一種基于CO₂激光器的自校準測量SF₆濃度的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于CO2激光器的自校準測量SF6濃度的裝置及方法，運用波長可調諧CO2激光器，在傳統(tǒng)光聲光譜技術的基礎上，檢測兩個不同波長的光聲信號，并通過數(shù)據處理計算出SF6濃度。該裝置成功實現(xiàn)了自校準的SF6濃度測量，避免了傳統(tǒng)光聲光譜技術中運用標準氣標定檢測系統(tǒng)的過程，從而排除了標定過程中氣壓、溫度、緩沖氣等因素對檢測結果準確性的影響，從而提高了光聲光譜技術的測量精度和實用性。此外該自校準測量方法還可以應用于其他微量氣體檢測的場合，例如激光等離子體真空靶室中各種微量氣體的檢測。
【專利說明】
一種基于C02激光器的自校準測量SF6濃度的裝置及方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于微量氣體濃度檢測領域，更具體地，涉及一種基于⑶2激光器的自校準 測量SF6濃度的裝置及方法。
【背景技術】
[0002] SF6是一種電氣絕緣性能優(yōu)越的人造惰性氣體，其廣泛應用于電力工業(yè)中的開關 設備、輸電管線和變電站。由于sf 6電氣絕緣性能與濃度成正比，故而對其濃度的實時監(jiān)測 一直是保障電氣設備穩(wěn)定安全運行的關鍵技術。
[0003] 目前實際應用的SF6氣體濃度檢測方法主要有氣體密度檢測技術和負電暈放電技 術。與光聲光聲光譜技術相比，前兩者的實際應用的時間更長，應用范圍也更廣，但是氣體 密度檢測技術的檢測誤差較大，無法實現(xiàn)低濃度的精確測量，負電暈放電技術則受限于電 極的使用壽命較短。相對的光聲光譜技術具有靈敏度高、可檢測波譜范圍寬、選擇性好等優(yōu) 點，在SF 6濃度的實時監(jiān)測中具有良好的應用前景。
[0004] 現(xiàn)有光聲光譜技術需要使用多個濃度的標準氣標定檢測系統(tǒng)，以確定濃度與光聲 信號之間的比例關系，且使用過程中仍然需要定期校準，這將耗費大量標準氣，增加光聲光 譜技術的使用成本，限制光聲光譜技術的實際應用。

【發(fā)明內容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明提供了一種基于C02激光器的自校準測量SF6濃度的 裝置及方法，其目的在于避免現(xiàn)有光聲光譜技術中標定過程，減少SF 6標準氣的消耗，降低 使用成本。
[0006] 本發(fā)明提供了一種基于C02激光器的自校準測量SF6濃度的裝置，包括:光聲腔、波 長可調諧的C0 2激光器、偏振衰減片、信號發(fā)生器和數(shù)據處理模塊;所述波長可調諧的0)2激 光器、所述偏振衰減片和所述光聲腔依次共軸設置;所述信號發(fā)生器的第一輸出端與所述 波長可調諧的co 2激光器的調制端連接，所述數(shù)據處理模塊的第一輸入端與所述信號發(fā)生 器的第二輸出端連接，所述數(shù)據處理模塊的第二輸入端與所述光聲腔的輸出端連接。
[0007] 更進一步地，工作時，所述波長可調諧的⑶2激光器以信號發(fā)生器產生的方波信號 調制輸出激光，受調制的激光經所述偏振衰減片衰減后進入所述光聲腔中，由于光聲效應 在腔內產生聲壓波動在共振腔內放大增強，并轉化為電信號，再傳輸給所述數(shù)據處理模塊， 所述波長可調諧的C0 2激光器調諧至另一波長并重復上述測量過程，最終由數(shù)據處理模塊 計算并獲得被測SF6氣體的濃度。
[0008] 更進一步地，所述光聲腔包括共振腔、緩沖室、進氣口、出氣口、窗鏡和麥克風;麥 克風位于共振腔的中點，共振腔兩側分別有一緩沖室，緩沖室中點有螺紋孔作為進出氣口， 在兩緩沖室外側分別有窗鏡與外部空間分隔。所述共振腔用于對光聲信號進行共振放大； 所述緩沖室用于消減外部噪聲的干擾;所述進氣口和所述出氣口用于被檢測氣體的流通； 所述麥克風用于檢測光聲效應產生的聲壓信號并轉換為電信號。
