专利名称：基于二级调制及数据缝合技术的微水含量光纤激光检测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种检测设备，具体涉及一种用于检测高压电力设备的SF6气体中微水含量的检测仪。
背景技术：
SF6气体因其优异的绝缘和灭弧性能得到了人们的认可，被广泛应用于气体绝缘开关(GIQ和超高压输变电设备中作为绝缘、灭弧介质。然而，SF6电器设备在长期运行时， 不可避免地会发生电器设备内SF6气体向外泄漏而导致电器设备内SF6气体密度下降，微水含量增加。当SF6气体中的水含量达到一定程度时，在电弧或电晕作用下，SF6气体分解物会经水解反应产生毒性气体，对设备产生化学腐蚀，继而严重影响设备的正常运行。气体中的水分一般以气态的水蒸气形式存在，当温度降低时，将凝结成液态的露水附着在零件表面，可能造成沿面绝缘闪络而引起事故。因此，对SF6气体中的微水含量实行实时监测，以实现水分的合理控制，对保证设备的安全稳定运行具有重要的作用。虽然近几年检测技术的发展，变压器的SF6气体微水含量的检测仪器也越来越多，但是其中大部分是基于露点的电子类传感器，国外也有通过光学来实现微水含量检测的报道，主要还是通过红外波段的检测技术来实现。电子类产品在电力设备检测，特别是在 SF6绝缘气休微水检测方面容易受到电磁干扰，也容易破坏原有设备电磁场状态，降低设备的绝缘性能和安全性，光学红外传感器易受温度场影响，产生丰检测误差。激光扫描原理的气体检测技术，由于在高压下气体吸收宽度展宽，以至于单纯的电流扫描很难覆盖气体吸收峰，因此仅限于常压或者低气压下的检测。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于二级调制及数据缝合技术的微水含量光纤激光检测仪，本装置不易受温度等红外辐射影响，不受电磁干扰，绝缘性能和安全性更好，检测更加准确。本实用新型的目的是通过以下方案来实现的一种基于二级调制及数据缝合技术的微水含量光纤激光检测仪，包括依次连接的单片机、接收所述单片机的控制发出激光的激光器、将所述激光器的激光分成两路的第一光纤耦合器和接收所述第一光纤耦合器的一路激光的探头，所述第一光纤耦合器连接有接收所述第一光纤耦合器的另一路激光并将该另一路激光分成两路的的第二光纤耦合器，所述第二光纤耦合器连接有接收所述第二光纤耦合器的一路激光并将该一路激光转换为电信号的第一光电探测器，所述第一光电探测器的电信号输出端与所述单片机连接，所述第二光纤耦合器还通过参考气室连接有接收所述第二光纤耦合器的另一路激光并将该另一路激光转换为电信号的第三光电探测器，所述第三光电探测器的电信号输出端与所述单片机连接；所述探头包括用于将激光从光纤内耦合到气体中再使激光返回光纤的光纤准直器组，所述第一光纤耦合器的回路激光信号输出端还连接有用于将所述第一光纤耦合器的回路激光信号转换为电信号的第二光电探测器，所述第二光电探测器的电信号输出端与所述单片机连接，所述单片机还连接有温度压力传感器。所述光纤准直器组包括不锈钢管、光纤准直器和反射镜，所述不锈钢管的中部具有空腔，所述不锈钢管的侧壁设置有与所述空腔贯通的透气孔，所述光纤准直器、所述反射镜分别设置于所述空腔的两个端部，所述光纤准直器正对与所述反射镜。所述单片机还联接有用于显示微水含量值的显示面板。所述单片机还联接有用于输出微水含量值的信号输出端口。所述探头还包括传感器底座和与用于与SF6气箱连接的紧固块，所述光纤准直器组固定设置于所述传感器底座，所述紧固块固定连接于所述传感器底座的旁侧，所述紧固块的中部具有光纤出纤孔，所述光纤准直器组具有光纤，所述光纤从所述光纤出纤孔伸出。所述光纤与所述光纤出纤孔之间通过密封粘结胶密封配合。所述紧固块对应于所述光纤的伸出部设置有光纤保护管，所述光纤的伸出部位于所述光纤保护管内。所述紧固块为圆柱体，所述紧固块的外圆周表面设置有外螺纹，所述紧固块的外圆周表面对应于所述外螺纹还设置有紧固螺母。