单光纤激光诱导击穿光谱的真空度在线检测系统及方法

1.本发明属于激光检测领域，特别是一种基于单光纤激光诱导击穿光谱的真空度在线检测系统及方法。


背景技术：

2.相比于空气开关、油开关等，真空开关具有故障率低、结构紧凑、开断能力强、维修简单等优点，并广泛地应用于电力系统、煤矿开采、石油化工等各个领域。它的原理是将用于电流开断的动静触头密封于真空环境中，利用真空的绝缘性能和灭弧性能来实现电路开断的目的。实际中，随着使用年限的增加，由于真空开关机械部件老化以及绝缘劣化等因素，其内部真空度会逐渐降低。为了器件的使用安全，对于真空度的检测不容小觑。目前较为成熟的技术包含：屏蔽罩颜色判定法、弧光观察法、火花计法、吸气剂薄膜法、电弧电压/电流法、工频耐压法、磁控放电法、发射电流衰减法和x射线法等，但他们均为离线检测技术，需要设备退出运行状态。鉴于目前对真空灭弧室的真空度缺乏有效的在线检测手段。
3.libs系统不受任何限制，直接将激光束聚焦在样品上。随着光纤技术的发展，通过传输光纤将激光束灵活地传输到目标上，可以实现远距离传输激光脉冲和发射信号。该方法有机会打破实验室研究的局限，适应复杂的设备布局和恶劣的环境，为更高效精准分析精密仪器、远程在线检测开关设备真空度提供了一种有效的解决方案。但现有的光纤libs系统传输激光功率小，传输效率低，光谱信噪比低，导致测量精度不准确。
4.在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在问题，本发明提出一种基于单光纤激光诱导击穿光谱的真空度在线检测系统及方法，能够改善激光聚焦程度、提高激光脉冲稳定性、减少噪声干扰等缺点。
6.本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于单光纤激光诱导击穿光谱的真空度在线检测系统包括；
7.激光器，其生成激发激光通过光纤诱导击穿光谱的激光；
8.光纤耦合器，其耦合注入所述激光；
9.单光纤，其连接所述光纤耦合器以传输所述激光；
10.libs探头，其一端连接所述单光纤，另一端探入真空灭弧室，所述激光经由光纤传导，所述libs探头诱导生成等离子体且所述等离子体自发射成像经由所述libs探头进入所述光纤耦合器；
11.二色镜，其设于所述光纤耦合器以分离所述激光和所述等离子体；
12.消色差仪，其连接所述光纤耦合器；
13.收集光纤，其连接所述消色差仪以收集所述等离子体；
14.光谱仪，其连接所述收集光纤以生成光谱信号；
15.iccd相机，其连接光谱仪以采集等离子体图像；
16.数字延迟脉冲发生器，其连接所述iccd相机以通过设置脉冲之间的延时控制iccd相机；
17.处理器，其连接所述相机和光谱仪，基于所述等离子体图像和光谱信号生成等离子体温度和等离子体密度以得到真空度。
18.基于单光纤激光诱导击穿光谱的真空度在线检测系统中，所述激光器生成的激光能量为24mj，波长设置为1064nm。
19.基于单光纤激光诱导击穿光谱的真空度在线检测系统中，所述单光纤的中心玻璃芯芯径为400μm-600μm，所述单光纤芯层材料采用geo2或sio2，包层材料采用sio2。
20.基于单光纤激光诱导击穿光谱的真空度在线检测系统中，所述libs探头为基于单透镜的libs激光探针，聚焦时通过透镜将激光光斑聚焦射到真空开关内灭弧室屏蔽罩靶材料产生等离子体。
21.一种利用所述的基于单光纤激光诱导击穿光谱的真空度在线检测系统的检测方法包括以下步骤：
22.激光经由光纤耦合器耦合注入单光纤输送到libs探头以激发真空开关内灭弧室屏蔽罩诱导生成等离子体；
23.所述等离子体自发射成像经由所述libs探头进入所述光纤耦合器，二色镜分离所述激光和所述等离子体，收集光纤经由所述消色差仪以收集所述等离子体；
24.数字延迟脉冲发生器触发激光和相机，调整时间间隔以跟踪等离子体的演变，相机和光谱仪获得等离子体图像和光谱信号；
25.处理器基于所述等离子体图像和光谱信号生成等离子体温度和等离子体密度以得到真空度。
26.检测方法中，所述光谱信号包括离子谱线组成和强度。
27.有益效果
28.本发明基于其等离子体成像系统和光谱强度分析获取了能够表征真空度的特征参数，实现了真空开关真空度的带电检测。模光纤输出的激光是发散的，需要透镜进行聚焦，采用单光纤进行更好的检测，其模间色散很小，适用于远程通讯，信号畸变很小，通过单光纤传输的激光作用于靶材料，得到的等离子体成像重复性高、光谱信噪比高，避免了直接聚焦中心需要更加集中的要求，解决了传统libs激光脉冲稳定性差，噪声干扰高的问题。光纤传输激光产生的等离子体更均匀，能够产生更稳定的熔坑，自吸收效应也呈现下降状态，但也因更低的温度和电子密度无法产生更大的峰值辐照度，从而无法为等离子体提供高强度的发射。使用光纤作为传输介质，测量过程安全可靠，面对恶劣环境、对人体有伤害的核辐射环境，针对于开关设备的在线真空度检测，可以实现远程在线监控，提高工作与检修效率。
