分析方法：频率为V0的入射光会激发样品分子产生一系列频率为V0±Vvib的拉曼散射光，依据Vvib的拉曼频移及强度可同时定性与定量分析多种不同物质。相比传统检测方法，应用激光拉曼光谱技术分析油中溶解故障特征气体具有以下优势：①单一波长激光能同时激发混合气体的拉曼散射，可实现其同时检测分析；采用激光作为检测手段，不与接触气体样品，能实现原位检测；②对混合气体样品可直接进行拉曼检测，无需进行组分分离，检测周期短，也不需要消耗载气；③拉曼检测一般不会对气体样品造成破坏，对同一气体样品可进行多次重复检测，检测重复性好。然而，现有技术中的拉曼光谱法存在传感器易老化、气体交叉干扰等问题，以及拉曼光谱气体分析受限的最小检测浓度、检测准确度等技术瓶颈，影响了气体检测的准确性和可操作性。
发明内容
为了克服上述缺点，本发明基于拉曼散射效应，提出了一种光反馈频率锁定F-P腔增强拉曼光谱的变压器油中溶解气体检测装置及方法，设计了基于光反馈频率锁定F-P腔增强拉曼光谱的微量气体检测装置，实现了复杂故障特征气体的拉曼光谱微量检测。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置，包括分布反馈式半导体激光器、光学隔离及光反馈系统、气体样品池、光谱仪与CCD、以及计算机，反馈式半导体激光器发出的激光射入光学隔离及光反馈系统，通过光学隔离及光反馈系统后的激光进入气体样品池，气体样品池连接真空泵、载气球、油气分离装置和压强传感器，由气体样品池中射出的垂直于原光路的散射光被光谱仪与CCD采集，光谱仪与CCD的信号输出端连接至计算机，由气体样品池中射出的沿原光路传播的激光回到光学隔离及光反馈系统，通过光学隔离及光反馈系统后回到分布反馈式半导体激光器，气体样品池内设有F-P增强腔。
变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置还包括：三个反射镜(M5、M6、M7)和1/2波片，由气体样品池中射出的沿原光路传播的激光依次通过三个反射镜(M5、M6、M7)的反射后经过1/2波片后回到光学隔离及光反馈系统。
变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置还包括：数据采集单元、第一功率采集板W1、第一激光功率探测器PD1、第二功率采集板W2、第二激光功率探测器PD2，第一功率采集板W1与第一激光功率探测器PD1设置在分布反馈式半导体激光器与光学隔离及光反馈系统之间，第二功率采集板W2与第二激光功率探测器PD2设置在两个反射镜M5、M6之间，第一、第二激光功率探测器PD1、PD2的信号输出端连接至数据采集单元，数据收集单元的信号输出端连接至计算机。
变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置还包括：信号发生器、激光器控制器和TE制冷安装座，其中分布反馈式半导体激光器安装在TE制冷安装座上，计算机的信号输出端连接至信号发生器，信号发生器的信号输出端连接激光器控制器输入端，激光器控制器输出端连接到分布反馈式半导体激光器的信号输入端。
变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置还包括PZT传感器和PZT控制器，计算机的信号输出端连接至PZT控制器，PZT控制器的信号输出端连接至PZT传感器，PZT传感器安装在反射镜M2底座上。
变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置还包括非球面透镜LA0、变形棱镜组AP、第一反射镜M1和第二反射镜M2，其中分布反馈式半导体激光器发出的激光先经过非球面透镜LA0，再经过变形棱镜组AP，由第一反射镜M1、第二反射镜M2反射后的激光进入光学隔离及光反馈系统，通过光学隔离及光反馈系统后的激光通过模式匹配透镜ML后进入气体样品池，由气体样品池中射出的垂直于原光路散射光经过平凸透镜LA3聚焦后被光谱仪与CCD采集。
因为分布反馈式半导体激光器发出的激光存在一定的扩散角，为了达到较好的准直效果，所述分布反馈式半导体激光器与非球面透镜LA0的位置关系应满足：非球面透镜LA0的焦点正好在分布反馈式半导体激光器端面上。
