CN111289467A - 用于检测gis特征气体的新型高灵敏度光谱检测装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及电气领域，特别地，涉及一种用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测装置。本申请提供的一种用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测装置，包括：高功率窄线宽光学参量振荡器组件，中间光路及色散单元组件，信号监测组件；高功率窄线宽光学参量振荡器组件设置于机箱，包括光纤放大器、扩束镜、聚焦透镜、环腔镜片、F‑P标准具、光学参量振荡器、泵浦激光源，所述中间光路及色散单元组件包括：二向色镜、分束镜、波长仪、2块反射镜、2块镀金镜、2块镀银镜、色散棱镜，所述色散棱镜具体可以实施为等边色散棱镜；所述信号监测组件包括：气体池、光声分析仪，所述分析仪放置在所述气体池内。
Description
技术领域
本申请涉及电气领域，特别地，涉及一种用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测装置。
背景技术
GIS设备，即六氟化硫封闭式组合电器，诞生于20世纪60年代中期，它将一座变电站中除变压器以外的一次设备，包括断路器、隔离开关、快速(接地)开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、母线(三相或单相)、连接管、过渡元件和电缆终端等经优化设计全部组合在一个全封闭的金属外壳内，壳内用于绝缘和灭弧的介质是0.4～0.6MPa的SF6气体。
对于GIS故障特征的检测，现有的传感分析方法主要有：气相色谱法、质谱法、半导体(碳纳米管)气敏传感器、固态微桥式检测器。气相色谱法是微量故障特征气体分析最常用的检测方法，可实现准确测量，但色谱柱易老化，不利于长期检测；质谱法具有高效、准确检测的特点，但需结合色谱柱才能实现混合气体的有效检测；半导体(碳纳米管)气敏传感器及固态微桥式检测器灵敏度高，但存在混合气体交叉敏感问题且易老化、稳定性低，其检测准确度也有待提高。
但是，上述方法中待测气体都需一个特定波长的激光，用于激发气体的吸收效应，当气体为低浓度H2和O2等同核双原子气体时，上述方法检测灵敏度低，检测成功率低。
发明内容
本申请提供了一种用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测装置，通过根据光声光谱法的波长调制配置中的零背景的这一特殊特性，提出了结合使用高灵敏度的悬臂增强型光声检测器，通过稳定的高功率窄线宽中红外连续波光参量振荡器以及氟化氢的强吸收截面，使信号可以随吸收的激光功率而线性变化，在达到要求的灵敏度的同时，可以避免除待测气体之外的其他气体的影响，并使长期稳定性得到保证，一定程度上可以解决目前GIS故障特征气体检测装置存在的气体交叉干扰、易老化、稳定性差问题。
本申请的实施例是这样实现的：
本申请实施例的第一方面提供一种用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测装置，包括：高功率窄线宽光学参量振荡器组件，中间光路及色散单元组件，信号监测组件；
所述高功率窄线宽光学参量振荡器组件设置于防尘机箱，包括：光纤放大器、扩束镜、2块聚焦透镜、4块环腔镜片、2块F-P标准具、光学参量振荡器、泵浦激光源，所述泵浦激光源具体可以实施为连续波分布反馈(DFB)激光泵浦源；
所述中间光路及色散单元组件包括：二向色镜、、分束镜、波长仪、2块反射镜、2块镀金镜、2块镀银镜、色散棱镜，所述色散棱镜具体可以实施为等边色散棱镜；
所述信号监测组件包括：气体池、光声分析仪，所述分析仪放置在所述气体池内。
本申请的有益效果在于：通过根据光声光谱法的波长调制配置中的零背景的这一特殊特性，提出了结合使用高灵敏度的悬臂增强型光声检测器，特别稳定的高功率窄线宽中红外连续波光参量振荡器以及氟化氢的强吸收截面，使信号可以随吸收的激光功率而线性变化，可以提高悬臂增强光声光谱技术在痕量气体检测中的灵敏度，可以提高光学参量振荡器的长期稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本申请实施例一种用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测系统100的示意图；
图2示出了本申请实施例一种计算设备200的示意图；
图3示出了本申请实施例一种用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测装置；
图4示出了本申请实施例HF气体检测结果图。
具体实施方式
