CN212321419U - 基于光频梳频率定标的高分辨光声光谱气体检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种本实用新型所设计的基于光频梳频率定标的高分辨光声光谱气体检测系统，它包括红外光梳、红外可调谐连续激光器、第一分束器、第二合束器、红外光电探测器、频谱仪、斩波器、光声池和微音器，本实用新型利用红外光梳对光声光谱进行频率标定，增加了光声光谱测量的频率信息，从而提高对复杂多组分电力设备故障气体检测的分辨能力，解决传统技术交叉敏感的问题和选择性差的问题；通过采用宽带调频的红外连续激光器作为光源，可以增加光声光谱的测量谱宽以及可检测的气体种类。

Description

基于光频梳频率定标的高分辨光声光谱气体检测系统

技术领域

本实用新型涉及气体检测技术领域，具体地指一种基于光频梳频率定标的高分辨光声光谱气体检测系统。

背景技术

针对六氟化硫电气设备分解产物的超灵敏检测技术是排查电气设备(如：变压器、断路器、气体绝缘金属封闭开关设备、互感器、电容器等)潜在故障，确保设备运行安全的重要手段。六氟化硫电气设备分解产物是指电气设备中的六氟化硫SF6气体或固体绝缘材料，发生化学反应后产生的H₂S、HF、SO₂、CF₄、CO、CO₂、C₃F₈、 SO₂F₂、SOF₂等气体。由于电气设备故障特征气体的组分复杂、含量不一，因此对气检技术的气体识别或分辨能力(选择性)、灵敏度、准确性，以及可检测气体种类等特性提出严苛要求。

目前，常用的气体检测手段包括如下几种。

1)电化学法。该技术利用被测气体的电化学反应，将被测气体的浓度变化转为电位或电流变化的传感测量器件。可检测气体对象主要包括H₂S、HF、SO₂、CF₄、CO。该方法灵敏度高，但需要与被测气体直接接触，易被腐蚀，且可检测气体种类以及可检测浓度的动态范围易受限制。

2)气体检测管法。在填充涂有化学试剂的透明管子中，通入待测气体，经过化学反应，使试剂颜色发生变化，从而确定气体的浓度等信息。可检测气体对象主要包括H₂S、HF、SO₂、CF₄、CO。该方法使用方便，但无法实现精确的定量分析，测量灵敏度和精度有限，无法区分混合的复杂气体样品。

3)气相色谱仪。利用色谱原理对混合气体中不同成分进行分析检测。可检测气体对象主要包括H₂S、SO₂、CF₄、CO、CO₂、C₃F₈、 SO₂F₂、SOF₂。该方法检测灵敏度高，可检测种类全，但需要复杂的气体样品制备流程，且检测耗时，即时效性差。

4)气体光谱法。以朗伯比尔定律为基础，利用气体分子的吸收谱线强度，可以对不同气体进行种类、浓度的定性及定量分析。此类方法检测气体种类多样，且可以实现同时、非接触式检测。目前气体吸收光谱检测技术主要有以下几种。

a)基于频率调制的可调谐半导体激光吸收光谱(即TDLAS)。通过调谐激光器的波长(或频率)，逐点检测透过吸收池的透射光强来获取吸收谱。结合长光程气体池，其测量灵敏度高、精度高、分辨率高，但是测量速度极慢，检测气体种类有限，且成本高昂。

b)差分吸收光谱技术(即DOAS)。利用样品对光的差分吸收实现物质浓度测量。其优点是可以同时测量多种痕量气体，但缺点是该技术仅限于所测波段的窄吸收谱线的气体分子，另外其监测体系也会受到环境中水汽的影响。

c)光声光谱技术(PAS)。使用红外宽谱光源射入气体样品，样品分子吸收光能后被激发到高能态，产生的热能以特定频率的声波形式释放，并被微音器接受。该方法可以对在红外光源发射谱范围内有明显吸收的气体进行浓度检测，光谱范围的选择可以通过滤波片实现。但是，由于PAS技术中没有对激发光的频率进行精确标定，因此缺少光频率测量特性，从而对于吸收谱线较近的气体探测区分难度较大，即交叉敏感的问题没有得到解决，而且选择性较差，难以实现气体浓度的精确测量。