所述光学隔离及光反馈系统包括入射偏振器P1、第一法拉第旋转器FR1、偏振分束镜PBS、第二法拉第旋转器FR2、以及出射偏振器P2，激光按照入射偏振器P1、第一法拉第旋转器FR1、偏振分束镜PBS、第二法拉第旋转器FR2、出射偏振器P2的顺序通过光学隔离及光反馈系统。第一法拉第旋转器FR1与第二法拉第旋转器FR2将入射光束的偏振面旋转45°，所述入射偏振器P1与出射偏振器P2彼此呈90°正交放置。通过偏振分束镜的偏振光在通过第二法拉第旋转器FR2与出射偏振器P2后，有一部分激光通过模式匹配透镜ML、气体样品池窗口镜与F-P增强腔的腔镜M3后进入F-P增强腔，另一部分激光将会被腔镜M3反射，这部分激光沿原光路返回，再经过一次第二法拉第旋转器FR2，其偏振面又会旋转45°，此时相较于之前一次通过偏振分束镜PBS的时候变化了90°，此时在偏振分束镜处被反射，所以光学隔离及光反馈系统可以防止部分激光通过M3直接反馈回激光器造成频率误锁定。
所述气体样品池为长方形，由殷钢制作，长50cm，宽50cm，高20cm，压强范围为0bar-3bar。气体样品池配有3个窗口镜、进气孔、出气孔和与气孔相对应的接口，并且可以外接温度传感器与压强传感器。气体样品池的气密性为在压强为3bar，每天的压强变化为0.001bar。且通过外接的温度传感器与压强传感器可以监测腔体内部温度及压力。进气孔与出气孔在气体样品池的50cm×50cm正方形顶面上，两个气孔的大小均为2mm2。所述3个窗口镜，分别安装在气体样品池的相邻三个50cm×40cm矩形侧面上，其中有两个窗口镜的中心在空间上呈一条直线，此直线为入射激光所在直线。3个窗口镜的直径均为10±0.1mm。气体样品池上的出气孔通过相应接口与真空泵连接，真空泵与出气孔间设置阀门；气体样品池上的进气孔通过相应接口与载气球和油气分离装置连接，载气球与油气分离装置各自的通气管道先连接到一条总管上，总管与进气孔相连接，在总管和载气球与油气分离装置各自的通气管道上各自设置一个阀门。检测气体时，由真空泵将气体样品池内的残留气体抽空，然后关闭真空泵并且开启油气分离装置或者载气球管道上的阀门，待测气体就被充入到气体样品池中。
所述F-P增强腔包括第一高反透镜M3与第二高反透镜M4，两块高反透镜的几何中心处于同一直线上，两者的几何中心之间的距离为12.5cm，两块高反透镜相互反射到彼此上的光斑最亮点都应处于镜片中心。第一高反透镜M3的几何中心与气体样品池上其中一块窗口镜的几何中心在同一条直线上，两者的几何中心之间的距离为18.5cm。第二高反透镜M4与分布反馈式半导体激光器DL之间的距离为98cm。第一高反透镜M3与第二高反透镜M4的法线与激光光路的夹角均为0°，以保证M4反射的腔内激光可以沿原光路返回分布反馈式半导体激光器，实现频率锁定。第一高反透镜M3与第二高反透镜M4都为平凹透镜，直径为25±0.1mm，厚度为6.35±0.1mm，镜片平面平整度为3/0.2(0.5)(L/10)，镜片凹面平整度为3/-(0.5)(L/4reg.，曲率半径为250mm，当组成V型光学谐振腔的透镜反射率越高时，谐振腔内激光功率越大，激光与待测气体的有效作用长度越长，有利于增强拉曼散射强度，所以M3，M4两块高反透镜的反射率都应尽量大，所以M3，M4的镀膜涂层为HR(0°，620-680nm)＞99.99％。所述模式匹配透镜ML安装于距离第二高反透镜M4 50cm处。模式匹配透镜会耦合激光到F-P增强腔内，保证激光最佳传输。
本发明还包括一种变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测方法，包括以下步骤：
(a)开启真空泵,将F-P增强腔抽成真空；
(b)打开连接阀门，使经油气分离装置分离出的变压器故障特征气体或者载气球中待测变压器故障特征气体标样进入F-P增强腔中，直到压强为2bar；
(c)打开分布反馈式半导体激光器、光谱仪与CCD；
(d)调节激光器控制器中的温度控制器和电流控制器，使半导体激光器处于25℃和85mA的条件下,半导体激光器中的二极管提供中心波长532nm、20mW的线性偏振激光；
(e)激光在F-P增强腔内来回反射并谐振，增加了腔内激光功率，增加了激光与变压器故障特征气体的有效作用路径，促使变压器故障特征气体产生更大强度拉曼散射光；
(f)设置积分时间为15-20s，狭缝宽度为6-9mm，CCD接收经过透镜聚焦后的拉曼散射光形成拉曼光谱图并进行数据分析，从而实现变压器故障特征气体的微量检测。