为使本申请示例性实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请示例性实施例中的附图，对本申请示例性实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的示例性实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本申请中示出的示例性实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。此外，虽然本申请中公开内容按照示范性一个或几个实例来介绍，但应理解，可以就这些公开内容的各个方面也可以单独构成一个完整技术方案。
应当理解，本申请中说明书和权利要求书及上述附图中的术语″第一″、″第二″、″第三″等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，例如能够根据本申请实施例图示或描述中给出那些以外的顺序实施。
此外，术语″包括″和″具有″以及他们的任何变形，意图在于覆盖但不排他的包含，例如，包含了一系列组件的产品或设备不必限于清楚地列出的那些组件，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它组件。
本申请中使用的术语″组件″，是指任何已知或后来开发的硬件、软件、固件、人工智能、模糊逻辑或硬件或/和软件代码的组合，能够执行与该元件相关的功能。。
本说明书通篇提及的″多个实施例″、″一些实施例″、″一个实施例″或″实施例″等，意味着结合该实施例描述的具体特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，本说明书通篇出现的短语″在多个实施例中″、″在一些实施例中″、″在至少另一个实施例中″或″在实施例中″等并不一定都指相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中，具体特征、结构或特性可以任何合适的方式进行组合。因此，在无限制的情形下，结合一个实施例示出或描述的具体特征、结构或特性可全部或部分地与一个或多个其他实施例的特征、结构或特性进行组合。这种修改和变型旨在包括在本申请的范围之内。
图1示出了本申请实施例一种用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测系统100的示意图。用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测系统100是一个可以自动通过检测气体发现GIS故障的系统。
用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测系统100可以包括一个服务器110、至少一个存储设备120、至少一个网络130、一个或多个传感器150-1、150-2......150-N。服务器110可以包括一个处理引擎112。
在一些实施例中，服务器110可以是一个单独的服务器或者一个服务器群组。所述服务器群可以是集中式的或分布式的(例如，服务器110可以是一个分布式的系统)。在一些实施例中，服务器110可以是本地的或远程的。例如，服务器110可以通过网络130访问存储在存储设备120中的数据。服务器110可以直接连接到存储设备120访问存储数据。在一些实施例中，服务器110可以在一个云平台上实现。所述云平台可以包括私有云、公共云、混合云、社区云、分布云、多重云等或上述举例的任意组合。
在一些实施例中，服务器110和用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测系统可以在与本申请图2所示的计算设备上实现，包括计算设备200中的一个或多个部件。
在一些实施例中，服务器110可以包括一个处理引擎112。处理引擎112可以处理与服务请求相关的信息和/或数据以执行本申请描述的一个或多个功能。例如，处理引擎112可以基于获取传感器150采集的信息，并通过网络130发送至存储设备120，用于更新存储在其中的数据。在一些实施例中，处理引擎112可以包括一个或多个处理器。处理引擎112可以包括一个或多个硬件处理器，例如中央处理器(CPU)、专用集成电路(ASIC)、专用指令集处理器(ASIP)、图像处理器(GPU)、物理运算处理器(PPU)、数字信号处理器(DSP)、现场可编辑门阵列(FPGA)、可编辑逻辑器件(PLD)、控制器、微控制器单元、精简指令集计算机(RISC)、微处理器等或上述举例的任意组合。
存储设备120可以存储数据和/或指令。在一些实施例中，存储设备120可以存储从传感器150获得的数据。在一些实施例中，存储设备120可以存储供服务器110执行或使用的数据和/或指令，服务器110可以通过执行或使用所述数据和/或指令以实现本申请描述的实施例方法。在一些实施例中，存储设备120可以包括大容量存储器、可移动存储器、挥发性读写存储器、只读存储器(ROM)等或上述举例的任意组合。在一些实施例中，存储设备120可以在一个云平台上实现。例如所述云平台可以包括私有云、公共云、混合云、社区云、分布云、多重云等或上述举例的任意组合。
