一种基于光纤环形谐振腔的GIS内部SF6分解组分原位检测装置的制作方法

本发明属于电力设备绝缘在线监测与故障诊断领域，涉及gis内部sf6分解组分的检测，具体地涉及一种基于光纤环形谐振腔的gis内部sf6分解组分原位检测装置。

背景技术：

随着超特高压输电战略的发展，sf6气体绝缘组合电器(gis)在电力装备中的占比日益增加，对其在线监测技术提出了更高要求。由于制造、安装、运输和运行时的缺陷，gis内部易产生放电和过热故障，导致sf6气体发生分解并产生so2f2、sof2、cf4、so2、h2s、cos和co2等反映设备内部绝缘缺陷类型、放电水平和绝缘材料老化程度的特征气体组分，降低gis设备的绝缘性能。对sf6分解特征组分进行有效检测是实现gis绝缘故障诊断的关键。目前常用的检测方法，如气体检测管法、色谱法、色谱-质谱法、电化学传感器法、离子移动度计、红外吸收光谱法存在检测精度低、色谱柱易老化、气体选择性低、部分分解气体吸收峰交叉干扰等问题，无法应用于现场gis的在线监测。

拉曼光谱技术利用单波长激光可以实现多种气体组分快速同时检测，选择性好、检测灵敏度高，且不需要样品制备和组分分离。但气体拉曼散射截面积小、拉曼散射强度低，导致基于拉曼光谱法的气体最小检测浓度不能满足gis在线监测的实际需求。提高激光作用功率、激光与气体有效作用路径长度和拉曼散射光子收集效率，可有效提高微量气体拉曼散射强度。因此，研究一种用于提高激光功率、有效作用路径长度和拉曼散射光收集效率的方法及装置，同时能够实现sf6分解特征组分原位检测，对实现gis全寿命周期管理，提高设备利用率、降低设备检修费用、提升设备运维智能化以及保证电网安全生产具有重大实际意义。

技术实现要素：

鉴于此，本发明针对现有技术难以实现gis内部sf6分解组分原位检测的现状，提出一种基于光纤环形谐振腔的gis内部sf6分解组分拉曼光谱原位检测的方法及装置，基于表面钻孔的空芯光子带隙光纤，实现待测气体在gis内部的原位检测，并提高拉曼散射有效收集角度角度，大幅增强拉曼散射信号强度；基于光纤环形谐振腔，提高空芯光子带隙光纤内部激光功率，进一步提高拉曼散射信号强度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种基于光纤环形谐振腔的gis内部sf6分解组分原位检测装置，其特征在于：包括激光单元、入射光光纤耦合单元、光纤环形谐振腔、出射光光纤耦合单元、检测激光与瑞利散射光滤除单元、空间滤波单元、光谱采集单元；激光单元发出激光进入入射光光纤耦合单元，经光纤环形谐振腔进入出射光光纤耦合单元，通过检测激光与瑞利散射光滤除单元以及空间滤波单元，最终进入光谱采集单元；

其中，所述激光单元用于提供检测所需光源；所述入射光光纤耦合单元用于实现激光耦合进入光纤环形谐振腔并提高耦合效率；所述光纤环形谐振腔用于实现gis内部sf6分解组分的原位检测，并提高拉曼散射信号强度，其包含光纤耦合器、空芯光子带隙光纤；所述出射光光纤耦合单元用于准直光纤环形谐振腔输出的拉曼散射信号，提高信号收集率；所述检测激光与瑞利散射光滤除单元用于滤除光纤环形谐振腔出射光中的检测激光与瑞利散射光；所述空间滤波单元用于实现空间滤波，提高拉曼散射信号的信噪比；所述信号采集单元用于拉曼信号的采集与检测。