本发明中反射镜M5、M6、M7将沿光路射出气体样品池的腔内激光正好反射至偏振分束镜PBS，腔内激光的偏振方向与出射偏振器P2一致，偏振面与反射平面呈90°角，此时再经过偏振旋转器，将激光偏振面再旋转45°，此时射到偏振分束镜上的腔内激光将会被偏振分束镜反射，反射后的腔内激光沿原光路依次通过第一法拉第旋转器FR1与入射偏振器P1，并最终被反馈回分布反馈式半导体激光器，达到光反馈频率锁定的效果。
实现激光器频率有效锁定增强腔共振频率是本装置气体检测的关键。电流扫描过程中，激光器能否有效锁定增强腔共振频率由反馈光相位决定，通过精确地调整腔与激光器之间的距离可控制反馈光相位，从而实现扫描频率下的腔共振频率锁定。但由于实验过程中振动、温度、压强等环境因素的变化及机械振动的影响，导致腔与激光器之间的距离产生微小变化，进而导致激光相位产生偏差。所述2个激光功率探测器(探测器PD1、探测器PD2)、PZT传感器及数据采集单元共同组成频率锁定单元。其中探测器PD1采集腔前功率信号、探测器PD2采集腔后功率信号，2路信号经数据采集单元进入计算机。计算机通过LABVIEW编译的基于腔模对称理论的PZT自动控制程序分析腔后与腔前信号比值的变化情况，可以输出PZT反馈控制信号，进而调节PZT的位置，从而调整腔与激光器之间的距离以达到反馈激光相位匹配，实现激光器输出频率有效锁定腔共振模式。
F-P光学谐振腔增强机理为：
F-P(法布里-珀罗)基于多光束干涉原理制成的光学器件，由两块相互平行的高透高反镜片组成。假设构成F-P谐振腔的两块平行镜片M1与M2间距离为L，M1的电场透射系数为反射系数为(R1、T1分别为M1透射率与反射率)，M2的电场透射系数为反射系数为(R2、T2分别为M2透射率与反射率)，则有R1+T1＝1，R2+T2＝1。一束频率为ω，电场矢量为Ein，波矢量为k＝ω/C＝2π/λ的光入射到腔镜M1上，部分透射到M2，其余被M1反射；透射到M2的光部分被反射到M1，其余透射出谐振腔；反射到M1的光部分被反射到M2，其余透射出M1，腔内的反射光如此往复循环。波在腔内传播距离为L时将产生相移e-iωL/C，多个反射光束之间干涉相长，形成腔内激光功率增强。
本发明所利用的光反馈频率锁定技术的机理为：
对于量子级联激光器或者半导体激光器这两类激光器，可通过将激光器的频率锁定在鉴频器(外部反射镜、外部光学谐振腔等)上，以此来实现激光器稳频。注入光学谐振腔的激光在延迟一定时间后返回激光器，这种现象称为光反馈。当激光器自由运转激光频率开始共振于谐振腔频率时，发生激光频率锁定现象，有助于激光稳频和压窄激光线宽。
附图说明
下面结合附图对本技术方案作进一步说明。
图1是本发明的变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置的结构示意图。
图2是气体样品池的示意图。
图3是变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置对变压器故障特征气体的探测结果图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例中的变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置包括分布反馈式半导体激光器DL，TE制冷安装座，激光器控制器，信号发生器,非球面透镜LA0，变形棱镜组AP，第一反射镜M1，第二反射镜M2，第一功率采集板W1，第一激光功率探测器PD1，光学隔离及光反馈系统，模式匹配透镜ML，气体样品池，压强传感器，真空泵，油气分离装置，F-P增强腔，反射镜M5，第二功率采集板W2，第二激光功率探测器PD2，反射镜M6，反射镜M7，1/2波片PR，平凸透镜LA3，光谱仪与CCD，计算机，PZT传感器及PZT控制器。分布反馈式半导体激光器安装在TE制冷安装座上，计算机信号输出端连接至信号发生器，信号发生器信号输出端连接激光器控制器输入端，激光器控制器输出端连接到分布反馈式半导体激光器信号输入端。分布反馈式半导体激光器发出的激光先经过非球面透镜LA0，再经过变形棱镜组AP，由第一、第二反射镜M1，M2反射后的激光进入光学隔离及光反馈系统。通过光学隔离及光反馈系统后的激光通过模式匹配透镜后进入气体样品池。F-P增强腔置于气体样品池中，气体样品池连接真空泵，载气球，油气分离装置与压强传感器。由气体样品池中射出的垂直于原光路的散射光经过平凸透镜LA3聚焦后被光谱仪与CCD采集，光谱仪与CCD的信号输出端连接至计算机。由气体样品池中射出的沿原光路传播的腔内激光通过M5，M6，M7三块反射镜的反射后经过1/2波片后回到光学隔离及光反馈系统，通过光学隔离及光反馈系统后回到分布反馈式半导体激光器。第二反射镜M2与光学隔离及光反馈系统之间装有第一功率采集板W1与第一激光功率探测器PD1，在反射镜M5与M6之间装有第二功率采集板W2与第二激光功率探测器PD2。第一、第二激光功率探测器PD1与PD2的信号输出端连接至数据采集单元，数据收集单元的信号输出端连接至计算机，计算机的信号输出端连接至PZT控制器，PZT控制器的信号输出端连接至PZT传感器。
