基于全光學(xué)腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測(cè)裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于全光學(xué)腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測(cè)裝置，包括光源和氣體測(cè)量腔,所述光源的出射光線通過光窗口射入氣體測(cè)量腔內(nèi),氣體測(cè)量腔底面設(shè)有光學(xué)微環(huán)傳感器或光纖傳感器。本發(fā)明利用光學(xué)微環(huán)傳感器或光纖傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的微音器，整個(gè)光聲腔內(nèi)不含有電聲器件，完全由光學(xué)器件構(gòu)成，不會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)任何電磁干擾的影響，響應(yīng)帶寬高，實(shí)現(xiàn)了基于全光學(xué)光聲腔的光聲光譜變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),具有電磁兼容性好，抗干擾能力強(qiáng)，高分辨率的優(yōu)點(diǎn)，提高了運(yùn)行壽命及可靠性。
【專利說明】
基于全光學(xué)腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測(cè)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及光聲光譜變壓器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，特別是一種基于全光學(xué)腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測(cè)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]油浸電力變壓器在長(zhǎng)期運(yùn)行中和發(fā)生故障后，在熱、電作用下，其絕緣油及有機(jī)絕緣材料會(huì)分解出一些對(duì)故障判斷有價(jià)值的氣體，包括氫氣、甲烷、乙炔、乙烯、一氧化碳、二氧化碳等，分析油中溶解的這些氣體是判斷油浸電力變壓器早期潛伏性故障最方便、最有效的措施之一。光聲光譜技術(shù)是基于光聲效應(yīng)來檢測(cè)吸收物體積分?jǐn)?shù)的一種技術(shù)，該技術(shù)具有檢測(cè)范圍寬，精度高，不需載氣等特點(diǎn)，該技術(shù)應(yīng)用于油浸電力變壓器在線監(jiān)測(cè)，可以準(zhǔn)確的判斷變壓器油中溶解的氣體成分及其含量，從而準(zhǔn)確判斷出變壓器運(yùn)行狀況，為變壓器維護(hù)提供可靠的信息支持。
[0003]氣體光聲光譜法是通過檢測(cè)氣體分子對(duì)光源光子能量的吸收來定量分析氣體的濃度，它屬于測(cè)量吸收的氣體分析方法，相對(duì)于直接測(cè)量光輻射能量的檢測(cè)方法增加了把熱能變成聲音信號(hào)的過程，也屬于熱測(cè)定的方法。如果把光源用某種聲頻進(jìn)行調(diào)制，在一個(gè)特制的光聲池中就可以通過微音器探測(cè)到與頻率相同的聲音信號(hào)，這就是待測(cè)的物質(zhì)光聲信號(hào)。
[0004]電力變壓器監(jiān)測(cè)產(chǎn)品中對(duì)信號(hào)接收和處理部分要求較高，而變壓器本體和電力監(jiān)測(cè)產(chǎn)品中的電子器件在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻電磁輻射干擾。
[0005]目前光聲光譜變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在光聲腔中采用電聲器件微音器作為聲學(xué)傳感器，常用的光聲光譜系統(tǒng)是采用直流穩(wěn)態(tài)紅外光源+調(diào)制盤+濾光片+氣體測(cè)量腔+微音器的方案進(jìn)行檢測(cè)。光聲腔中封存了微音器及其底板電路，在低濃度氣體檢測(cè)時(shí)，光源發(fā)出的光束照射在微音器與底板電路上，產(chǎn)生的背景信號(hào)對(duì)來自被檢測(cè)氣體的光聲信號(hào)形成極大同頻干擾，同時(shí)環(huán)境中的電磁輻射也易對(duì)微音器及電路產(chǎn)生高頻干擾。此外，微音器由于其帶寬及靈敏度的限制，在低濃度氣體檢測(cè)時(shí)，外部影響會(huì)造成其最終檢測(cè)數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種不會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)任何電磁干擾的影響，徹底實(shí)現(xiàn)基于全光學(xué)光聲腔的光聲光譜變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有電磁兼容性好，抗干擾能力強(qiáng)，提高了運(yùn)行壽命及可靠性的基于全光學(xué)腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測(cè)裝置。
[0007]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
[0008]基于全光學(xué)腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測(cè)裝置，包括光源和氣體測(cè)量腔，所述光源的出射光線通過光窗口射入氣體測(cè)量腔內(nèi)，氣體測(cè)量腔底面設(shè)有光學(xué)微環(huán)傳感器或光纖傳感器。