综上所述，气体光谱测量方法相比于其他方法具有非接触、无需气体制备、检测方式安全等优势，但是在气体分辨能力、灵敏度或者波段选择性等方面存在问题。特别是，具有高检测灵敏度的光声光谱PAS技术，无背景噪声干扰，其超声信号的强弱可直接反映物质吸收光能量的大小，所以不易受光反射和散射的影响，但需要有效避免宽谱红外光源带来的缺陷，如无法实现激发光的频率标定所导致的定量分析精确度低，以及对混合气体种类的分辨能力差等技术瓶颈。

发明内容

本实用新型针对上述问题，本实用新型提出了一种基于光频梳频率定标的高分辨光声光谱气体检测系统，本实用新型利用光频梳对光声光谱灵敏检测技术进行频率定标，通过光频梳的高精度频率识别能力，提升光声光谱技术对混合气体中不同气体成分的分辨能力，提高气体检测技术的选择性和准确性。

为实现此目的，本实用新型所设计的基于光频梳频率定标的高分辨光声光谱气体检测系统，它包括红外光梳、红外可调谐连续激光器、第一分束器、第二合束器、红外光电探测器、频谱仪、斩波器、光声池和微音器，所述红外光梳的输出端与第二合束器的输入光路连接，红外可调谐连续激光器的输出端与第一分束器的输入光路连接，第一分束器的第一输出端与第二合束器的输入光路连接，第二合束器的输出端与红外光电探测器的输入光路连接，红外光电探测器的输出端与频谱分析仪的电信号输入端链接，第一分束器的输出端与光声池的光源入射口正对，斩波器设置于第一分束器的输出端与光声池的光源入射口之间，斩波器用于对第一分束器输出的光信号进行周期性的强度调制，所述光声池内装有待测气体，第一分束器输出的光信号经过斩波器强度调制后，射入光声池中的待测气体，并用微音器探测待测气体吸收光能后产生的声波信号。

本实用新型的有益效果：

本实用新型利用红外光梳对光声光谱进行频率标定，增加了光声光谱测量的频率信息，从而提高对复杂多组分电力设备故障气体检测的分辨能力，解决传统技术交叉敏感的问题和选择性差的问题；通过采用宽带调频的红外连续激光器作为光源，可以增加光声光谱的测量谱宽以及可检测的气体种类。同时，本实用新型采用的是光声光谱技术，相较于传统光谱分析法而言，其灵敏度高，检测时间短，可以实现对电网故障设备特征气体的光谱谱线中心频率与线宽的快速、超敏测量和对气体浓度、种类、含量的实时分析。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型中光梳频率定标的原理图。

其中，1—红外光梳、2—红外可调谐连续激光器、3—第一分束器、4—第二合束器、5—红外光电探测器、6—频谱仪、7—斩波器、 8—光声池、9—微音器、10—锁相放大器、11—数据采集卡。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明：

如图1所示的基于光频梳频率定标的高分辨光声光谱气体检测系统，它包括红外光梳1、红外可调谐连续激光器2、第一分束器3、第二合束器4、红外光电探测器5、频谱仪6、斩波器7、光声池8 和微音器9，所述红外光梳1的输出端与第二合束器4的输入光路连接，红外可调谐连续激光器2的输出端与第一分束器3的输入光路连接，第一分束器3的第一输出端与第二合束器4的输入光路连接，第二合束器4的输出端与红外光电探测器5的输入光路连接，第二合束器4用于将红外光梳1输出的红外光梳信号与红外可调谐连续激光器2输出的红外连续激光信号进行空间合束，空间重合是实现两者光学拍频的必要条件，第一分束器3用于对红外可调谐连续激光器2分光，分为两路，其中一路与红外光梳信号进行拍频探测，另一路直接进入光声池8，用于气体检测，红外光电探测器5的输出端与频谱分析仪6的电信号输入端链接，第一分束器3的输出端与光声池8的光源入射口正对，斩波器7设置于第一分束器3的输出端与光声池8的光源入射口之间，斩波器7用于对第一分束器3输出的光信号进行周期性的强度调制，所述光声池8内装有待测气体，第一分束器3输出的光信号经过斩波器7强度调制后，射入光声池8 中的待测气体，并用微音器9探测待测气体吸收光能后产生的声波信号。