如图1所示，本实施例中所有光学镜片中心点距装置内的水平光学平台的垂直距离均固定为13.6cm，且光路中落在所有光学镜片上的光斑最亮处都处于各光学镜片的中心位置。分布反馈式半导体激光器与非球面透镜LA0的位置关系应满足：非球面透镜LA0的焦点正好在分布反馈式半导体激光器端面上。光学隔离及光反馈系统包括入射偏振器P1，第一法拉第旋转器FR1，偏振分束镜PBS，第二法拉第旋转器FR2，出射偏振器P2，激光按照入射偏振器P1→第一法拉第旋转器FR1→偏振分束镜PBS→第二法拉第旋转器FR2→出射偏振器P2的顺序通过光学隔离及光反馈系统。第一法拉第旋转器FR1与第二法拉第旋转器FR2的作用是分别将入射光束的偏振面旋转45°，所述入射偏振器P1与出射偏振器P2彼此呈90°正交放置。反射镜M5，M6，M7将沿光路射出气体样品池的腔内激光正好反射至偏振分束镜PBS。F-P增强腔包括第一高反透镜M3与第二高反透镜M4，两块高反透镜的几何中心处于同一直线上，两者的几何中心之间的距离为12.5cm，两块高反透镜相互反射到彼此上的光斑最亮点都应处于镜片中心。第一高反透镜M3的几何中心与气体样品池上其中一块窗口镜的几何中心在同一条直线上，两者的几何中心之间的距离为18.5cm。第二高反透镜M4与分布反馈式半导体激光器DL之间的距离为98cm。第一高反透镜M3与第二高反透镜M4的法线与激光光路的夹角均为0°。第一高反透镜M3与第二高反透镜M4都为平凹透镜，直径为25±0.1mm，厚度为6.35±0.1mm，镜片平面平整度为3/0.2(0.5)(L/10)，镜片凹面平整度为3/-(0.5)(L/4reg.)，曲率半径为250mm，镀膜涂层为HR(0°，620-680nm)＞99.99％。模式匹配透镜ML安装于距离第二高反透镜M4 50cm处。
如图2所示，本实施例中气体样品池为长方形，由殷钢制作，长50cm，宽50cm，高20cm，压强范围为0bar-3bar。气体样品池配有3个窗口镜，进气孔，出气孔和与气孔相对应的接口，并且可以外接温度传感器与压强传感器。进气孔与出气孔在气体样品池的50cm×50cm正方形顶面上，两个气孔的大小均为2mm2。所述3个窗口镜，分别安装在气体样品池的相邻三个50cm×40cm矩形侧面上，其中有两个窗口镜的中心在空间上呈一条直线，此直线为入射激光所在直线，3个窗口镜的直径均为10±0.1mm。气体样品池上的出气孔通过相应接口与真空泵连接，真空泵与出气孔间设置阀门；气体样品池上的进气孔通过相应接口与载气球和油气分离装置连接，载气球与油气分离装置各自的通气管道先连接到一条总管上，总管与进气孔相连接，在总管和载气球与油气分离装置各自的通气管道上各自设置一个阀门。
图3为本发明的变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置对变压器故障特征气体的探测结果图，用于测量的C2H2，CH4，CO，CO2的气体浓度分别为15、15、50、25ppm，已经在每种故障特征气体的特征峰上做出了相应的标记。检测结果如下：
| 气体种类 | 标准浓度(ppm) | 测量结果(ppm) | 测量误差(％) |
| C<sub>2</sub>H<sub>2</sub> | 15 | 14.95 | 0.33 |
| CH<sub>4</sub> | 15 | 15.02 | 0.13 |
| CO | 50 | 49.89 | 0.22 |
| CO<sub>2</sub> | 25 | 24.93 | 0.28 |
根据检测结果，该装置对CH4、C2H2、CO、CO2最小检测浓度已经分别达到15、15、50、25(ppm)，且测量误差分别为0.33％，0.13％，0.22％，0.28％。
申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (18)