本实用新型的优点在于本实用新型采用近红外光谱吸收技术，利用激光器对微水吸收线进行扫描检测，利用光纤进行光能量和信号传输实现远程在线检测，通过气体压力和温度的补偿来校正检测误差，本实用新型无需供电，不受电磁干扰，不影响绝缘气体电场分布和绝缘特性，更加可靠耐久。由于电力SF6绝缘气微水含量检测的环境是高压 (0. 3Mpa-0. 5MPa)，因此，气体吸收峰将被大大展宽，本实用新型通过温度和电流二级调制， 外加数据缝合技术，将大大增加吸收峰扫描范围和准确度，从而更加精确地检测微水含量。
图1为本实用新型的基于二级调制及数据缝合技术的微水含量光纤激光检测仪的整体结构示意图；图2为两种温度下一扫描周期内激光器输出中心波长变化曲线图；图3为三路探测器获得信号曲线图；图4为不同微水含量下输出的扫描信号图；图5为不同温度下水分吸收光谱对比图；图6为探头除去光纤准直器组的结构示意图；图7为图5的侧面视图；图8为光纤准直器组与传感器底座配合方式的结构示意图；图9为图7的侧面视图；图10为光纤准直器组的结构示意图。在图中1-探头；2-温度压力传感器；3-第一光纤耦合器；4-激光器；5-第二光电探测器；6-第一光电探测器；7-单片机；8-显示面板；9-SF6绝缘气密封箱；10-信号输出端口 ； 11-第二光纤耦合器；12-参考气室；13-第三光电探测器；14-反射镜；15-不锈钢管；16-透气孔；17-光纤准直器；18-光纤；19-光纤准直器组；20-传感器底座；21-紧固块；22-紧固螺母；23-光纤出纤孔；24-光纤保护管。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步说明。如图1所示，一种基于二级调制及数据缝合技术的微水含量光纤激光检测仪，括依次连接的单片机7、接收单片机7的控制发出激光的激光器4、将激光器4的激光分成两路的第一光纤耦合器3和接收第一光纤耦合器3的一路激光的探头1，第一光纤耦合器3连接有接收第一光纤耦合器3的另一路激光并将该另一路激光分成两路的的第二光纤耦合器11，第二光纤耦合器11连接有接收第二光纤耦合器11的一路激光并将该一路激光转换为电信号的第一光电探测器6，第一光电探测器6的电信号输出端与单片机7连接，第二光纤耦合器11还通过参考气室12连接有接收第二光纤耦合器11的另一路激光并将该另一路激光转换为电信号的第三光电探测器13，第三光电探测器13的电信号输出端与单片机 7连接；探头1包括用于将激光从光纤内耦合到气体中再使激光返回光纤的光纤准直器组 19，第一光纤耦合器3的回路激光信号输出端还连接有用于将第一光纤耦合器3的回路激光信号转换为电信号的第二光电探测器5，第二光电探测器5的电信号输出端与单片机7连接，单片机7还连接有温度压力传感器2。工作时，将探头1与温度压力传感器2设置于SF6绝缘气密封箱9，探头1、温度压力传感器2均与SF6绝缘气密封箱9密封配合。单片机7控制激光器4发出的激光通过第一光纤耦合器3分成两路，一路激光进入探头1，另一路激光由第二光纤耦合器11再次分为两路，第二光纤耦合器11输出地第一路激光通过第一光电探测器6进入到单片机7作为归一化信号，该归一化信号用于归一化激光器扫描时功率的变化，第二光纤耦合器11输出地第二路激光依次通过参考气室12、第三光电探测器13进入到单片机7作为数据缝合的参考光信号，该参考光信号用于数据缝合时的连接点精确定位，激光经过探头1的作用被SF6 气体充分吸收后依次通过第一光纤耦合器3、第二光电探测器5进入到单片机7作为测试信号，设置于SF6绝缘气密封箱9的温度压力传感器2将补偿信号传到单片机7，单片机7对归一化信号、参考信号、测试信号进行计算分析，再根据补偿信号补偿后得出微水含量值。