[0009]更進一步地，所述共振腔為空心圓柱，其內徑為6mm，全長160mm。腔內徑越小系統(tǒng) 的性能越好，但共振腔內徑受到光束直徑的限制，由于波長可調諧的C02激光器的光束較 粗，故選擇內徑為6mm。
[00?0] 更進一步地，緩沖室可以為空心圓柱，其內徑為50mm，長度為80mm。理論分析可知， 緩沖室長度為共振腔長的一半，即為諧振波長四分之一時，可以最大程度消減噪聲。
[0011] 更進一步地，窗鏡可以為圓柱狀，其直徑為25.4_、厚度為3_。
[0012]更進一步地，窗鏡的材料可以為ZnSe材質。ZnSe材質對C〇2激光的吸收較弱，可以 降低因窗鏡吸收帶來的同頻噪聲。
[0013] 更進一步地，波長可調諧的⑶2激光器包括衍射光柵和壓電陶瓷，衍射光柵和壓電 陶瓷光學共軸，且位于激光器內部的兩端;衍射光柵用于實現(xiàn)激光波長的可調諧，壓電陶瓷 用于實現(xiàn)穩(wěn)頻輸出；其輸出光束波長在9.174um~10.835um內可調，輸出光束振幅可由PWM 波調制，采用該型激光器的原因主要是提高系統(tǒng)的集成度，減少系統(tǒng)的部件。
[0014]更進一步地，偏振衰減片在0~100 %內連續(xù)可調，這樣可以避免較低濃度時因光 強較強而產生的飽和效應。
[0015] 本發(fā)明還提供了一種基于上述的裝置的激光器的自校準測量SF6濃度的方法， 包括下述步驟：
[0016] (1)波長可調諧的C02激光器以信號發(fā)生器產生的方波信號調制輸出激光，受調制 的激光經衰減片衰減后進入光聲腔中，由于光聲效應在腔內產生聲壓波動在共振腔內放大 增強，并通過麥克風4測得光聲信號S PA1，再傳輸給數(shù)據處理模塊；
[0017] (2)波長可調諧的⑶2激光器調諧至另一波長并重復上述測量過程，測得光聲信號 SPA2,將測得的兩個光聲信號在數(shù)據處理模塊中進行如下計算： 從而實現(xiàn)SF6濃度的自校準測量；
[0018] 其中，T為溫度、Pg*氣壓、C1QQ為光聲腔常數(shù)、Pi為光功率、F為麥克風靈敏度、g(v- v〇)為氣體歸一化線型函數(shù)、Spa為光聲信號、S為氣體分子線吸收強度。
[0019] 本實發(fā)明的運用波長可調諧C02激光器輸出光束波長可調諧的特點，實現(xiàn)基于光 聲光譜技術的SF6濃度自校準測量，可以無需使用標準氣標定檢測系統(tǒng)光聲信號與SF 6氣體 濃度的比例關系，也不需要定期重新校準，從而減少了SF6標準氣的消耗，降低光聲光譜技 術的使用成本，推動光聲光譜技術的實際應用。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明提供的基于C02激光器的自校準測量SF6濃度的裝置的結構示意圖。
[0021] 圖2是本發(fā)明提供的基于C02激光器的自校準測量SF6濃度的裝置中光聲腔的裝配 圖。
[0022] 在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1為光聲腔，2 為共振腔，3為緩沖室，4為麥克風，5為進氣孔，6為出氣孔，7為窗鏡，8為偏振衰減片，9為波 長可調諧C0 2激光器，10為衍射光柵，11為壓電陶瓷，12為數(shù)據處理模塊，13為信號發(fā)生器。
【具體實施方式】
[0023] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0024] 本發(fā)明涉及SF6氣體濃度檢測領域，具體是運用波長可調諧C02激光器，檢測兩個不 同波長的光聲信號(基于光聲光譜技術），并通過數(shù)據處理計算出SF 6濃度，實現(xiàn)了 SF6濃度的 自校準測量。
