一种用于SF6气体检测的分散光谱装置的制作方法

本发明涉及电气设备绝缘气体在线监测与故障诊断技术领域，尤其涉及一种用于sf6气体检测的分散光谱装置。

背景技术：

六氟化硫(sf6)作为一种理想的绝缘和灭弧气体被广泛的用于气体绝缘电力设备中。其通常应用于sf6断路器、六氟化硫封闭式组合电器(gis)、sf6负荷开关设备、sf6绝缘输电管线、sf6变压器及sf6绝缘变电站，80％用于高中压电力设备。纯净的sf6化学性质稳定，其耐电强度为同一压力下氮气的2.5倍，击穿电压是空气的2.5倍，灭弧能力是空气的100倍，是一种优于空气和油之间的新一代超高压绝缘介质材料。但是在高压设备长期运行的过程中，由于镀银不均，脱落或者形成氧化层等制造工艺的问题，导致电力设备发生电弧放电、火花放电或者局部电晕，最终引起电力设备产生局部过热性故障，并使sf6气体发生分解，其分解物会与电力设备中的一些物质发生反应，会腐蚀绝缘材料，加速电力设备老化。因此，对于sf6气体及其分解物的浓度检测是高压设备故障诊断的重要方法之一。

现有技术中，sf6气体及其分解物的检测方法主要有气相色谱法、电化学传感法、气体传感法、离子色谱法和质谱法等，但是这些方法容易受到环境因素的影响，导致这些方法的稳定性差，检测灵敏度低。又由于不同气体之间存在交叉干扰，现有技术的检测方法都必须首先进行油气分离，是造成目前故障特征气体在线监测电力设备误差大、多误判和漏判的主要原因之一。

红外激光光谱技术是一种敏感的选择性技术，可以使用多通道腔增加检测路径的长度进一步改善最小检测极限(mdl)，灵敏度可以达到百万分之一(ppm)甚至十亿分之一(ppb)。但是，光路易漂移导致多通道腔需要精准的光学校准。

中空光纤是一种有效替代多通道腔的方法，其机械上稳定，易于对准并提供较高有效路径的气室，但在气体传感时，纤芯内会发生多模传播和表面散射，严重影响吸收光谱的性能。

因此，如何设计一种将红外激光光谱技术和中空光纤应用于sf6气体浓度的检测装置中，且该检测装置具有稳定性高、检测灵敏度高，不需要进行油气分离，并且不容易受到环境因素的影响，如不必要的光学特征中的光学条纹的影响，也不受系统总光功率波动的影响的优点，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于sf6气体检测的分散光谱装置，以解决现有技术中存在的稳定性差、检测灵敏度低以及检测之前需要进行油气分离的问题。

本发明提供一种用于sf6气体检测的分散光谱装置，所述分散光谱装置包括：

单波长调谐模块，所述单波长调谐模块包括分布式反馈激光二极管、光纤放大器和高速电光调制器，所述分布式反馈激光二极管通过接口连接所述光纤放大器，所述光纤放大器通过接口连接所述高速光调制器；

控制器，所述控制器用于驱动所述分布式反馈激光二极管，并改变所述分布式反馈激光二极管的波长；所述控制器通过usb连接分布式反馈激光二极管，并且能够通过改变温度和电流调整激光波长，从而达到检测不同气体浓度的目的；

频率转换模块，所述频率转换模块包括光纤耦合器和光纤相位匹配机构，所述光纤耦合器通过接口连接光纤相位匹配机构；

气体检测模块，所述气体检测模块包括空心光纤、空心光纤气室、气泵、真空泵、压力表、透镜和中红外探测器，所述气泵通过接口连接所述空心光纤气室，所述压力表通过所述接口连接所述空心光纤气室，所述真空泵通过所述接口连接所述空心光纤气室，所述透镜设置在所述空心光纤的两侧；