上述技术方案中，它还包括锁相放大器10和数据采集卡11，所述微音器9的信号输出端链接锁相放大器10的输入端，锁相放大器 10的输出端连接数据采集卡11的输入端，斩波器7的控制器的设定频率信号输出端连接数据采集卡11的输入端(斩波器的设定频率也被接入数据采集卡11作为参考信号，斩波器的设定频率，即强度调制的频率，它等同于微音器探测到的声波信号的频率。将斩波器设定频率与光声信号的频率共同送入数采卡，可以起到参考作用)。使用微音器9接收该声波信号并转化为电信号，由锁相放大器10进行噪声抑制和放大后，送入数据采集卡11进行信号处理。

上述技术方案中，所述红外可调谐连续激光器2用于输出待测频率为f_cw的红外连续激光信号，红外光梳1用于输出经过频率校准的红外光梳信号，红外光电探测器5用于将红外连续激光信号与红外光梳信号进行拍频得到的拍频信号f_b进行捕捉并记录在频谱分析仪6中，频谱分析仪6用于利用红外连续激光信号、拍频信号f_b，并通过光梳定标的方法对红外连续激光信号中待测频率f_cw进行测量。

上述技术方案中，所述红外可调谐连续激光器2输出的频率为 f_cw的红外连续激光信号由斩波器7进行强度调制后，射入光声池8 中的待测气体，并用微音器9探测待测气体吸收光能后产生的声波信号并转化为电信号。

上述技术方案中，所述电信号由锁相放大器10放大后，通过数据采集卡11采集，并利用光声光谱探测方法得到待测气体的光声光谱强度信号，该信号与气体的浓度成正比关系，可以用于识别气体的浓度与气体的种类。

基于光频梳频率定标的高分辨光声光谱气体检测方法，包括如下步骤：

步骤1：红外可调谐连续激光器2输出待测频率为f_cw的红外连续激光信号，红外光梳1输出经过频率校准的红外光梳信号，红外连续激光信号通过第一分束器3输入到第二合束器4，在第二合束器 4内红外连续激光信号与红外光梳信号进行拍频得到的拍频信号f_b；

步骤2：红外光电探测器5将拍频信号f_b进行捕捉并记录在频谱分析仪6中；

步骤3：频谱分析仪6利用红外连续激光信号、拍频信号f_b，并通过光梳定标的方法对红外连续激光信号中待测频率f_cw进行测量；

步骤4：红外可调谐连续激光器2输出的频率为f_cw的红外连续激光信号由斩波器7进行强度调制后，射入光声池8中的待测气体，并用微音器9探测待测气体吸收光能后产生的声波信号并转化为声波电信号；

步骤5：所述声波电信号由锁相放大器10放大后，通过数据采集卡11采集，并利用光声光谱探测方法得到待测气体的光声光谱强度信号，由于分子在红外波段具有强的吸收截面，因此红外光引入的光声效应明显，光谱灵敏度极高，通常可达十亿分之一(ppb)量级；

步骤6：采用连续激光扫频方法，调节红外可调谐连续激光器2 输出的红外激光的波长或频率，实现在宽带光谱范围内的波长或频率扫描，同时，通过步骤1～3的光梳定标方法对调谐连续激光的频率进行实时测量，得到频率与光声信号幅度一一对应的宽谱带光声光谱图，从而实现对多组分六氟化硫电气设备分解产物的高分辨光谱检测。

上述技术方案中，如图2所示，所述的红外光梳信号是指一个宽带红外光源，光谱范围在3～12μm之间，其光谱呈现梳齿状分布，即光谱由N根等间距分布的频率齿或梳齿组成，N为任意整数，通常N在10³～10⁶之间，其中每根频率齿相当于一束单纵模激光，光梳的第一根梳齿的频率为f₀，彼此相邻梳齿的频率间距为f_r，则第n 根梳齿的绝对频率表示为：f_n＝f₀+nf_r，其中0<n<N。