29.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。
附图说明
30.通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
31.在附图中：
32.图1为本发明基于单光纤激光诱导击穿光谱的真空度在线检测系统的结构示意图；
33.图2为本发明基于单光纤激光诱导击穿光谱的真空度在线检测系统的检测方法的流程示意图；
34.附图标记如下：1、激光器；2、光纤耦合器；3、二色镜；4、单光纤；5、单光纤libs探头；6、真空灭弧室；7、消色差仪；8、收集光纤；9、iccd相机；10、光谱仪；11、延迟脉冲发生器。
35.以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
36.下面将参照附图1至图2更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
37.需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
38.为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
39.如图1所示，基于单光纤激光诱导击穿光谱的真空度在线检测系统包括：
40.激光器1，其生成激发激光通过光纤诱导击穿光谱的激光，
41.光纤耦合器2，其耦合注入所述激光，
42.单光纤4，其连接所述光纤耦合器2以传输所述激光
43.libs探头5，其一端连接所述单光纤4，另一端探入真空灭弧室6，所述激光经由所述libs探头5诱导生成等离子体且所述等离子体自发射成像经由所述libs探头5进入所述光纤耦合器2，
44.二色镜3，其设于所述光纤耦合器2以分离所述激光和所述等离子体，
45.消色差仪7，其连接所述光纤耦合器2，
46.收集光纤8，其连接所述消色差仪7以收集所述等离子体，
47.光谱仪10，其连接所述收集光纤8以生成光谱信号，
48.iccd相机9，其连接光谱仪10以采集等离子体图像，
49.数字延迟脉冲发生器11，其连接所述iccd相机9以通过设置脉冲之间的延时控制iccd相机9，
50.处理器，其连接所述iccd相机9和光谱仪10，基于所述等离子体图像和光谱信号生成等离子体温度和等离子体密度以得到真空度。
51.基于单光纤激光诱导击穿光谱的真空度在线检测系统的优选实施例中，所述激光器1生成的激光能量为24mj，波长设置为1064nm。
52.基于单光纤激光诱导击穿光谱的真空度在线检测系统的优选实施例中，所述单光纤4的中心玻璃芯芯径为400μm-600μm，所述单光纤4芯层材料采用geo2或sio2。
53.基于单光纤激光诱导击穿光谱的真空度在线检测系统的优选实施例中，所述libs探头5为基于单透镜的libs激光探针，聚焦时通过透镜将激光光斑聚焦射到真空开关内灭弧室屏蔽罩靶材料产生等离子体。
54.在一个实施例中，系统包括：激光器1、光纤耦合器2、二色镜3、传输光纤、单光纤libs探头5、真空灭弧室6、消色差仪7、收集光纤8、数字延迟脉冲发生器11、等离子体成像系统、光谱仪10、iccd相机9。
55.在一个实施例中，所述激光器1用于产生高能量激光，能量为24mj的激光，所述光纤耦合器2将主激光光束通过二色镜3反射注入到传输光纤中，单光纤的libs探头5包括应用一种基于单透镜的单光纤激光诱导击穿光谱系统的小型激光探针，用于诱导产生等离子体；所述等离子体成像系统应包括单光纤4libs探头5中实现聚焦作用的透镜和将等离子体发射与激光光路分离的二色镜3，等离子体发射按原路返回，通过二色镜3激光光路分离，利用消色差仪7传输至所述收集光纤8。所述数字延迟脉冲发生器11通过设置脉冲之间的延时，实现对如iccd相机9控制；所述光谱测量系统应用于对等离子体产生的光谱信号进行探测，包括iccd照相机9与光谱仪10，记录光谱信号，分析谱线组成、强度、等离子体温度、等离子体密度，得到真空测量结果。
56.优选地，由于焦平面的高激光通量，光纤输入端面应放置在聚焦点后适当距离，以保证激光辐照度低于光纤损伤阈值。优选地，应考虑光纤输出端面与透镜之间的距离，这是影响聚焦激光光斑大小的因素之一。