射频频谱分析仪，所述射频频谱分析仪用于检测相位信号。

可选的，所述分布式激光二极管包括中心波长为1063.5nm的第一分布式反馈激光二极管和中心波长为1562nm的第二分布式反馈激光二极管。

采用上述技术方案，单波长调谐模块中两个分布式反馈激光二极管分别输出波长为1063.5nm和波长为1562nm的激光，并作为频率转换模块的两个种子源激光，并且为了实现扫频和波长调制，需要分别对两个种子源激光进行叠加三角波和正弦波，通过单波长调谐模块中的光纤放大器提高种子源激光的强度，再通过频率转换模块对两个种子光源做差频、倍频等操作实现频率的转换，再使用示波器加载在分布式激光二极管上的调制频率对激光波长进行调制，并通过高速电光调制器处的频率解调和2*fm分量数字滤波来检索拍频音符频率的变化，而气体检测模块中的空心光纤，能够加强激光与物质的相互作用，最后采用射频频谱分析仪进行解调，并检测相位信号。

可选的，所述第一分布式反馈激光二极管通过接口连接第一光纤放大器，所述第一光纤放大器通过接口连接所述高速电光调制器，所述第一光纤放大器的工作波长范围为1540nm-1580nm，输入光功率范围为-20db-+20db，所述高速电光调制器的带宽为1ghz，波段为1550nm-1570nm，最大光输入功率为20dbm。

上述技术方案中，第一光纤放大器的饱和输出光功率为40db左右，控制模式为自动电流控制(acc)，高速电光调制器用于调制波长为1562nm的激光，产生两个与载波相隔的边带。

可选的，所述第二分布式反馈激光二极管通过接口连接第二光纤放大器，所述第二光纤放大器的工作波长范围为1050nm-1080nm，输入光功率范围为-15db-+15db。

上述技术方案中，第二光纤放大器的饱和输出光功率为30db左右，控制模式为自动电流控制(acc)。

可选的，所述光纤耦合器为单模波分复用器，且工作波长为1063nm和1562nm，带宽为±15nm，插入损耗≤0.3db，极化损耗≤0.2db，用于合并所述单波长调谐模块中的波长。

可选的，所述光纤相位匹配机构中设有长度为40mm的铌酸锂(ppln)波导晶体。

采用上述技术方案，铌酸锂(ppln)波导晶体具有21％/w的转换效率，高速电光调制器产生的两个与载波相隔的边带，经过光纤相位匹配机构处理后，输出中心波长为3.33um的激光，功率在1mw附近，波长为3.33um的激光能够实现与水蒸气吸收线的隔离，避免受到其他吸收线的干扰。

可选的，当所述气泵与所述空心光纤气室连通时，所述空心光纤气室为进气口气室，所述进气口气室的压强范围为800toor-950torr；当所述真空泵与所述空心光纤气室连通时，所述空心光纤气室为排气口气室，所述排气口气室的压强范围为500toor-600toor，气体的扩散速率范围为100ul/min-350ul/min。

可选的，所述空心光纤的长度为1.3m。

可选的，所述透镜的焦距均为75mm。

采用上述技术方案，经光纤相位匹配机构处理输出的中心波长为3.33um的激光经透镜后，再经过空心光纤气室中的sf6气体后，然后经过透镜(fl)聚焦到中红外探测器上，在中红外探测器上检测3.33um激光的相位，由于激光的相位会随着探测气体附近折射率的变化而改变，因此可以基于kramers-kronig关系的啁啾色散光谱技术，通过测量sf6气体吸收率导致的折射率波动来测量sf6气体的浓度。

可选的，所述射频频谱分析仪的带宽设置为12.5khz。

采用上述技术方案，3.33um激光穿过空心光纤会通过透镜耦合到射频频谱分析仪中，从而检测激光相位。

本发明相较于现有技术而言，具有以下有益效果：

(1)本发明的一种用于sf6气体检测的分散光谱装置，结构紧凑，能够在中红外波段高灵敏地检测六氟化硫封闭式组合电器(gis)中的sf6气体。

(2)本发明的一种用于sf6气体检测的分散光谱装置，基于kramers-kronig关系的啁啾色散光谱技术，通过测量sf6气体吸收率导致的折射率波动来测量sf6气体的浓度，采用啁啾色散光谱技术结合波长调制，可以实现免疫激光强度的波动，通过施加频率为fm的正弦信号，然后对正弦信号进行泰勒展开，获取其二次分量，即二次谐波信号，能够消除激光强度带来的波动，提高稳定性，推导得出sf6气体浓度与相位变化成正比，因此呈良好的线性响应，基线很平稳。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种用于sf6气体检测的分散光谱装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的射频频谱分析仪检测到的光谱示意图。