在一些实施例中，存储设备120可以与网络130连接以实现与用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测系统100中的一个或多个部件之间的通信。用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测系统100的一个或多个部件可以通过网络130访问存储在存储设备120中的数据或指令。在一些实施例中，存储设备120可以直接与用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测系统100的一个或多个部件连接或通信。在一些实施例中，存储设备120可以是服务器110的一部分。
网络130可以促进信息和/或数据的交换。在一些实施例中，用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测系统100中的一个或多个部件可以通过网络130向用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测系统100中的其他部件发送信息和/或数据。例如，服务器110可以通过网络130从传感器150获取/得到请求。在一些实施例中，网络130可以是有线网络或无线网络中的任意一种，或其组合。在一些实施例中，网络130可以包括一个或多个网络接入点。例如，网络130可能包括有线或无线网络接入点，如基站和/或互联网交换点130-1、130-2等等。通过接入点，用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测系统100的一个或多个部件可能连接到网络130以交换数据和/或信息。
传感器150可以实施为气体传感器，压力传感器，光传感器等。在一些实施例中，传感器150可以将采集到的信息发送到用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测系统100中的一个或多个设备中。例如，传感器150可以将采集发送至服务器110进行处理，或存储设备120中进行存储。
图2是根据本申请的一些实施例所示的一种示例性计算设备200的示意图。
服务器110、存储设备120可以在计算设备200上实现。例如，处理引擎112可以在计算设备200上实现并被配置为实现本申请中所披露的功能。
计算设备200可以包括用来实现本申请所描述的系统的任意部件。例如，处理引擎112可以在计算设备200上通过其硬件、软件程序、固件或其组合实现。为了方便起见图中仅绘制了一台计算机，但是本申请所描述的用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测系统100相关的计算功能可以以分布的方式、由一组相似的平台所实施，以分散系统的处理负荷。
计算设备200可以包括与网络连接的通信端口250，用于实现数据通信。计算设备200可以包括一个处理器220，可以以一个或多个处理器的形式执行程序指令。示例性的电脑平台可以包括一个内部总线210、不同形式的程序存储器和数据存储器包括，例如，硬盘270、和只读存储器(ROM)230或随机存储器(RAM)240，用于存储由计算机处理和/或传输的各种各样的数据文件。示例性的计算设备可以包括存储在只读存储器230、随机存储器240和/或其他类型的非暂时性存储介质中的由处理器220执行的程序指令。本申请的方法和/或流程可以以程序指令的方式实现。计算设备200也包括输入/输出部件260，用于支持电脑与其他部件之间的输入/输出。计算设备200也可以通过网络通讯接收本披露中的程序和数据。
为理解方便，图2中仅示例性绘制了一个处理器。然而，需要注意的是，本申请中的计算设备200可以包括多个处理器，因此本申请中描述的由一个处理器实现的操作和/或方法也可以共同地或独立地由多个处理器实现。例如，如果在本申请中，计算设备200的处理器执行步骤1和步骤2，应当理解的是，步骤1和步骤2也可以由计算设备200的两个不同的处理器共同地或独立地执行。
图3示出了本申请实施例一种用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测装置。
所述新型高灵敏度光谱检测装置包括：高功率窄线宽光学参量振荡器组件，中间光路及色散单元组件，信号监测组件。
高功率窄线宽光学参量振荡器组件通常设置于防尘机箱的内部。
所述高功率窄线宽光学参量振荡器组件具体包括：光纤放大器、扩束镜、2块聚焦透镜、4块环腔镜片、2块F-P标准具、光学参量振荡器、泵浦激光源，所述泵浦激光源具体可以实施为连续波分布反馈(DFB)激光泵浦源。
所述高功率窄线宽光学参量振荡器组件主要用于分析三种波长的相干光：1064nm泵浦光束，1866nm信号光束、待测气体吸收线所处波长的激光。
以检测HF气体为例，HF的最强吸收线位于2476nm左右，因此待测气体吸收线所处波长的激光为2476nm的激光。
在一些实施例中，使用干燥的空气，连续对防尘机箱内部进行吹扫，其目的在于将机箱内部的湿度降低到正常环境空气的十分之一左右。
在一些实施例中，所述连续波分布反馈(DFB)激光泵浦源发出的泵浦光束经由光纤放大器进行放大；然后泵浦光束再经由扩束镜进行扩束；然后使用防反射镀膜聚焦透镜聚焦到光学参量振荡器腔中，由光学参量振荡器输出的激光，其功率最大可被放大至20W。
需要说明的是，通常所述激光泵浦源的工作频率为1046nm，泵浦光束的功率为5mW。