57.本发明解决了真空开关远距离设备在线监测问题，通过光纤传输降低了激光入射时的噪音干扰，减少光损失，提高检测精度与效率。同时，所属申请的应用场景包括但不限于电力设备开关的应用，对开关使用年限的预测性以及工程类有较大意义。
58.如图2所示，一种利用所述的基于单光纤激光诱导击穿光谱的真空度在线检测系统的检测方法包括以下步骤：
59.激光经由光纤耦合器2耦合注入单光纤4输送到libs探头5以激发真空开关内灭弧室屏蔽罩诱导生成等离子体，
60.所述等离子体自发射成像经由所述libs探头5进入所述光纤耦合器2，二色镜3分离所述激光和所述等离子体，收集光纤8经由所述消色差仪7以收集所述等离子体，
61.数字延迟脉冲发生器11触发激光和相机9，调整时间间隔以跟踪等离子体的演变，相机9和光谱仪10获得等离子体图像和光谱信号，
62.处理器基于所述等离子体图像和光谱信号生成等离子体温度和等离子体密度以得到真空度。
63.所述的检测方法中，所述光谱信号包括离子谱线组成和强度。
64.在一个实施方式中，真空度在线检测方法包括如下步骤：激光器1产生高能量激光，通过注入单光纤4传输，激发诱导真空开关内灭弧室屏蔽罩靶材料，利用成像原理对输出激光进行聚焦，通过非球面透镜将光纤端面激光光斑成像映射到目标表面产生等离子体。通过这种方式，等离子体的自发射也被成像到光纤激光器1输出端面，并通过传输光纤传输回来；经过二色镜3将等离子体发射与激光光路分离，然后经消色差仪7引导等离子体发射到收集光纤8中，并连接到光谱测量系统。采用延时脉冲发生器11触发激光光源和iccd相机9，后者用于获取等离子体的图像，最后分析光谱信号结果，得到真空测量数值。
65.在一个实施方式中，方法包括，
66.步骤1，利用激光器1发射高能量激光，耦合注入光纤，用于激发真空灭弧室6屏蔽罩产生等离子体。通过光纤传输的激光能量为24mj、波长设置为1064nm，以保证诱导产生等离子体，完成后续对真空度的测量；
67.步骤2，利用步骤1产生的主激光束通过激光光纤耦合器2经二色镜3注入传输光纤，实验中使用的光纤是一种单光纤4；
68.步骤3，通过步骤2光纤传输的激光经单光纤4libs探头5，聚焦于真空灭弧室6内部，产生等离子体，汇聚成一点；
69.步骤4，设置数字延迟脉冲发生器11用于触发激光和iccd相机9，调整时间间隔以跟踪等离子体或冲击波的演变；通过iccd相机9对步骤3产生的等离子体经传输光纤传输回来，通过二色镜3激光光路分离，利用消色差仪7传输到收集光纤8，连接光谱测量系统，通过iccd进行拍摄，并在摄像机前放置滤波器过滤等离子体辐射和背景噪声，获得等离子体图像，分析得到真空度；
70.基于单光纤libs技术的真空度在线检测方法应用单光纤libs探头5，设计了一套基于单光纤激光诱导等离子体成像系统以及光谱诊断系统，用来实现基于单光纤libs等离子体成像技术的真空度在线测量方法。所述系统包括：激光器1、光纤耦合器2、二色镜3、传输光纤、单光纤libs探头5、真空灭弧室6、消色差仪7、收集光纤8、延迟脉冲发生器11、等离子体成像系统、光谱测量系统。其中，激光器1根据上述步骤1用于产生高能量激光，设定为24mj；光纤耦合器2用于将主传输光束通过二色镜3反射到传输光纤中；所述单光纤libs探头5包括应用一种基于单透镜的单光纤4激光诱导击穿光谱系统的小型激光探针，用于诱导产生等离子体；所述消色差仪7用于引导等离子体进入收集光纤8；所述数字延迟脉冲发生器11通过设置脉冲之间的延时，实现对iccd相机9的控制；所述等离子体成像系统应有实现聚焦作用的透镜和分离激光与等离子体的二色镜3；所述二色镜3用于反射激光和分离等离子体与激光光束；所述光谱测量系统应包括完成步骤5的iccd照相机9和光谱仪10，应用于对等离子体产生的光谱信号进行探测，记录光谱信号，分析原子、离子谱线组成、强度，最后计算等离子体温度、等离子体密度，得到真空测量结果。
71.优选地，所述激光器1能够产生能量为24mj，波长为1064nm的激光，所述特定波长的激光能量能够通过光纤耦合器2经单光纤4传输，所述单光纤4传输的激光能量能够经libs探头5诱导真空开关内灭弧室屏蔽罩靶材料产生等离子体。优选地，所述等离子体经二
色镜3与激光光束分离，并经消色差仪7传输至收集光纤8，用iccd相机9进行成像。优选地，所述光谱测量系统中的光谱仪10能够对等离子体的不同谱线，包括：原子线、离子线进行处理，并通过谱线强度分析确定真空度。
72.尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。