基于双悬臂梁增强型光声光谱的气体分解组分检测装置的制作方法

本公开涉及一种基于双悬臂梁增强型光声光谱的气体分解组分检测装置，利用cepas痕量气体检测技术，通过光声信号，实现对待测气体的定性定量检测。

背景技术：

与传统的敞开式空气绝缘电气设备相比，气体绝缘组合电器(gis)、气体绝缘断路器(gib)、气体绝缘变压器(git)等气体绝缘电气设备不仅有效的提高了设备内绝缘强度，而且大大的缩小了设备的体积，具有占地面积小，运行安全可靠，检修维护简单，不受外界环境的影响等诸多优点。

现有研究表明，不同类型的绝缘故障导致的绝缘气体分解，其产物在成分、组分含量、产气速率及特征组分含量比值等方面均有所不同，且绝缘气体的分解量与故障严重程度亦有所关联，因此可以借助检测分析绝缘气体分解气体的特征组分实现对设备内部的故障类型与故障严重程度的识别和评估，使得绝缘气体分解组分法成为气体绝缘设备内部故障检测的重要手段。

采用悬臂梁增强型光声光谱(cantileverenhancedphotoacousticspectroscopy，cepas)痕量气体检测技术对待测气体浓度进行检测时，测得的光声信号会受到检测系统和外部环境各种噪声的影响，从而使得检测精度受到影响。悬臂梁增强型光声光谱检测系统的噪声来源主要有：检测系统的电噪声、斩波器引起的机械振动噪声、背景气体微弱红外吸收引起的噪声、气体分子布朗运动噪声和环境噪声及硅微悬臂梁传声器测量精度等。

技术实现要素：

本公开提供一种基于双悬臂梁增强型光声光谱的气体分解组分检测装置，将cepas痕量气体检测技术应用于气体绝缘介质分解组分的检测，有效的抑制光声池内的噪声信号。

本公开的至少一个实施例提供一种气体分解组分检测装置，包括：

硅微悬臂梁传声器，所述硅微悬臂梁传声器包括：光声池，所述光声池上具有进气口、出气口和两个对称的光声检测通道，所述两个对称的光声检测通道内设有硅微悬臂梁；激光干涉仪，用于透过所述两个对称的光声检测通道上的透激光玻璃测量所述硅微悬臂梁的振动；数字信号处理模块，用于对所述激光干涉仪测量的所述硅微悬臂梁振动信号进行预处理；

红外激光光源，所述红外激光光源的中心对准所述光声池的中心轴线，所述红外激光光源发出的红外激光光束经过光学斩波器调制后从所述光声池端部的透红外光玻璃射入所述光声池内；以及

计算机，连接所述数字信号处理模块对所述数字信号处理模块输出的与所述硅微悬臂梁自由末端位移成比例的电压信号进行处理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本公开一实施例提供的基于双悬臂梁增强型光声光谱的气体分解组分检测装置的结构示意图。

具体实施方式

如图1，基于双悬臂梁增强型光声光谱的气体分解组分检测装置包括红外激光光源1、光学斩波器2、硅微悬臂梁传声器、计算机22。

所述硅微悬臂梁传声器具有不消耗载气、灵敏度高、选择性好、动态检测范围大等优点。所述硅微悬臂梁传声器包括光声池4，硅微悬臂梁6，13，激光干涉仪(可采用微型迈克尔逊激光干涉仪)11，17以及数字信号处理模块5，19。光声池4为非谐振式光声池，对入射红外激光的调制频率较低，故选择相位抖动较低的内孔对红外激光进行调制。光声池4上具有进气口23、出气口12和两个对称的光声检测通道。光声池4的一端部通过透红外光玻璃3来密封，能使周期性红外光正常透过。待测气体由进气口23进入光声池4，由出气口12排出光声池4。硅微悬臂梁6，13分别设置在所述两个对称的光声检测通道内，所述两个对称的光声检测通道上设有能使激光正常透过的透激光玻璃10，14。激光干涉仪11，17用于透过所述两个对称的光声检测通道上的透激光玻璃10，14测量硅微悬臂梁6，13的振动。数字信号处理模块5，19用于对激光干涉仪11，17测量的硅微悬臂梁6，13振动信号进行预处理。

红外激光光源1为分布反馈式半导体激光器，是基于周期性结构的布拉格反射原理，通过其内部的布拉格光栅进行光的反馈，以实现纵模选择，能够在更宽的工作温度和注入电流范围内抑制模式跳变，实现动态单模。光学斩波器2为机械式光学斩波器，基于微处理器控制，采用直接数字频率合成(directdigitalsynthesis,dds)技术，能够对连续的红外激光实现4-5000hz范围内的精确调制，其主要结构包含斩波盘、转速精密可控的电机、频率控制单元等三个部分。红外激光光源1的中心对准光声池4的中心轴线，红外激光光源1发出的红外激光光束经过光学斩波器2调制后经过光声池4端部的透红外光玻璃3射入光声池4内。

计算机22通过其上的usb接口20，21与数字信号处理模块5，19连接，对数字信号处理模块5，19输出的与悬臂梁6、13自由末端位移成比例的电压信号进行处理。

本公开的基于双悬臂梁增强型光声光谱的气体分解组分检测装置对气体进行定性定量检测的过程如下：

打开进气口23，关闭出气口12，待测气体通过进气口23通入光声池4，再关闭进气口23。

红外激光光源1发出红外激光，经光学斩波器2调制成周期性红外光，周期性红外光透过透红外光玻璃3射入光声池4；光声池4中的待测气体与周期性红外光相互作用产生光声效应，引起两个位置对称的硅微悬臂梁6、13的振动，该振动位移由两个微型迈克尔逊干涉仪11、17进行测量并交由数字信号处理模块5、19进行信号预处理。

微型迈克尔逊激光干涉仪11、17中激光光源7、18发出的激光，经分束器8、16转向，透过透激光玻璃10、14，经硅微悬臂梁6、13反射，再透过透激光玻璃10、14，照射在探测器9、15上。

数字信号处理模块5、19的主要功能是对微型迈克尔逊激光干涉仪11、17中探测器5、19测得的电压数据进行处理，得到与悬臂梁6、13自由末端位移成比例的电压信号，并将之转换为数字信号输出至计算机22。

气室的墙壁和窗口所引起的噪声信号是稳定的，它们的波动来自红外光源强度的不稳定。然而，在低功率红外源中，低频率背景信号的主要噪声来自于所谓的加速度噪声。加速度噪声是由于外部环境的振动耦合光声探测器引起的悬臂梁的运动。另一种噪音水平，如声学、电子和布朗噪声，低于加速度噪声水平。加速度噪声与光声(pa)信号具有相似的频率依赖性，因此共振时的信噪比并不好。此外，共振频率取决于气室内气体的分子质量，导致随着共振频率的改变信号减少。在非共振模式下，响应没有突变。特别是对于电调制光源，低频是合理的，因为光源的调制深度随着频率的增加而减小。在本公开中，利用双硅微悬臂梁来抑制加速度噪声的影响。该抑制是基于光声信号与加速度噪声引起的信号之间的180°相位差。因此，pa效应产生一种压力波，使悬臂梁向相反的方向弯曲，而垂直于悬臂梁平面的加速度分量使悬臂梁向同一方向弯曲。这些信号的相减降低了加速度噪声信号。此外，要求双硅微悬臂梁的两个悬臂是相同的，因为它们之间的差异导致它们的相互振幅和相位误差。但是，足够小的误差可以用信号处理软件进行修正。