单片机7控制激光器4产生窄线宽激光，窄线宽激光的中心波长围绕水分吸收中心来扫描，如图2所示，单片机7首先控制激光器4在第一温度条件下扫描气体吸收峰，然后调节激光器4在第二温度条件下再次扫描气体吸收峰，两次扫描所经过的波长区域不同，刚好可以覆盖水汽吸收峰两侧的大片区域，图2中为一个扫描周期内激光的中心波长与气体吸收线的关系图，图中浅色区域表示水分在不同波长下的吸收强度，可以明显看出在1364. 7nm附近吸收较强，图中深色曲线是系统输出激光的中心波长，横坐标为时间，即在一个扫描周期下激光的中心波长变化情况，图中给出了单片机控制两种温度下的扫描区域，可以看出，第一温度条件下的扫描区域在1564. 85nm-1564. 68nm，第二温度条件下的扫描范围在1564. 72nm-1564. 55nm,因此，扫描范围可以看做是1564. 55nm_1564. 85nm的大范围扫描。第一光电探测器6、第二光电探测器5、第三光电探测器13分别进行光电信号转换，将光信号转换为电信号，在一个周期下三路信号分别如图3所示，图中分别给出了单片机7控制激光器4在两种温度下的扫描曲线图，第三光电探测器13、第二光电探测器5所输出的信号均通过与第一光电探测器6输出信号相除的办法进行归一化处理，第三光电探测器13输出的两种温度下的信号中均包含了参考气室水汽吸收峰中心位置，由于参考气室内气体为常压，因此谱线较窄(图3第三光电探测器13信号所示)，很容易找到吸收峰的准确位置，两组数据连接在一起，使得吸收峰位置对准。由于第二光电探测器5接收的信号与第三光电探测器13信号同步，因此通过第三光电探测器13信号的两组数据对接能够实现第二光电探测器5数据精确缝合对接，从而令两个范围的扫描精确对接，进而精确地扩大了扫描区域，这也是本检测方法中实现气体检测的最为重要的数据，其中包含了待测SF6 气体中水分含量信息。图3第二光电探测器5与第三光电探测器13所产生的气体吸收波形不同正是由于气体压强不同造成的，单纯一次电流扫描无法获取准确全面的气体吸收信息，本实用新型专利通过二级调制外加数据缝合达到了扩大扫描范围，获取高压下气体吸收信息的功能。图4给出了在不同微水浓度下的一个对比图，图中可以明显看出，不同的微水含量下，其信号吸收强度是不同的，据此便可以完成微水含量的检测。归一化处理以后的信号，消除了锯齿波形，使得其产生的信号顶部为一直线，如图4所示，不含水分的气体产生一条直线，含有水分的信号则在吸收峰附近产生一吸收凹陷，水分含量越大凹陷越深。根据对气体分子光谱分析可知水分子气体在中红外和近红外波段有特征振动-转动光谱带以及泛频振动-转动光谱带，而且一个振动谱又分裂成多个转动结构谱线， 即振动谱带内含有多条精细谱线。由于光谱的自然展宽、碰撞展宽和多普勒展宽等影响，对于每一条精细谱线并不只有一个确定的频率，而是以某一频率为中心，按一定方式在一定的频率范围内连续分布。因此实际的分子光谱线都是有一定宽度的光谱轮廓，而不是一条没有宽度和形状的线。当光经过气体并且与待测气体中水分子的吸收谱线有重合时，部分光能量将被待测气体吸收，输出光强将减弱，满足比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律。根据比尔-朗伯定律，输出光强与待测气体浓度的关系为I (t) = I0(t)exp[-a ( λ ) LC]其中，I (T)是输出光光强，^是输入光光强，a是吸收系数(与波长有关)，L是光与气体作用的长度(即光在气体中传输的距离)，C是气体浓度。当气体的吸收系数、光程确定
广ι, /(O
后，光强的衰减就只与气体浓度相关。可以得到气体的浓度表达式为c=-一ττζτ1ητ~
a(A)L Z0 (0