[0009]進(jìn)一步的，所述光源為直流穩(wěn)態(tài)紅外光源，所述直流穩(wěn)態(tài)紅外光源與氣體測(cè)量腔之間依次設(shè)有調(diào)制盤和濾鏡輪，所述濾鏡輪上設(shè)有濾光鏡，所述直流穩(wěn)態(tài)紅外光源經(jīng)調(diào)制盤后照射在濾鏡輪上，所述濾光鏡的出射光線通過光窗口射入氣體測(cè)量腔內(nèi)。
[0010]進(jìn)一步的，所述光源為可調(diào)諧脈沖紅外激光光源，所述可調(diào)諧脈沖紅外激光源的出射光線通過光窗口射入氣體測(cè)量腔內(nèi)。
[0011 ]進(jìn)一步的，所述光學(xué)微環(huán)傳感器上含有保護(hù)層、聚合體微環(huán)層與二氧化硅基底層，所述保護(hù)層、聚合體微環(huán)層與二氧化硅基底層都是透明的。
[0012]進(jìn)一步的，所述光纖傳感器含有保護(hù)層、光纖層與二氧化硅基底層，所述保護(hù)層、光纖層與二氧化硅基底層都是透明的。
[0013]相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:利用光學(xué)微環(huán)傳感器或光纖傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的微音器，解決了電磁信號(hào)的干擾問題，由于整個(gè)腔室內(nèi)部沒有任何電子元器件，該系統(tǒng)將不會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)任何電磁干擾的影響，實(shí)現(xiàn)了基于全光學(xué)光聲腔的光聲光譜變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有電磁兼容性好，抗干擾能力強(qiáng)，高分辨率的優(yōu)點(diǎn)，提高了運(yùn)行壽命及可靠性。光學(xué)微環(huán)傳感器或光纖傳感器擁有超帶寬頻率響應(yīng)能力，能夠提供足夠測(cè)量靈敏度。與傳統(tǒng)電聲微音器相比，降低了光源直接照射到傳感器與基板電路上產(chǎn)生的基底背景噪聲信號(hào)，提高了檢測(cè)來自低濃度氣體有效光聲信號(hào)的靈敏度。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖3為本發(fā)明實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖4為本發(fā)明實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖5為利用高分子聚合物研發(fā)的光學(xué)微環(huán)傳感器示意圖。
[0019]圖6為光學(xué)微環(huán)傳感器出射光譜示意圖。
[0020]圖7為光學(xué)微環(huán)傳感器與普通微音器的頻率響應(yīng)曲線的對(duì)比示意圖。
[0021]圖中:1、直流穩(wěn)態(tài)紅外光源2、可調(diào)諧脈沖紅外激光光源3、調(diào)制盤4、濾鏡輪5、濾光鏡6、光窗口 7、氣體測(cè)量腔8、保護(hù)層9、光學(xué)微環(huán)傳感器10、光纖傳感器11、二氧化硅基底層。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合說明書附圖和具體的實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。
[0023]實(shí)施例1
[0024]如圖1所示，基于全光學(xué)腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測(cè)裝置，包括直流穩(wěn)態(tài)紅外光源1、濾鏡輪4和氣體測(cè)量腔7，所述直流穩(wěn)態(tài)紅外光源I與濾鏡輪4之間設(shè)有調(diào)制盤3，所述濾鏡輪4上設(shè)有濾光鏡5，所述濾鏡輪4的出射光線通過光窗口6射入氣體測(cè)量腔7內(nèi)，所述氣體測(cè)量腔7底面設(shè)有光學(xué)微環(huán)傳感器9，所述光學(xué)微環(huán)傳感器9含有保護(hù)層8及聚合體微環(huán)層與二氧化硅基底層11，所述所有層均是透明的。
[0025]實(shí)施例2
[0026]如圖2所示，基于全光學(xué)腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測(cè)裝置，包括直流穩(wěn)態(tài)紅外光源
1、濾鏡輪4和氣體測(cè)量腔7，所述直流穩(wěn)態(tài)紅外光源I與濾鏡輪4之間設(shè)有調(diào)制盤3，所述濾鏡輪4上設(shè)有濾光鏡5，所述濾鏡輪4的出射光線通過光窗口6射入氣體測(cè)量腔7內(nèi)，所述氣體測(cè)量腔7底面設(shè)有光纖傳感器10，所述光纖傳感器10含有保護(hù)層8及光纖層與二氧化硅基底層11，所述所有層均是透明的。
[0027]實(shí)施例3
[0028]如圖3所示，基于全光學(xué)腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測(cè)裝置，包括可調(diào)諧脈沖紅外激光光源2和氣體測(cè)量腔7，，所述可調(diào)諧脈沖紅外激光光源2將調(diào)諧后的出射光線通過光窗口6射入氣體測(cè)量腔7內(nèi)，所述氣體測(cè)量腔7和基底11之間設(shè)有光學(xué)微環(huán)傳感器9，所述光學(xué)微環(huán)傳感器9含有保護(hù)層8及聚合體微環(huán)層與二氧化硅基底層11，所述所有層均是透明的。
[0029]實(shí)施例4
[0030]如圖4所示，基基于全光學(xué)腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測(cè)裝置，包括可調(diào)諧脈沖紅外激光光源2和氣體測(cè)量腔7，，所述可調(diào)諧脈沖紅外激光光源2將調(diào)諧后的出射光線通過光窗口6射入氣體測(cè)量腔7內(nèi)，所述氣體測(cè)量腔7和基底11之間設(shè)有光纖傳感器10，所述光纖傳感器10含有保護(hù)層8及光纖層與二氧化硅基底層11，所述所有層均是透明的。