[0025] 針對上述現(xiàn)有存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是基于波長可調諧C02激光器設 計實現(xiàn)SF6濃度的自校準測量，避免現(xiàn)有光聲光譜技術中標定過程，減少SF 6標準氣的消耗， 降低使用成本，推動光聲光譜技術的實際應用。
[0026] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)提出了一種運基于C02激光器自校準測量SF6濃度的裝 置，包括:光聲腔1、波長可調諧的C0 2激光器9、偏振衰減片8、信號發(fā)生器13和數(shù)據處理模塊 12,波長可調諧的C02激光器9、偏振衰減片8和光聲腔1共軸。該裝置通過測量兩個波長的激 光在光聲強中產生的光聲信號，通過數(shù)據計算獲得被測氣體濃度，實現(xiàn)SF 6濃度的自校準測 量。
[0027] 具體步驟為:波長可調諧的⑶2激光器9以信號發(fā)生器13產生的方波信號調制輸出 激光，受調制的激光經衰減片8衰減后進入光聲腔1中，由于光聲效應在腔內產生聲壓波動 在共振腔內放大增強，并通過麥克風4檢測并轉化為電信號，再傳輸給數(shù)據處理模塊12,波 長可調諧的C0 2激光器9調諧至另一波長重復上述測量過程，最終由數(shù)據處理模塊12計算獲 得被測SF6氣體的濃度并顯示出來。
[0028] 其中，光聲腔包括共振腔2、緩沖室3、進氣口 5、出氣口 6、窗鏡7和麥克風4,共振腔2 的作用是對光聲信號共振放大，緩沖室3的作用是消減外部噪聲的干擾，進氣口 5和出氣口 6 用于被檢測氣體的流通，麥克風4的作用是檢測光聲效應產生的聲壓信號并轉換為電信號。
[0029] 在本發(fā)明實施例中，共振腔2為空心圓柱，其內徑為6mm，全長160mm，腔內徑越小系 統(tǒng)的性能越好，但共振腔2內徑受到光束直徑的限制，由于波長可調諧的C0 2激光器9的光束 較粗，故選擇內徑為6mm。
[0030]在本發(fā)明實施例中，緩沖室為空心圓柱，其內徑為50mm，長度為80mm，理論分析可 知，緩沖室長度為共振腔長2的一半，即為諧振波長四分之一時，可以最大程度消減噪聲。
[0031] 在本發(fā)明實施例中，光聲腔為不銹鋼材質，其具有嚴格的氣密性。
[0032] 在本發(fā)明實施例中，窗鏡7為圓柱狀，其直徑為25.4mm、厚度為3mm，更進一步的，所 述窗鏡7為ZnSe材質，ZnSe材質對C0 2激光的吸收較弱，可以降低因窗鏡7吸收帶來的同頻噪 聲。
[0033] 在本發(fā)明實施例中，波長可調諧的C〇2激光器包括衍射光柵和壓電陶瓷，其輸出光 束波長在9 · 174um~10 · 835um內可調，輸出光束振幅可由P麗波調制，采用該型激光器的原 因主要是提高系統(tǒng)的集成度，減少系統(tǒng)的部件。
[0034] 在本發(fā)明實施例中，偏振衰減片在0~100%內連續(xù)可調，這樣可以避免較低濃度 時因光強較強而產生的飽和效應。
[0035] 自校準測量SF6濃度的方法:波長可調諧的C02激光器9以信號發(fā)生器13產生的方波 信號調制輸出激光，受調制的激光經衰減片8衰減后進入光聲腔1中，由于光聲效應在腔內 產生聲壓波動在共振腔內放大增強，并通過麥克風4測得光聲信號S PA1，再傳輸給數(shù)據處理 模塊12。波長可調諧的C02激光器9調諧至另一波長重復上述測量過程，測得光聲信號SPA2， 將測得的兩個光聲信號在數(shù)據處理模塊中進行如下計算：