1.一种变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置，其特征在于：包括分布反馈式半导体激光器、光学隔离及光反馈系统、气体样品池、光谱仪与CCD、以及计算机，反馈式半导体激光器发出的激光射入光学隔离及光反馈系统，通过光学隔离及光反馈系统后的激光进入气体样品池，气体样品池连接真空泵、载气球，油气分离装置和压强传感器，由气体样品池中射出的垂直于原光路的散射光被光谱仪与CCD采集，光谱仪与CCD的信号输出端连接至计算机，由气体样品池中射出的沿原光路传播的激光回到光学隔离及光反馈系统，通过光学隔离及光反馈系统后回到分布反馈式半导体激光器，气体样品池内设有F-P增强腔。
2.根据权利要求1所述的变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述检测装置还包括：三个反射镜(M5、M6、M7)和1/2波片，由气体样品池中射出的沿原光路传播的激光依次通过三个反射镜(M5、M6、M7)的反射后经过1/2波片后回到光学隔离及光反馈系统。
3.根据权利要求2所述的变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述检测装置还包括：数据采集单元、第一功率采集板(W1)、第一激光功率探测器(PD1)、第二功率采集板(W2)、第二激光功率探测器(PD2)，第一功率采集板(W1)与第一激光功率探测器(PD1)设置在分布反馈式半导体激光器与光学隔离及光反馈系统之间，第二功率采集板(W2)与第二激光功率探测器(PD2)设置在两个反射镜(M5、M6)之间，第一、第二激光功率探测器(PD1、PD2)的信号输出端连接至数据采集单元，数据收集单元的信号输出端连接至计算机。
4.根据权利要求1所述的变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述检测装置还包括：信号发生器、激光器控制器和TE制冷安装座，其中分布反馈式半导体激光器安装在TE制冷安装座上，计算机的信号输出端连接至信号发生器，信号发生器的信号输出端连接激光器控制器输入端，激光器控制器输出端连接到分布反馈式半导体激光器的信号输入端。
5.根据权利要求1所述的变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述检测装置还包括PZT传感器和PZT控制器，计算机的信号输出端连接至PZT控制器，PZT控制器的信号输出端连接至PZT传感器,第二反射镜(M2)安装在PZT传感器上。
6.根据权利要求1所述的变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述检测装置还包括非球面透镜(LA0)、变形棱镜组(AP)、第一反射镜(M1)和第二反射镜(M2)，其中分布反馈式半导体激光器发出的激光先经过非球面透镜(LA0)，再经过变形棱镜组(AP)，由第一反射镜(M1)、第二反射镜(M2)反射后的激光进入光学隔离及光反馈系统，通过光学隔离及光反馈系统后的激光通过模式匹配透镜(ML)后进入气体样品池，由气体样品池中射出的垂直于原光路散射光经过平凸透镜(LA3)聚焦后被光谱仪与CCD采集。
7.根据权利要求6所述的变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述分布反馈式半导体激光器与非球面透镜(LA0)的位置关系应满足：非球面透镜(LA0)的焦点正好在分布反馈式半导体激光器端面上。
8.根据权利要求1所述的变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述光学隔离及光反馈系统包括入射偏振器(P1)、第一法拉第旋转器(FR1)、偏振分束镜(PBS)、第二法拉第旋转器(FR2)、出射偏振器(P2)，激光按照入射偏振器(P1)、第一法拉第旋转器(FR1)、偏振分束镜(PBS)、第二法拉第旋转器(FR2)、出射偏振器(P2)的顺序通过光学隔离及光反馈系统。
9.根据权利要求8所述的变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述第一法拉第旋转器(FR1)与第二法拉第旋转器(FR2)将入射光束的偏振面旋转的角度为45°，所述入射偏振器(P1)与出射偏振器(P2)彼此呈90°正交放置。