红外光电探测器5对拍频信号f_b的探测方式为将待测频率为f_cw的红外连续激光信号与红外光梳信号空间重合后射入红外光电探测器5，红外光电探测器5输出信号接入频谱分析仪6，拍频探测输出信号的频率为f_b＝|f_cw-f_n|，f_b由频谱分析仪测量得到。

上述技术方案中，经过频率校准的红外光梳信号是指光梳的f_r频率通过红外光电探测器5和频率计以测量光梳脉冲重复频率的方式测定；光梳的f₀频率，即载波包络相位频率，通过f-2f自参考技术进行测定，所述的f-2f自参考技术，是指将频率低于光梳中心频率的梳齿f_n1＝f₀+n1·f_r，f_n1是指光梳的第n1根梳齿的频率，n1为序数且为正整数，对应任意一个频率低于光梳中心频率的梳齿，通过非线性晶体进行倍频，产生频率为2f_n1＝2f₀+2n1·f_r的倍频光，然后倍频光与光梳中比光梳的中心频率高的梳齿f_n2＝f₀+2·n1·f_r进行拍频探测，f_n2是光梳的第n2根梳齿的频率，n2为序数且为正整数，对应任意一个频率高于光梳中心频率的梳齿，且总能找到一根梳齿满足n2等于2倍的n1，得到频率为f’_b＝2f_n1-f_n2＝f₀的拍频信号，f’_b是频率为f_n1与频率为f_n2的光梳梳齿之间的拍频信号的频率，该拍频信号可以被频谱仪直接测量，该拍频信号的频率即为f₀频率；

在已知f₀和f_r以后，为了测得f_cw需要确定梳齿序数n，此时，需要通过频谱分析仪6或光学波长计对红外连续激光信号进行预先粗略测定，通过不等式0<|f_cw-(f₀+nf_r)|<f_r/2估算整数n的数值，再利用频谱分析仪6测得的f_b，通过拍频探测公式f_b＝|f_cw-(f₀+nf_r)|精确计算出f_cw的频率，高分辨光谱分析仪或光学波长计测量波长或频率的精度极限在10pm或1GHz量级，而利用光梳定标的方法可以把频率测量精度确定在1MHz以内，该数值远小于毗邻分子谱线的线宽及谱线间距(0.1～1GHz之间)。因此，可以极大地提升测量手段对分子谱线的识别或分辨能力。

上述技术方案中，所述六氟化硫电气设备分解产物是指具有红外吸收特征的电气设备故障特征气体，如H₂S、HF、SO₂、CO、CO₂。

上述技术方案中，所述步骤5中红外连续激光信号经过斩波器的强度调制后，照射到含有待测气体的光声池8中，气体分子吸收频率为ν的红外光后受激发生能级跃迁，而后受激分子通过无辐射跃迁又返回至基态，并将吸收的光能转化为热能，由于入射光受到斩波器周期性的调制，温度即压力，也会发生周期性的变化，使用微音器9接收该声波信号并转化为电信号，由锁相放大器10进行噪声抑制和放大后，送入数据采集卡11进行信号处理。随着中红外连续光源波长的改变，该技术可以对气体分子的单个吸收峰或者谱线较为接近的几个吸收峰进行调制，产生特定频率的声波信号，进而得到对应吸收光谱。

最后是连续激光扫频技术。通过对连续激光的频率调谐，逐点记录透射光强，获取宽带的高灵敏度光声光谱。

具体实施如下：

实施例1：以针对二氧化碳(CO₂)气体分子在2.8μm附近的吸收峰群进行测量为例。如图1所示，2.8μm的可调谐连续激光器2经过30：70的分束器3后，其中70％的光作为光声光谱检测的光源， 30％的光与2.8μm的光梳进行拍频，光梳的重复频率(即梳齿间距) f_r选为10GHz；载波包络相位频率(即零频)f₀，设置为0(通常采用调节光梳泵浦光功率的方式实现)。通过光频梳频率定标技术，对连续激光器的绝对光学频率进行实时监控。