在光学参量振荡器中，泵浦光束聚焦到掺有50毫米长的MgO掺杂、周期性极化的铌酸锂(HC Photonics的MgO：PPLN)晶体中，所述晶体的极化周期呈扇形分布，范围为26.5至32.5μm。
由于该种晶体需要处于十分稳定的工作环境，在一些实施例中，该所述晶体放置在铝制支架上，并且使用购买的温度控制器控制其温度处在20至100℃之间。
四块环腔镜片如图3所示，被配置为构成蝴蝶结环腔围绕在铌酸锂晶体晶体旁边。
其中环腔镜片1和环腔镜片2具体可以实施为2个平凹介电镜其直径可设置为51mm，具有125mm的曲率半径。在泵浦光波段(1064nm)和待测气体吸收线所处波长的激光波段(2476nm)具有高透射率涂层，透射率为99.97％；在1866nm信号光波长处具有高反射率，反射率为99.98％。
环腔镜片3和环腔镜片4为平面镜，其直径为51mm，与环腔镜片1和环腔镜片2具有相同的涂层。
两个未镀膜的F-P标准具，分别为0.3mm和2mm厚，直径设置为25.4mm，被配置为放置在环腔镜片3和环腔镜片4之间，以缩小光学参量振荡器增益带宽。两块F-P标准具旋转至与光路呈30°角，这样可以在1866nm波长附近的低吸水率点实现最大透射。
中间光路及色散单元组件包括：二向色镜、、分束镜、波长仪、两块反射镜、两块镀金镜、两块镀银镜、色散棱镜，所述色散棱镜具体可以实施为等边色散棱镜。
信号监测组件包括：气体池、光声分析仪，所述分析仪放置在所述气体池内。
通过使用二向色镜和等边色散棱镜的组合，可以将残留泵浦光束和信号光束分开，所述二向色镜的分光比999∶1；所述等边色散棱镜的边长为50mm；所述残留泵浦光束的波长为1046nm。
部分待测气体吸收线所处波长的激光(2476nm)和信号光束通过分束镜，可以被采样到波长仪中，分束镜的分光比设置为96∶4。
在光束分离之后，信号光束直接被镀金镜1反射离开光路，待测气体吸收线所处波长的激光(2476nm激光)依次通过镀金镜1，镀金镜2、镀银镜2反射后，被引导通过气体池内的光声分析仪，所述光声分析仪被配置为双通道光通路。在一些实施例中，所述镀金镜与镀银镜的镜片直径设置为51mm。
反射镜2被配置为用于反射通过光声分析仪的激光，所述激光第二次通过光声分析仪后依次经过镀银镜2，镀金镜2、镀银镜1反射进入功率计，所述功率计被配置为用于测量反射镜2反射回的激光的功率。
在一些实施例中，镀银镜1以75°角被放置在偏离光路处的位置，防止其阻止激光由镀金镜1向镀金镜2传播。
气体池的表面镀金，并带有CaF2窗口，该窗口被配置为附着有用于所述待测气体吸收线所处波长的激光(2476nm)的抗反射涂层，在2476nm波段的透射率为99.96％。
对HF气体进行检测时，将气体池中的样气压力调节至200mbar，以获得最佳光谱线宽，并将温度调节至50℃，使用所述装置得到的HF检测图，如图4所示。
本申请的有益效果在于，通过根据光声光谱法的波长调制配置中的零背景的这一特殊特性，提出了结合使用高灵敏度的悬臂增强型光声检测器，特别稳定的高功率窄线宽中红外连续波光参量振荡器以及氟化氢的强吸收截面，使信号可以随吸收的激光功率而线性变化，可以提高悬臂增强光声光谱技术在痕量气体检测中的灵敏度，可以提高光学参量振荡器的长期稳定性。
此外，本领域技术人员可以理解，本申请的各方面可以通过若干具有可专利性的种类或情况进行说明和描述，包括任何新的和有用的工序、机器、产品或物质的组合，或对他们的任何新的和有用的改进。相应地，本申请的各个方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为″数据块″、″模块″、″引擎″、″单元″、″组件″或″系统″。此外，本申请的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。
计算机存储介质可能包含一个内含有计算机程序编码的传播数据信号，例如在基带上或作为载波的一部分。该传播信号可能有多种表现形式，包括电磁形式、光形式等，或合适的组合形式。计算机存储介质可以是除计算机可读存储介质之外的任何计算机可读介质，该介质可以通过连接至一个指令执行系统、装置或设备以实现通讯、传播或传输供使用的程序。位于计算机存储介质上的程序编码可以通过任何合适的介质进行传播，包括无线电、电缆、光纤电缆、RF、或类似介质，或任何上述介质的组合。
本申请各部分操作所需的计算机程序编码可以用任意一种或多种程序语言编写，包括面向对象编程语言如Java、Scala、Smalltalk、Eiffel、JADE、Emerald、C++、C#、VB.NET、Python等，常规程序化编程语言如C语言、Visual Basic、Fortran 2003、Perl、COBOL 2002、PHP、ABAP，动态编程语言如Python、Ruby和Groovy，或其他编程语言等。该程序编码可以完全在用户计算机上运行、或作为独立的软件包在用户计算机上运行、或部分在用户计算机上运行部分在远程计算机运行、或完全在远程计算机或服务器上运行。在后种情况下，远程计算机可以通过任何网络形式与用户计算机连接，比如局域网(LAN)或广域网(WAN)、或连接至外部计算机(例如通过因特网)、或在云计算环境中、或作为服务使用如软件即服务(SaaS)。