[0031 ] 光學(xué)微環(huán)傳感器9工作原理
[0032]如圖5所示，利用高分子聚合物研發(fā)的光學(xué)微環(huán)傳感器示意圖，該傳感器由直線波導(dǎo)和環(huán)形波導(dǎo)組成，環(huán)形波導(dǎo)尺寸可設(shè)計(jì)在十幾微米至百微米數(shù)量級(jí)，直線波導(dǎo)和環(huán)形波導(dǎo)之間的距離可設(shè)計(jì)在幾十納米至百納米數(shù)量級(jí)。
[0033]光波在直線波導(dǎo)中傳播并耦合到微環(huán)中形成駐波場(chǎng)，當(dāng)經(jīng)過微環(huán)的光波相位是2π的整數(shù)倍時(shí)，將發(fā)生諧振現(xiàn)象從而使出射光譜在相應(yīng)波長(zhǎng)處形成陡然下降的低谷，如圖6所示。光聲信號(hào)傳來時(shí)，其聲壓會(huì)使得聚合物在應(yīng)力作用下光學(xué)折射率發(fā)生改變，從而使微環(huán)諧振波長(zhǎng)發(fā)生位移。選擇直線波導(dǎo)入射光波長(zhǎng)在圖6所示低谷的半腰處，這樣光聲信號(hào)的變化就被轉(zhuǎn)化為出射光強(qiáng)度的變化。通過光纖導(dǎo)出并最后記錄出射光強(qiáng)度的變化就可獲得光聲腔內(nèi)光聲信號(hào)的變化。
[0034]光學(xué)微環(huán)傳感器9的測(cè)量靈敏度取決于諧振品質(zhì)因子Q值。諧振低谷越陡峭，Q值越高，測(cè)量靈敏度也越高。實(shí)測(cè)微環(huán)Q值可以達(dá)到3X 105，其檢測(cè)靈敏度可達(dá)到29Pa噪聲等效可測(cè)聲壓(NEDP)。
[0035]全光學(xué)腔光聲光譜在線測(cè)量適應(yīng)的場(chǎng)合
[0036]光學(xué)微環(huán)傳感器擁有超帶寬頻率響應(yīng)，從直流到百兆，潛在能力可達(dá)到GHz，這對(duì)于超低頻與超高頻光聲信號(hào)的檢測(cè)擁有無法比擬的優(yōu)勢(shì)。如圖7所示，為光學(xué)微環(huán)傳感器與普通微音器的頻率響應(yīng)曲線的對(duì)比。當(dāng)采用調(diào)制盤3調(diào)制直流穩(wěn)態(tài)紅外光源I激發(fā)所測(cè)氣體光聲信號(hào)時(shí)，調(diào)制頻率通常只有幾赫茲到十幾赫茲，普通的微音器在此低頻波段響應(yīng)衰減很大，無法提供足夠測(cè)量靈敏度。而采用高頻可調(diào)諧脈沖紅外激光器2作為光源激發(fā)所測(cè)氣體光聲信號(hào)時(shí)，一種趨勢(shì)是把光聲腔超微型化，這里可能導(dǎo)致超高頻光聲信號(hào)的檢測(cè)，普通的微音器在此頻段也無法良好響應(yīng)提供足夠測(cè)量靈敏度。微環(huán)光聲傳感器擁有超帶寬頻率響應(yīng)能力，以其為基礎(chǔ)構(gòu)成的全光學(xué)腔光聲光譜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)可以滿足上述場(chǎng)合的要求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于全光學(xué)腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測(cè)裝置，包括光源和氣體測(cè)量腔，所述光源的出射光線通過光窗口射入氣體測(cè)量腔內(nèi)，其特征在于氣體測(cè)量腔底面設(shè)有光學(xué)微環(huán)傳感器或光纖傳感器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全光學(xué)腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于所述光源為直流穩(wěn)態(tài)紅外光源，所述直流穩(wěn)態(tài)紅外光源與氣體測(cè)量腔之間依次設(shè)有調(diào)制盤和濾鏡輪，所述濾鏡輪上設(shè)有濾光鏡，所述直流穩(wěn)態(tài)紅外光源經(jīng)調(diào)制盤后照射在濾鏡輪上，所述濾光鏡的出射光線通過光窗口射入氣體測(cè)量腔內(nèi)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全光學(xué)腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于所述光源為可調(diào)諧脈沖紅外激光光源，所述可調(diào)諧脈沖紅外激光源的出射光線通過光窗口射入氣體測(cè)量腔內(nèi)。4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于全光學(xué)腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于所述光學(xué)微環(huán)傳感器上含有保護(hù)層、聚合體微環(huán)層與二氧化硅基底層，所述保護(hù)層、聚合體微環(huán)層與二氧化硅基底層都是透明的。5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于全光學(xué)腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于所述光纖傳感器含有保護(hù)層、光纖層與二氧化硅基底層，所述保護(hù)層、光纖層與二氧化硅基底層都是透明的。
【文檔編號(hào)】G01N21/17GK105928885SQ201610517425
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年7月4日
【發(fā)明人】謝志行, 王超, 翟志華
【申請(qǐng)人】南京航算自控科技有限公司