进一步地，所述激光单元包含固态激光器、激光扩束器、反射镜a、反射镜b。

进一步地，所述激光器输出波长为532nm，功率1.5w，光斑直径1.5mm；所述激光扩束器放大倍率为4倍。

进一步地，所述入射光光纤耦合单元包含物镜a、物镜调整架a、光纤耦合器固定装置a、位移平台a、光电探测器。

进一步地，所述物镜a放大倍率为50倍；物镜调整架a为5轴可调镜架。

进一步地，所述物镜a安装于物镜调整架a中，用于调整物镜a与入射激光的相对位置及相对角度，以提高耦合效率，以提高耦合效率。

进一步地，所述出射光光纤耦合单元包含物镜b、物镜调整架b、光纤耦合器固定装置b、位移平台b。

进一步地，所述物镜b放大倍率为50倍；物镜调整架b为5轴可调镜架。

进一步地，所述物镜b安装于物镜调整架b中，用于调整物镜b与光纤环形谐振腔出射激光的相对位置及相对角度，以提高准直效率。

进一步地，所述检测激光与瑞利散射光滤除单元包含滤镜a、滤镜b。

进一步地，所述滤镜a为对45°入射光截止波长为533nm的高通滤镜；所述滤镜b为对0°入射光截止波长为533nm的高通滤镜。

进一步地，所述空芯光子带隙光纤为以空气孔作为纤芯的光纤，且光纤表面利用飞秒激光器实现纳米级钻孔，孔洞从光纤表面延伸至纤芯。

进一步地，所述空芯光子带隙光纤长度为20cm。

进一步地，所述光纤耦合器包含两条纤芯熔融的多模光纤，形成4个光纤端口。

进一步地，所述光纤耦合器耦合比为99.5％：0.5％。

进一步地，所述空芯光子带隙光纤具有表面孔洞，孔洞从光纤表面延伸至纤芯；孔洞半径≤0.65nm，钻孔方式为在光纤侧面进行镜像钻孔，钻一排纳米级孔洞后在对应的一侧进行同等方式钻孔，其钻孔间距为0.01mm，每一排钻孔个数为60-80个；检测时，将空芯光子带隙光纤置于gis内部，sf6分解的气体分子可以沿光纤表面孔洞进入其空气纤芯，并将空芯光子带隙光纤纤芯作为拉曼检测的气室。

进一步地，所述空间滤波单元包含透镜a、透镜b及针孔。

进一步地，所述透镜a焦距为25.4mm；所述透镜b焦距为3.1mm；所述针孔直径为50μm。

进一步地，所述信号采集单元用于拉曼信号的采集与检测，包含透镜c、透镜位移装置、光谱仪与ccd；光谱仪与ccd用于拉曼散射信号的采集与检测。

进一步地，所述透镜c焦距为50.8mm，并安装在3轴可调的透镜位移装置上。

进一步地，所述透镜a、透镜b、透镜c均为平凸透镜。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明能实现gis内部sf6分解组分的原位检测，并通过光纤环形谐振腔增强拉曼散射收集角度与激光功率，提高拉曼光谱散射信号的强度。本发明能较好的应用于gis内部sf6分解组分测领域。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为基于光纤环形谐振腔的gis内部sf6分解组分原位检测装置示意图；

图2光纤环形谐振腔示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1所示为基于光纤环形谐振腔的gis内部sf6分解组分拉曼光谱原位检测装置示意图，包括激光单元、入射光光纤耦合单元、光纤环形谐振腔、出射光光纤耦合单元、检测激光与瑞利散射光滤除单元、空间滤波单元、光谱采集单元。

所述激光单元用于提供检测所需光源，包括激光器、激光扩束器反射镜a、反射镜b。所述激光器为固态激光器，功率为1.5w，发出发出波长为532nm，光斑直径为1.5mm的激光，经4倍放大倍率的激光扩束器后扩大为6mm。所述反射镜a、反射镜b对波长为532nm的激光反射率大于99％，用于调整激光器发出激光的位置及角度。激光单元发出的激光将进入入射光光纤耦合单元。

所述入射光光纤耦合单元用于实现激光耦合进入光纤环形谐振腔并提高耦合效率，包含物镜a、物镜调整架a、光纤耦合器固定装置a、位移平台a、光电探测器。所述物镜a放大倍率为50倍，安装于物镜调整架a中，其中物镜调整架a为5轴可调镜架，用于调整物镜a与入射激光的相对位置及相对角度，以提高耦合效率；所述光纤耦合器固定装置a为特殊设计用于夹持光纤耦合器中多模光纤入射端口的装置，并放置在位移平台a上方，其中位移平台a为3轴可调位移器，调节精度为500nm，用于调节光纤耦合器中多模光纤入射端口与物镜a出射激光的相对位置，以提高耦合效率；光电探测器用于检测光纤环形谐振腔出射激光的功率，用于反映耦合效率。开始检测时，需精确调节物镜调整架a与位移平台a，使耦合效率最大化，之后将物镜调整架a与位移平台a锁死，防止外界振动等因素对耦合效率的影响。通过激光单元发出的激光经过入射光光纤耦合单元便可高效进入光纤环形谐振腔。