红外可调谐连续光源进入光声探测模块，经过斩波器7调制的红外光进入充有CO₂的光声池8中，其声波信号被附在池壁的微音器9捕捉并转化为电信号，对电信号进行噪声抑制和锁相放大后，送入数据采集卡进行采集处理。其中，斩波器的设定频率也被接入数据采集卡作为参考信号。设置逐点采集处理的程序，即可快速获取CO₂相应的光谱信息。

综上所述，本实用新型提出的一种基于光频梳频率定标的高分辨光声光谱气体检测方法，不仅具备了光声光谱技术的无背景噪声，不受散射反射干扰等优势，而且其与光梳频率定标方法相结合后，通过对频率精确测定，可实现对密集分布的分子吸收峰的高分辨、精准识别，提高光谱测量精度。因此，该方法在灵敏度和选择性方面都占据优势，可以获得分子的单个或几个距离较近难以分辨的吸收谱信息，同时也解决了各气体吸收峰之间交叉敏感的问题。

本系统在电网安全维护方面可以实现高灵敏度快速响应的特征气体(如SF₆气体及其分解产物)光谱谱线参数分析。利用本方法对可以以灵敏、准确的方式测定气体的浓度、含量、种类等重要信息，为电网运行安全与故障特征气体检测提供途径。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种基于光频梳频率定标的高分辨光声光谱气体检测系统，其特征在于：它包括红外光梳(1)、红外可调谐连续激光器(2)、第一分束器(3)、第二合束器(4)、红外光电探测器(5)、频谱仪(6)、斩波器(7)、光声池(8)和微音器(9)，所述红外光梳(1)的输出端与第二合束器(4)的输入光路连接，红外可调谐连续激光器(2)的输出端与第一分束器(3)的输入光路连接，第一分束器(3)的第一输出端与第二合束器(4)的输入光路连接，第二合束器(4)的输出端与红外光电探测器(5)的输入光路连接，红外光电探测器(5)的输出端与频谱仪(6)的电信号输入端链接，第一分束器(3)的输出端与光声池(8)的光源入射口正对，斩波器(7)设置于第一分束器(3)的输出端与光声池(8)的光源入射口之间，斩波器(7)用于对第一分束器(3)输出的光信号进行周期性的强度调制，所述光声池(8)内装有待测气体，第一分束器(3)输出的光信号经过斩波器(7)强度调制后，射入光声池(8)中的待测气体，并用微音器(9)探测待测气体吸收光能后产生的声波信号。

2.根据权利要求1所述的基于光频梳频率定标的高分辨光声光谱气体检测系统，其特征在于：它还包括锁相放大器(10)和数据采集卡(11)，所述微音器(9)的信号输出端链接锁相放大器(10)的输入端，锁相放大器(10)的输出端连接数据采集卡(11)的输入端，斩波器(7)的控制器的设定频率信号输出端连接数据采集卡(11)的输入端。

3.根据权利要求1所述的基于光频梳频率定标的高分辨光声光谱气体检测系统，其特征在于：所述红外可调谐连续激光器(2)用于输出待测频率为f_cw的红外连续激光信号，红外光梳(1)用于输出经过频率校准的红外光梳信号，红外光电探测器(5)用于将红外连续激光信号与红外光梳信号进行拍频得到的拍频信号f_b进行捕捉并记录在频谱仪(6)中，频谱仪(6)用于利用红外连续激光信号、拍频信号f_b，并通过光梳定标的方法对红外连续激光信号中待测频率f_cw进行测量。

4.根据权利要求3所述的基于光频梳频率定标的高分辨光声光谱气体检测系统，其特征在于：所述红外可调谐连续激光器(2)输出的频率为f_cw的红外连续激光信号由斩波器(7)进行强度调制后，射入光声池(8)中的待测气体，并用微音器(9)探测待测气体吸收光能后产生的声波信号。

5.根据权利要求4所述的基于光频梳频率定标的高分辨光声光谱气体检测系统，其特征在于：所述声波信号由锁相放大器(10)放大后，通过数据采集卡(11)采集，并利用光声光谱探测方法得到待测气体的光声光谱强度信号。

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