此外，除非权利要求中明确说明，本申请所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本申请流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的发明实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本申请实施例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的系统组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的服务器或移动设备上安装所描述的系统。
同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
针对本申请引用的每个专利、专利申请、专利申请公开物和其他材料，如文章、书籍、说明书、出版物、文档等，特此将其全部内容并入本申请作为参考。与本申请内容不一致或产生冲突的申请历史文件除外，对本申请权利要求最广范围有限制的文件(当前或之后附加于本申请中的)也除外。需要说明的是，如果本申请附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本申请所述内容有不一致或冲突的地方，以本申请的描述、定义和/或术语的使用为准。
Claims (10)
1.一种用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测装置，其特征在于，包括：高功率窄线宽光学参量振荡器组件，中间光路及色散单元组件，信号监测组件；
所述高功率窄线宽光学参量振荡器组件设置于防尘机箱，包括：光纤放大器、扩束镜、2块聚焦透镜、4块环腔镜片、2块F-P标准具、光学参量振荡器、泵浦激光源，所述泵浦激光源具体可以实施为连续波分布反馈(DFB)激光泵浦源；
所述中间光路及色散单元组件包括：二向色镜、分束镜、波长仪、2块反射镜、2块镀金镜、2块镀银镜、色散棱镜，所述色散棱镜具体可以实施为等边色散棱镜；
所述信号监测组件包括：气体池、光声分析仪，所述分析仪放置在所述气体池内。
2.如权利要求1所述的用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测装置，其特征在于，所述高功率窄线宽光学参量振荡器组件内主要用于分析三种波长的相干光：1064nm泵浦光束，1866nm信号光束和待测气体吸收线所处波长的激光。
3.如权利要求1所述的用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测装置，其特征在于，所述泵浦激光源，其发出的泵浦光束经由光纤放大器放大后，泵浦光束经由扩束镜扩束后使用防反射镀膜聚焦透镜聚焦到光学参量振荡器腔中。
4.如权利要求1所述的用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测装置，其特征在于，在所述光学参量振荡器中，泵浦光束聚焦到掺有50毫米长的MgO掺杂、周期性极化的铌酸锂晶体中。
5.如权利要求1所述的用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测装置，其特征在于，与所述F-P标准具连接的环腔镜片为平凹介电镜，被配置为在泵浦光波段和待测气体吸收线所处波长的激光波段具有高透射率涂层；在1866nm信号光波长处具有高反射率；其他环腔镜片为平面镜，且与所述平凹介电镜具有相同的涂层。
6.如权利要求1所述的用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测装置，其特征在于，所述F-P标准具被配置为与与光路呈30°角，用于在1866nm波长附近的低吸水率点实现透射。
7.如权利要求1所述的用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测装置，其特征在于，所述二向色镜、色散棱镜被配置为将残留泵浦光束和信号光束分开。
8.如权利要求1所述的用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测装置，其特征在于，还包括功率计，所述功率计用于测量被放置在所述气体池后的反射镜反射的激光功率，所述光声分析仪被配置双通道光通路。
9.如权利要求1所述的用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测装置，其特征在于，所述2块镀银镜，其中1个被配置为以75°角放置在偏离光路处的位置。
10.如权利要求1所述的用于检测GIS特征气体的新型高灵敏度光谱检测装置，其特征在于，还包括气体池，所述气体池被配置为表面镀金，并带有CaF2窗口，所述窗口附着有用于待测气体吸收线所处波长的激光的抗反射涂层。
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