所述光纤环形谐振腔用于实现gis内部sf6分解组分的原位拉曼检测，并提高拉曼散射信号强度。图2为所述光纤环形谐振腔示意图，包含光纤耦合器、空芯光子带隙光纤。所述光纤耦合器包含两条纤芯熔融的多模光纤,两条纤芯熔融区域为纤芯半径，长度6mm,共计4个光纤端口：多模光纤入射端口即①端口、多模光纤出射端口即②端口、耦合多模光纤a端口即③端口、耦合多模光纤b端口即④端口，且③端口与④端口分别熔接于一条空芯光子带隙光纤的两端。所述光纤耦合器耦合比为99.5％：0.5％，即①端口的激光99.5％通往②端口、0.5％通往④端口；③端口的激光99.5％通往④端口、0.5％通往②端口。激光单元发出的激光经过入射光光纤耦合单元进入光纤环形谐振腔的①端口，之后一部分进入④端口，并在③、与④端口与空芯光子带隙光纤之间循环传输并形成谐振，大幅增加空芯光子带隙光纤内部激光功率，增强拉曼散射信号强度。所述空芯光子带隙光纤为以空气孔作为纤芯的光纤，长度20cm，且光纤表面利用飞秒激光器实现纳米级钻孔，孔洞从光纤表面延伸至纤芯。孔洞半径≤0.65nm，钻孔方式为在光纤侧面进行镜像钻孔，钻一排纳米级孔洞后在对应的一侧进行同等方式钻孔，其钻孔间距为0.01mm，每一排钻孔个数为60-80个。检测时，将所述光纤环形谐振腔中的空芯光子带隙光纤部分置于gis内部，gis内部气体分子可以沿空芯光子带隙光纤表面孔洞进入其空气纤芯，并将空芯光子带隙光纤纤芯作为拉曼检测的气室。本装置在光纤内部产生拉曼效应，且散射光由光纤传导，其对拉曼散射光的有效收集角度远大于传统收集方式，可大幅增加收集到的拉曼信号。拉曼散射光由②端口输出至出射光光纤耦合单元。

所述出射光光纤耦合单元用于准直光纤环形谐振腔输出的拉曼散射信号，提高信号收集率。包含物镜b、物镜调整架b、光纤耦合器固定装置b、位移平台b。所述物镜b放大倍率为50倍，安装于物镜调整架b中，其中物镜调整架b为5轴可调镜架，用于调整物镜b与光纤环形谐振腔出射激光的相对位置及相对角度，以提高准直效率；所述光纤耦合器固定装置b为特殊设计用于夹持光纤耦合器中多模光纤出射端口的装置，并放置在位移平台b上方，其中位移平台a为3轴可调位移器，调节精度为500nm，用于调节光纤耦合器中多模光纤出射端口与物镜b的相对位置，以提高准直效率；检测时，需精确调节物镜调整架b与位移平台b，使准直效率最大化，之后将物镜调整架b与位移平台b锁死，防止外界振动等因素对准直效率的影响。

所述检测激光与瑞利散射光滤除单元用于滤除光纤环形谐振腔出射光中的检测激光与瑞利散射光，包含滤镜a、滤镜b。所述滤镜a为对45°入射光截止波长为533nm的高通滤镜，波长大于533nm的拉曼散射光可实现高效透射，波长小于533nm的激光与瑞利散射光可实现高效反射。所述滤镜b为对0°入射光截止波长为533nm的高通滤镜，波长大于533nm的拉曼散射光可实现高效透射，波长小于533nm的激光与瑞利散射光可实现高效反射。通过两块滤镜可高效滤除光纤环形谐振腔中的检测激光与瑞利散射光，提高拉曼散射光的检测效率。其中滤镜a还可将光纤环形谐振腔出射的检测激光反射至光电探测器，用于探测入射光光纤耦合单元的耦合效率。光纤环形谐振腔输出信号经过滤除检测激光与瑞利散射光后，剩余的拉曼散射光传输至空间滤波单元。

所述空间滤波单元用于实现空间滤波，提高拉曼散射信号的信噪比，包含两块透镜及针孔，两块透镜分别为透镜a、透镜b。其中透镜a焦距为25.4mm，用于光束聚焦并穿过针孔；透镜b焦距为3.1mm，用于光束准直；针孔直径为50μm，安装于2轴可调平移调整架中。开始检测时，需通过3轴可调镜架精确调节针孔位置，使通过透镜a聚焦后的拉曼散射光高效穿过针孔。空间滤波之后拉曼散射信号传输至信号采集单元。

所述信号采集单元用于拉曼信号的采集与检测，包含透镜c、透镜位移装置、光谱仪与ccd。其中透镜c焦距为50.8mm，安装在3轴可调的透镜位移装置上。透镜位移装置用于精确调节经透镜c聚焦后的拉曼散射光与光谱仪狭缝之间的相对位置，使拉曼散射光高效进入光谱仪，并传输至ccd进行光谱检测。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。