具体实施方式

参见图1，为一种用于sf6气体检测的分散光谱装置的结构示意图。

如图1所示，本发明提供的提供一种用于sf6气体检测的分散光谱装置，所述分散光谱装置包括：

单波长调谐模块，所述单波长调谐模块包括分布式反馈激光二极管、光纤放大器和高速电光调制器，所述分布式反馈激光二极管通过接口连接所述光纤放大器，所述光纤放大器通过接口连接所述高速光调制器；

控制器，所述控制器用于驱动所述分布式反馈激光二极管，并改变所述分布式反馈激光二极管的波长；所述控制器通过usb连接分布式反馈激光二极管，并且能够通过改变温度和电流调整激光波长，从而达到检测不同气体浓度的目的；

频率转换模块，所述频率转换模块包括光纤耦合器和光纤相位匹配机构，所述光纤耦合器通过接口连接光纤相位匹配机构；

气体检测模块，所述气体检测模块包括空心光纤、空心光纤气室、气泵、真空泵、压力表、透镜和中红外探测器，所述气泵通过接口连接所述空心光纤气室，所述压力表通过所述接口连接所述空心光纤气室，所述真空泵通过所述接口连接所述空心光纤气室，所述透镜设置在所述空心光纤的两侧；

射频频谱分析仪，所述射频频谱分析仪用于检测相位信号。

在上述具体实施方式的基础上，进一步地，所述分布式反馈激光二极管包括中心波长为1063.5nm的第一分布式反馈激光二极管和中心波长为1562nm的第二分布式反馈激光二极管。

在上述具体实施方式的基础上，进一步地，所述第一分布式反馈激光二极管通过接口连接第一光纤放大器，所述第一光纤放大器通过接口连接所述高速电光调制器，所述第一光纤放大器的工作波长范围为1540nm-1580nm，输入光功率范围为-20db-+20db，所述高速电光调制器的带宽为1ghz，波段为1550nm-1570nm，最大光输入功率为20dbm。

上述技术方案中，第一光纤放大器的饱和输出光功率为40db左右，控制模式为自动电流控制(acc)，高速电光调制器用于调制波长为1562nm的激光，产生两个与载波相隔的边带。

在上述具体实施方式的基础上，进一步地，所述第二分布式反馈激光二极管通过接口连接第二光纤放大器，所述第二光纤放大器的工作波长范围为1050nm-1080nm，输入光功率范围为-15db-+15db。

上述技术方案中，第二光纤放大器的饱和输出光功率为30db左右，控制模式为自动电流控制(acc)。

在上述具体实施方式的基础上，进一步地，所述光纤耦合器为单模波分复用器，且工作波长为1063nm和1562nm，带宽为±15nm，插入损耗≤0.3db，极化损耗≤0.2db，用于合并所述单波长调谐模块中的波长。

在上述具体实施方式的基础上，进一步地，所述光纤相位匹配机构中设有长度为40mm的铌酸锂(ppln)波导晶体。

在上述具体实施方式的基础上，进一步地，当所述气泵与所述空心光纤气室连通时，所述空心光纤气室为进气口气室，所述进气口气室的压强范围为800toor-950torr；当所述真空泵与所述空心光纤气室连通时，所述空心光纤气室为排气口气室，所述排气口气室的压强范围为500toor-600toor，气体的扩散速率范围为100ul/min-350ul/min。

在上述具体实施方式的基础上，进一步地，所述空心光纤的长度为1.3m。

在上述具体实施方式的基础上，进一步地，所述透镜的焦距均为75mm。

在上述具体实施方式的基础上，进一步地，所述射频频谱分析仪的带宽设置为12.5khz。

实施例

本实施例中采用kagome型空心光纤，型号为cld1015的控制器(图中未示出)驱动分布式反馈激光二极管，型号为fsv7的射频频谱分析仪(图中未示出)进行说明。

kagome型空心光纤具有较宽的两个传输带宽，第一个介于2um-2.4um，第二个介于2.8um-3.5um，纤芯直径为116um，在光纤的两端有定制的气室，便于气体的进出。kagome型空心光纤具有近单模传输、低色散、低损耗、承受功率高、宽波段传输等特点。