從而實現(xiàn)SF6濃度的自校準測量，式中T為溫度、Pg*氣壓、C1QQ為光聲腔常數(shù)、Pi為光功率、F 為麥克風靈敏度、g(v-v〇)為氣體歸一化線型函數(shù)、Spa為光聲信號、S為氣體分子線吸收強 度。其中溫度T、氣壓P和光聲信號Spa可實時測得，光聲腔常數(shù)Ciqq為光聲腔的固有常數(shù)，光功 率Pi和麥克風靈敏度F為已知值，氣體分子線吸收強度S可由HITRAN數(shù)據庫獲得，氣體歸一 化線型函數(shù)g(v-v〇)可在HITRAN數(shù)據庫數(shù)據的基礎上計算得到。
[0036] 本實發(fā)明的運用波長可調諧C02激光器輸出光束波長可調諧的特點，實現(xiàn)基于光 聲光譜技術的SF6濃度自校準測量，可以無需使用標準氣標定檢測系統(tǒng)光聲信號與SF 6氣體 濃度的比例關系，也不需要定期重新校準，從而減少了SF6標準氣的消耗，降低光聲光譜技 術的使用成本，推動光聲光譜技術的實際應用。
[0037] 下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步說明。在此需要說明的是，這些 實施方式的說明有助于理解本發(fā)明，但并不構成本發(fā)明的限定。
[0038] 本實施例中，如圖1所示波長可調諧C02激光器9輸出光束的波長設置為10.571um， 同時將信號發(fā)生器13設置為頻率1029Hz、幅值為5V的方波，并通過PWM調至C02激光器9的輸 出光功率，使得波長可調諧C0 2激光器9輸出占空比為50%、波長為10.571um的激光。
[0039]調節(jié)偏振衰減片8的衰減比例至30%，C02激光經衰減片8后進入光聲腔1。周期性 調至的激光束激發(fā)SF6分子，受激SF6分子通過弛豫產熱回到基態(tài)，在共振腔2中產生周期性 的溫度升降，從而引起共振管2內氣體的周期性脹縮，產生聲音信號并共振放大，經麥克風4 轉化為電信號，并傳輸至數(shù)據處理模塊12。
[0040] 調節(jié)波長可調諧⑶2激光器9的輸出波長至10.611um。信號發(fā)生器設置不變，此時 波長可調諧C0 2激光器9輸出占空比為50%、波長為10.61 lum的激光。調節(jié)衰減片8使光功率 與波長為10.57lum時一致，激光進入光聲腔1產生光聲信號，傳輸至數(shù)據處理模塊12,此時 將10.571um和10.611um時獲得的兩個光聲信號帶入
計算，就可以獲得被測氣體的濃度，并由數(shù)據處理模塊12顯示出來，從而實現(xiàn)了 SF6氣體濃 度的自校準測量。
[0041] 圖2示出了本發(fā)明提供的基于C02激光器的自校準測量SF6濃度的裝置中光聲腔的 裝配圖，窗鏡壓圈通過其上均布的四顆M6螺絲與緩沖室外側連接，以將窗鏡壓于緩沖室上， 緩沖室中間的螺孔擰上2分管螺紋與外部外徑為8_的氣管相連，緩沖室內側同樣由均布的 四顆M6螺絲與蓋板連接，蓋板則由螺紋與共振腔擰接，整個光聲腔的連接部分都通過0型密 封圈實現(xiàn)密封。
[0042]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含 在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于C〇2激光器的自校準測量SF6濃度的裝置，其特征在于，包括:光聲腔（1)、波 長可調諧的C〇2激光器(9)、偏振衰減片(8)、信號發(fā)生器(13)和數(shù)據處理模塊(12); 所述波長可調諧的C〇2激光器(9)、所述偏振衰減片(8)和所述光聲腔（1)依次共軸設置； 所述信號發(fā)生器(13)的第一輸出端與所述波長可調諧的C〇2激光器(9)的調制端連接，所述 數(shù)據處理模塊(12)的第一輸入端與所述信號發(fā)生器（13)的第二輸出端連接，所述數(shù)據處理 模塊(12)的第二輸入端與所述光聲腔(1)的輸出端連接。2. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于，工作時，所述波長可調諧的C〇2激光器(9) W信 號發(fā)生器（13)產生的方波信號調制輸出激光，受調制的激光經所述偏振衰減片(8)衰減后 進入所述光聲腔（1)中，由于光聲效應在腔內產生聲壓波動在共振腔內放大增強，并轉化為 電信號，再傳輸給所述數(shù)據處理模塊（12)，所述波長可調諧的C〇2激光器(9)調諧至另一波 長并重復上述測量過程，最終由數(shù)據處理模塊(12)計算并獲得被測Sro氣體的濃度。3. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述光聲腔（1)包括共振腔(2)、緩沖室(3)、 進氣口（5)、出氣口（6)、窗鏡(7)和麥克風(4);麥克風(4)位于共振腔(2)的中點，共振腔(2) 兩側分別有一緩沖室(3)，緩沖室(3)中點有螺紋孔作為進出氣口，在兩緩沖(3)室外側分別 有窗鏡(7)與外部空間分隔； 所述共振腔(2)用于對光聲信號進行共振放大;所述緩沖室(3)用于消減外部噪聲的干 擾;所述進氣口（5)和所述出氣口（6)用于被檢測氣體的流通;所述麥克風(4)用于檢測光聲 效應產生的聲壓信號并轉換為電信號。4. 如權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述共振腔(2)為空屯、圓柱，其內徑為6mm，全 長 160mm。5. 如權利要求3或4所述的裝置，其特征在于，所述緩沖室（3)為空屯、圓柱，其內徑為 50mm，長度為80mm。6. 如權利要求3或4所述的裝置，其特征在于，所述窗鏡(7)為圓柱狀，其直徑為25.4mm、 厚度為3mm。7. 如權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述窗鏡(7)的材料為化Se材質。8. 如權利要求1-7任一項所述的裝置，其特征在于，所述波長可調諧的C〇2激光器(9)包 括衍射光柵（10)和壓電陶瓷（11);衍射光柵（10)和壓電陶瓷（11)光學共軸，且位于激光器 內部的兩端;衍射光柵(10)用于實現(xiàn)激光波長的可調諧，壓電陶瓷(11)用于實現(xiàn)穩(wěn)頻輸出； 其輸出光束波長在9.174皿~10.835皿內可調，輸出光束振幅可由PWM波調制。9. 如權利要求1-8任一項所述的裝置，其特征在于，偏振衰減片(8)在0~100%內連續(xù) 可調。10. -種基于權利要求1所述的裝置的C〇2激光器的自校準測量SF6濃度的方法，其特征 在于，包括下述步驟： (1) 波長可調諧的C〇2激光器W信號發(fā)生器產生的方波信號調制輸出激光，受調制的激 光經衰減片衰減后進入光聲腔中，由于光聲效應在腔內產生聲壓波動在共振腔內放大增 強，并通過麥克風4測得光聲信號SPAi，再傳輸給數(shù)據處理模塊； (2) 波長可調諧的C〇2激光器調諧至另一波長并重復上述測量過程，測得光聲信號SPA2， 將測得的兩個光聲信號在數(shù)據處理模塊中進行如下計算= 從而實現(xiàn)SF6濃度的自校準測量； 其中，T為溫度、Pg為氣壓、ClGG為光聲腔常數(shù)、Pi為光功率、F為麥克風靈敏度、g(V-V〇)為 氣體歸一化線型函數(shù)、Spa為光聲信號、S為氣體分子線吸收強度。
【文檔編號】G01N21/17GK106092899SQ201610370096
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】陳寶錠, 王新兵
【申請人】華中科技大學