10.根据权利要求1所述的变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述气体样品池为长方形，由殷钢制作，长50cm，宽50cm，高20cm，压强范围为0bar-3bar，气体样品池配有3个窗口镜、进气孔、出气孔和与气孔相对应的接口，并且外接温度传感器与压强传感器。
11.根据权利要求10所述的变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述进气孔与出气孔在气体样品池的50cm×50cm正方形顶面上，两个气孔的大小均为2mm2，所述3个窗口镜分别安装在气体样品池的相邻三个50cm×40cm矩形侧面上，其中有两个窗口镜的中心在空间上呈一条直线，3个窗口镜的直径均为10±0.1mm。
12.根据权利要求10所述的变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置，其特征在于：气体样品池上的出气孔通过相应接口与真空泵连接，真空泵与出气孔间设置阀门；气体样品池上的进气孔通过相应接口与载气球和油气分离装置连接，载气球与油气分离装置各自的通气管道先连接到一条总管上，总管与进气孔相连接，在总管和载气球与油气分离装置各自的通气管道上各自设置一个阀门。
13.根据权利要求1所述的变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述F-P增强腔包括第一高反透镜(M3)与第二高反透镜(M4)，两块高反透镜的几何中心处于同一直线上，两者的几何中心之间的距离为12.5cm，两块高反透镜相互反射到彼此上的光斑最亮点都应处于镜片中心，第一高反透镜(M3)的几何中心与气体样品池上其中一块窗口镜的几何中心在同一条直线上，两者的几何中心之间的距离为18.5cm，第二高反透镜(M4)与分布反馈式半导体激光器之间的距离为98cm。
14.根据权利要求13所述的变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述第一高反透镜(M3)与第二高反透镜(M4)的法线与激光光路的夹角均为0°。
15.根据权利要求13所述的变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述第一高反透镜(M3)与第二高反透镜(M4)都为平凹透镜，直径为25±0.1mm，厚度为6.35±0.1mm，镜片平面平整度为3/0.2(0.5)(L/10)，镜片凹面平整度为3/-(0.5)(L/4reg.)，曲率半径为250mm，镀膜涂层为HR(0°，620-680nm)＞99.99％。
16.根据权利要求13所述的变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述模式匹配透镜(ML)安装于距离第二高反透镜(M4)50cm处。
17.根据权利要求2所述的变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述三个反射镜(M5，M6，M7)将沿原光路射出气体样品池的激光正好反射至光学隔离及光反馈系统中的偏振分束镜(PBS)上。
18.一种变压器特征气体频率锁定腔增强拉曼光谱检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
(a)开启真空泵,将F-P增强腔抽成真空；
(b)打开连接阀门，使经油气分离装置分离出的变压器故障特征气体或者载气球中待测变压器故障特征气体标样进入F-P增强腔中，直到压强为2bar；
(c)打开分布反馈式半导体激光器、光谱仪与CCD；
(d)调节激光器控制器中的温度控制器和电流控制器，使半导体激光器处于25℃和85mA的条件下,半导体激光器中的二极管提供中心波长532nm、20mW的线性偏振激光；
(e)激光在F-P增强腔内来回反射并谐振，增加了腔内激光功率，增加了激光与变压器故障特征气体的有效作用路径，促使变压器故障特征气体产生更大强度拉曼散射光；
(f)设置积分时间为15-20s，狭缝宽度为6-9mm，CCD接收经过透镜聚焦后的拉曼散射光形成拉曼光谱图并进行数据分析，从而实现变压器故障特征气体的微量检测。
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