如图1所示，首先，单波长调谐模块的第一分布式反馈二极管输出中心波长为1562nm的激光，经由第一光纤放大器(amp1)放大，再经过高速电光调制器(eom)进行调制，第二分布式反馈二极管输出中心波长为1063.5nm的激光，经由第二光纤放大器(amp2)放大；然后，将两束激光作为频率转换模块的种子源，通过频率转换模块中的光纤耦合器(wdm)将两个波长进行合并，并经由具有转换效率为21％/w的光纤相位匹配机构(dfg)中长度为40mm的周期性极化铌酸锂(ppln)波导晶体中获得相干的中红外光束，非线性光学混合过程中产生功率约为1mw，且中心波长为3.33um的中红外光束；再次，使用焦距为75mm的透镜(fl)将中心波长为3.33um的中红外光束耦合到长度为1.3m的kagome型空心光纤中，首先检测无气体通入时，sf6气体的浓度，然后通过气体检测模块的气泵向定制的空心光纤气室中泵入20ppm的sf6气体，此时，空心光纤气室为进气口气室，进气口气室的压强为850toor，当气体检测模块中的真空泵与空心光纤气室连通时，此时空心光纤气室为排气口气室，排气口气室的压强为550toor，静止放置7min后，使用焦距为75mm的透镜(fl)将中心波长为3.33um的中红外光束耦合到气体检测模块中的中红外探测器以及射频频谱分析仪上，其中，中红外探测器用来检测激光强度，射频频谱分析仪用来解调相位，然后将中红外探测器的获取数据时间调至100ms，数据采集率为6.25hz，获取光谱数据；最后，将没有sf6气体通入的光谱数据和有20ppm的sf6气体通入后的光谱数据绘成图2。

需要特别说明的是，本实施例中，除了具体给出的参数之外，在本实施例中所采用到的各个仪器的参数均需要在上文中各个仪器对应的参数范围之内。

本发明基于kramers-kronig关系的啁啾色散(clads)光谱技术，啁啾产生主要是由于介质的折射率由于动态电信号调制的影响产生动态变化，从而引起在介质中传播的光信号的相位也发生相应变化，这种相位的变化，直接体现为光信号频率的动态变化，如图2所示，图的下方为没有sf6气体通入的光谱数据，图的上方为有sf6气体通入的光谱数据，在本实施例中，能够通过光信号频率的变化获得相位的变化，从而反推出sf6气体浓度。

本实施例中，空心光纤气室的进排气过程均采用压力差进行，当气泵充入气体时，空心光纤气室靠近频率转换模块一侧的大气压为1bar，此时的气压维持在850toor，即1.13bar，压强差的产生会催动sf6气体的流动，进而实现空心光纤气室中sf6的填充。当需要排气时，空心光纤气室靠近频率转换模块一侧的压强1bar不变，此时对空心光纤气室采用真空泵进行抽真空，压力维持在600toor，即0.7bar，从而实现sf6气体的排放。

需要特别说明的是，在本实施例中，为了实现最佳的准相位匹配，需要将光纤相位匹配机构的温度稳定在60℃；另外，将本发明的分散光谱装置放置7min，是为了充分保证sf6气体进入空心光纤，是由于光纤的直径只有微米级别，本实施例中光纤长度有1.3m，sf6气体进入会相对较慢，所以需要等待；又由于射频频谱分析仪获取的信号与时间相关，时间越长，信号会越大，但是噪音也越大，因此采取100ms的数据获取时间，而数据采集率是相对于光谱图的采点精度，在本实施例中，通过对光谱连续信号采点，获取离散信号进而恢复连续信号，因此选择6.25hz的数据采集率。

此外，本发明还可以用于检测sf6的分解气体，但是检测气体不同，需要根据不同检测气体的吸收特征谱线，从而通过控制器改变温度和电流，调整分布式反馈激光二极管的波长，其余过程与本实施例一致，本发明中不再赘述，从而完成sf6的分解气体的浓度检测。

本发明提供的实施例只是本发明总的构思下的最优示例，仅为了说明本发明的技术方案，并不构成本发明保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本发明方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本发明的保护范围。