一种基于CO₂激光器的自校准测量SF₆浓度的装置及方法

一种基于CO₂激光器的自校准测量SF₆浓度的装置及方法
【专利摘要】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。
【专利说明】
一种基于C02激光器的自校准测量SF6浓度的装置及方法
技术领域
[0001] 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⑶2激光器的自校准 测量SF6浓度的装置及方法。
【背景技术】
[0002] 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sf 6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。
[0003] 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SF 6浓度的实时监测中具有良好的应用前景。
[0004] 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】

[0005] 针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于C02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SF 6标准气的消耗，降低 使用成本。
[0006] 本发明提供了一种基于C02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C0 2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0)2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co 2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。
[0007] 更进一步地，工作时，所述波长可调谐的⑶2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C0 2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。
[0008] 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。
[0009]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C02激光器的光束较 粗，故选择内径为6mm。
[00?0] 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。
[0011] 更进一步地，窗镜可以为圆柱状，其直径为25.4_、厚度为3_。
[0012]更进一步地，窗镜的材料可以为ZnSe材质。ZnSe材质对C〇2激光的吸收较弱，可以 降低因窗镜吸收带来的同频噪声。
[0013] 更进一步地，波长可调谐的⑶2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。
[0014]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。
[0015] 本发明还提供了一种基于上述的装置的激光器的自校准测量SF6浓度的方法， 包括下述步骤：
[0016] (1)波长可调谐的C02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S PA1，再传输给数据处理模块；
[0017] (2)波长可调谐的⑶2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；
[0018] 其中，T为温度、Pg*气压、C1QQ为光声腔常数、Pi为光功率、F为麦克风灵敏度、g(v- v〇)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。
[0019] 本实发明的运用波长可调谐C02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SF 6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】
[0020] 图1是本发明提供的基于C02激光器的自校准测量SF6浓度的装置的结构示意图。
[0021] 图2是本发明提供的基于C02激光器的自校准测量SF6浓度的装置中光声腔的装配 图。
[0022] 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C0 2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】
[0023] 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。
[0024] 本发明涉及SF6气体浓度检测领域，具体是运用波长可调谐C02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SF 6浓度，实现了 SF6浓度的 自校准测量。
[0025] 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C02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SF 6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。
[0026] 为实现上述发明目的，本发提出了一种运基于C02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C0 2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C02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SF 6浓度的自校准测 量。
[0027] 具体步骤为:波长可调谐的⑶2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C0 2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。
[0028] 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。
[0029] 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C0 2激光器9的光束 较粗，故选择内径为6mm。
[0030]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。
[0031] 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。
[0032] 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C0 2激光的吸收较弱，可以降低因窗镜7吸收带来的同频噪 声。
[0033] 在本发明实施例中，波长可调谐的C〇2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P丽波调制，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。
[0034] 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。
[0035] 自校准测量SF6浓度的方法:波长可调谐的C02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S PA1，再传输给数据处理 模块12。波长可调谐的C02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*气压、C1QQ为光声腔常数、Pi为光功率、F 为麦克风灵敏度、g(v-v〇)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Ciqq为光声腔的固有常数，光功 率Pi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(v-v〇)可在HITRAN数据库数据的基础上计算得到。
[0036] 本实发明的运用波长可调谐C02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SF 6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。
[0037] 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。
[0038] 本实施例中，如图1所示波长可调谐C02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C02激光器9的输 出光功率，使得波长可调谐C0 2激光器9输出占空比为50%、波长为10.571um的激光。
[0039]调节偏振衰减片8的衰减比例至30%，C02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。
[0040] 调节波长可调谐⑶2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C0 2激光器9输出占空比为50%、波长为10.61 lum的激光。调节衰减片8使光功率 与波长为10.57lum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
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。
[0041] 图2示出了本发明提供的基于C02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8_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0型密 封圈实现密封。
[0042]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。
【主权项】
1. 一种基于C〇2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C〇2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C〇2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C〇2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C〇2激光器(9) W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C〇2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Sro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)为空屯、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)为空屯、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)的材料为化Se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C〇2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9.174皿~10.835皿内可调，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. -种基于权利要求1所述的装置的C〇2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C〇2激光器W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SPAi，再传输给数据处理模块； (2) 波长可调谐的C〇2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为溫度、Pg为气压、ClGG为光声腔常数、Pi为光功率、F为麦克风灵敏度、g(V-V〇)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。
【文档编号】G01N21/17GK106092899SQ201610370096
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】陈宝锭, 王新兵
【申请人】华中科技大学