根据这个公式便可以推算出微水的含量大小，即微水浓度。但是在使用该原理开发产品时发现，水分的吸收特征谱线是受到温度和气压的影响的。如图5所示，当温度不同时，其吸收系数也不同，113摄氏度下的吸收强度仅为13摄氏度下的75. 9%，因此在不同的温度条什下测试结果将出现巨大偏差；气体压强也对检测产生非常大的影响，气压增高时，吸收谱线变为模糊，这是由丁气体原子间距离减小，彼此间相互作用增强，影响了固有频率的缘故，气体压强足够高时，变成有一定宽度的吸收带， 液体和固体的吸收区域相当宽，也是由于这个原因。当1个大气压时吸收谱线宽半高宽度可以如同图4所示的几十pm范围，但是当气压增加到两个大气压甚至更高时，吸收谱线宽度反而会展宽到上百Pm，这也直接对测量产生了巨大影响。目前大部分基于光谱吸收的气体传感器都是基于比尔定律的，该定律仅在物质分子的吸收本领域不受其四周邻近分子的影响时才正确，在浓度很大(压强大)时，分子间的相互影响不能忽略，此时比尔定律便不成立，因此，本实用新型引进了压力补偿和温度补偿，从而保证检测的准确性。虽然在实际的变压器SF6气体检测时，绝缘气箱体是密封的，而且要保持一定的压强，但是微水检测本身是为检测箱休的泄露而使用，箱体漏气会产生压力变化，并且箱体温度是不恒定的。考虑到以上影响因素，本实用新型特别将温度和压力引进到系统中进行补偿，从而从根本上消除了气体吸收原理和光谱分析技术中忽略的问题，弥补工作环境对微水检测的影响。如图10所示，在本实用新型中，光纤准直器组19包括不锈钢管15、光纤准直器17 和反射镜14，不锈钢管15的中部具有空腔，不锈钢管15的侧壁设置有与空腔贯通的透气孔16，光纤准直器17、反射镜14分别设置于空腔的两个端部，光纤准直器17正对与反射镜 14。激光通过光纤18进入到光纤准直器17输出空间激光束，经过一段空间后被反射镜14 原路反射，最后由光纤18输出。外界气体通过透气孔16与钢管内保持气体流通，保持内外水汽含量相等。激光器4采用带有光纤尾纤封装的DFB半导体激光器。单片机7还连接有显示面板8以及输出信号输出端口 10。数据缝合以及微水含量信息的计算分析和提取均在单片机中完成，获取吸收信息后，由单片机根据以上理论以及温度和压力的补偿来反推出微水含量信息，通过显示面板8显示，通过数据传输端口 10向外输出结果，从而实现了微水含量的测量。如图6-图9所示，探头1还包括传感器底座20和与用于与SF6气箱连接的紧固块21，所述光纤准直器组19固定设置于所述传感器底座20，所述紧固块21固定连接于所述传感器底座20的旁侧，所述紧固块21的中部具有光纤出纤孔23，所述光纤准直器组19 具有光纤18，所述光纤18从所述光纤出纤孔23伸出。其中，光纤18与光纤出纤孔23之间通过密封粘结胶密封配合，使光纤18与光纤出纤孔23之间具有良好的气密性。为了使光纤18的伸出部不被折断，紧固块21对应于光纤18的伸出部设置有光纤保护管M，光纤18的伸出部位于光纤保护管M内。如图8所示，传感器底座20设置有半圆形凹槽，光纤准直器组19设置于半圆形凹槽内，光纤准直器组19与半圆形凹槽胶接。紧固块21为圆柱体，紧固块21的外圆周表面设置有外螺纹，紧固块21的外圆周表面对应于外螺纹还设置有紧固螺母22，通过紧固块21、紧固螺母22与SF6绝缘气密封箱 9的配合使探头1固定设置于SF6绝缘气密封箱9，且探头1与SF6绝缘气密封箱9之间密封配合。本实用新型中所使用的光纤18、光纤耦合器、DFB半导体激光器、光电探测器、光纤准直器17等均为常用光通讯器件，单片机7、显示面板8为常用电子器件，信号输出端口 10根据现场控制需求而设计，可以是RS485接口、RS232接口、USB等。最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本实用新型的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。
权利要求1.一种基于二级调制及数据缝合技术的微水含量光纤激光检测仪，其特征在于所述基于二级调制及数据缝合技术的微水含量光纤激光检测仪包括依次连接的单片机(7)、接收所述单片机(7)的控制发出激光的激光器G)、将所述激光器的激光分成两路的第一光纤耦合器C3)和接收所述第一光纤耦合器(3)的一路激光的探头(1)，所述第一光纤耦合器C3)连接有接收所述第一光纤耦合器(3)的另一路激光并将该另一路激光分成两路的的第二光纤耦合器(11)，所述第二光纤耦合器(11)连接有接收所述第二光纤耦合器(11)的一路激光并将该一路激光转换为电信号的第一光电探测器(6)，所述第一光电探测器(6)的电信号输出端与所述单片机(7)连接，所述第二光纤耦合器(11)还通过参考气室(12)连接有接收所述第二光纤耦合器(11)的另一路激光并将该另一路激光转换为电信号的第三光电探测器(13)，所述第三光电探测器(1 的电信号输出端与所述单片机(7)连接；所述探头(1)包括用于将激光从光纤内耦合到气体中再使激光返回光纤的光纤准直器组(19)，所述第一光纤耦合器(3)的回路激光信号输出端还连接有用于将所述第一光纤耦合器C3)的回路激光信号转换为电信号的第二光电探测器(5)，所述第二光电探测器(5)的电信号输出端与所述单片机(7)连接，所述单片机(7)还连接有温度压力传感器O)。
2.按照权利要求1所述的基于二级调制及数据缝合技术的微水含量光纤激光检测仪， 其特征在于所述光纤准直器组(19)包括不锈钢管(1 、光纤准直器(17)和反射镜(14)， 所述不锈钢管(15)的中部具有空腔，所述不锈钢管(15)的侧壁设置有与所述空腔贯通的透气孔(16)，所述光纤准直器(17)、所述反射镜(14)分别设置于所述空腔的两个端部，所述光纤准直器(17)正对与所述反射镜(14)。
3.按照权利要求1所述的基于二级调制及数据缝合技术的微水含量光纤激光检测仪， 其特征在于所述单片机(7)还联接有用于显示微水含量值的显示面板(8)。
4.按照权利要求1所述的基于二级调制及数据缝合技术的微水含量光纤激光检测仪， 其特征在于所述单片机(7)还联接有用于输出微水含量值的信号输出端口(10)。
5.按照权利要求1至4中任意一项所述的基于二级调制及数据缝合技术的微水含量光纤激光检测仪，其特征在于所述探头(1)还包括传感器底座00)和与用于与SF6气箱连接的紧固块(21)，所述光纤准直器组(19)固定设置于所述传感器底座(20)，所述紧固块固定连接于所述传感器底座OO)的旁侧，所述紧固块的中部具有光纤出纤孔 (23)，所述光纤准直器组(19)具有光纤(18)，所述光纤(18)从所述光纤出纤孔伸出。
6.按照权利要求5所述的基于二级调制及数据缝合技术的微水含量光纤激光检测仪， 其特征在于所述光纤(18)与所述光纤出纤孔之间通过密封粘结胶密封配合。
7.按照权利要求5所述的基于二级调制及数据缝合技术的微水含量光纤激光检测仪， 其特征在于所述紧固块对应于所述光纤(18)的伸出部设置有光纤保护管(M)，所述光纤(18)的伸出部位于所述光纤保护管04)内。
8.按照权利要求5所述的基于二级调制及数据缝合技术的微水含量光纤激光检测仪， 其特征在于所述紧固块为圆柱体，所述紧固块的外圆周表面设置有外螺纹，所述紧固块的外圆周表面对应于所述外螺纹还设置有紧固螺母02)。
专利摘要本实用新型涉及一种基于二级调制及数据缝合技术的微水含量光纤激光检测仪，包括依次连接的单片机、激光器、第一光纤耦合器和探头，第一光纤耦合器的第一激光输出端连接探头，第一光纤耦合器的第二激光输出端连接第二光纤耦合器，第二光纤耦合器的第一激光输出端依次与第一光电探测器、单片机连接，第二光纤耦合器的第二激光输出端依次与参考气室、第三光电探测器、单片机连接；探头包括用于将激光从光纤内耦合到气体中再使激光返回光纤的光纤准直器组，第一光纤耦合器的回路激光信号输出端依次与第二光电探测器、单片机，单片机还连接有温度压力传感器。本实用新型不易受温度等红外辐射影响，不受电磁干扰，绝缘性能和安全性更好，检测更加准确。
文档编号G01N21/35GK202101932SQ20112020179
公开日2012年1月4日 申请日期2011年6月15日 优先权日2011年6月15日
发明者冷玉秋, 周国庆, 李大鹏, 李磊 申请人:朗松珂利(上海)仪器仪表有限公司