一种红外光声光谱检测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种红外光声光谱检测系统，它包括：红外光源用于发射红外光；斩波器接收红外光源发射的红外光，并对接收到的红外光进行调制，使红外光进行周期性的变化；滤光片轮与斩波器连接，滤光片轮包括有多个滤光片，滤光片用于滤过待测气体频率的红外光；光声池与滤光片轮进行连接，用于将光信号转换为声信号；微音器与光声池连接，用于将声信号转换为电信并输出至锁相放大器；锁相放大器与微音器连接，用于提取微音器输出电信号中经过斩波器调制后的频率信号，并滤除其他信号。本发明专利技术采用宽频红外光源，结合宽频红外光源和激光光源各自不同的优点对不同的气体进行光声检测，实现整个光声检测系统的最优化。

【技术实现步骤摘要】
一种红外光声光谱检测系统
本专利技术涉及气体检测
，特别是一种红外光声光谱检测系统。
技术介绍
SF6气体绝缘金属封闭电气设备(GIS)具有绝缘强度高、运行安全稳定、利于环境保护、检修周期长、占地面积小和维护工作量小等优点，在电力系统中，尤其是在大中城市城网建设和改造中得到广泛应用。但是从近年的运行情况看，国内外的GIS在运行中都出现了许多问题，主要是其内部不可避免的缺陷引起的故障，一旦故障发生，GIS由于其封闭的结构使得故障的诊断和检修工作的执行非常困难，并且故障会随着运行不断扩大，因此会导致不可估量的经济损失。现有的红外光声检测装置中红外光源一般较弱、红外检测器灵敏度较低，造成微量气体组分的检测非常困难。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术的目的就是提供一种红外光声光谱检测系统，采用宽频红外光源，结合宽频红外光源和激光光源各自不同的优点对不同的气体进行光声检测，实现整个光声检测系统的最优化，达到了很好的检测效果。本专利技术的目的是通过这样的技术方案实现的，一种红外光声光谱检测系统，它包括有：红外光源、斩波器、滤光片轮、光声池、微音器及锁相放大器；所述红外光源用于发射红外光；所述斩波器接收红外光源发射的红外光，并对接收到的红外光进行调制，使红外光进行周期性的变化；所述滤光片轮与所述斩波器连接，所述滤光片轮包括有多个滤光片，所述滤光片用于滤过待测气体频率的红外光；所述光声池与所述滤光片轮进行连接，用于将光信号转换为声信号；所述微音器与所述光声池连接，用于将声信号转换为电信并输出至锁相放大器；所述锁相放大器与所述微音器连接，用于提取微音器输出电信号中经过斩波器调制后的频率信号，并滤除其他信号。进一步，光声池还包括有压力传感器和热电偶；所述压力传感器分别与滤光片轮和微音器连接；所述热电偶与所述微音器连接，且所述热电偶还与热电偶控制器连接，用于测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号。进一步，所述锁相放大器的内部结构连接如下：输入端放大器用于接收输入信号，并将信号放大后输出至带通滤波器；还包括有触发脉冲，所述触发脉冲用于接收参考信号，所述触发脉冲还与移相器连接；所述带通滤波器和移相器均与低通滤波器连接；所述低通滤波器还与所述输出端放大器进行连接，通过所述输出端放大器输出信号。由于采用了上述技术方案，本专利技术具有如下的优点：采用宽频红外光源，结合宽频红外光源和激光光源各自不同的优点对不同的气体进行光声检测，实现整个光声检测系统的最优化，达到了很好的检测效果。本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。附图说明本专利技术的附图说明如下：图1为红外光声光谱检测系统的连接示意图。图2为红外光源及其能量谱图。图3为温度为298K以及压强为0.1MPa下的SO2的红外吸收光谱图。图4为温度为298K以及压强为0.1MPa下的CF4的红外吸收光谱图。图5为温度为298K以及压强为0.1MPa下的CO2的红外吸收光谱图。图6为温度为298K以及压强为0.1MPa下的SF6的红外吸收光谱图。图7为SOF2的红外吸收光谱图。图8为微音器的频率响应曲线图。图9为锁相放大器结构图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。实施例，如图1至图9所示；一种红外光声光谱检测系统，它包括有：红外光源、斩波器、滤光片轮、光声池、微音器及锁相放大器；红外光源用于发射红外光；利用光声技术检测微量气体浓度，要求使用单色光源且功率足够大，单色光源可以是带宽极窄的激光光源，也可以用连续光谱光源配合滤光器件实现。选择光源时需要遵循的原则是：入射光波长必须与被测气体的吸收谱线一致，并且要求避开其他组分吸收谱线的重叠区域。激光光源有足够功率且单色性良好，在痕量气体检测中应用非常广泛，但SF6放电分解组分的红外吸收谱线主要集中在中红外区域，常用的激光器难以满足要求；中红外发光二极管(LED)光源具有效率高、体积小、寿命长以及可脉冲调制等优点，但LED光源产生的光功率通常小于2μW，其激发的光声信号也将非常微弱，从而极大地降低检测灵敏度。所以本专利技术采用的是一种红外辐射光源，能够得到满足检测要求的连续光谱和光功率。SF6气体及其在PD下分解组分的吸收峰大致分布在2μm～20μm的中红外波段，为此本专利技术选择GY-3型红外宽谱光源，GY-3型红外宽谱光源及其能量谱图如图2所示，其发光光谱范围为0.6μm～25μm，可覆盖SF6分解组分标准谱图的吸收峰范围。它采用特殊的线绕红外发光体，并在其表面涂有稳定性较好的膜层材料，不仅增强了系统的稳定性和可靠性，也有效地延长了使用寿命。其主要技术指标见表1。表1GY-3型红外光源主要参数型号工作电压工作电流焦距光面温度光谱范围GY-35V11A130mm1150℃0.6-25μm斩波器接收红外光源发射的红外光，并对接收到的红外光进行调制，使红外光进行周期性的变化；恒定强度的入射光不会激发出光声信号，必须对光强进行一定频率(调制频率需要在音频范围内)的调制才能产生光声信号。光强调制通常有电脉冲式调制和机械斩波调制两种方式：电脉冲式调制主要依靠开断光源的工作电流来实现，一般随调制频率的增大其调制深度急剧减小，调制频率不高。机械斩波调制是利用机械斩波器对光束进行间断性通断来实现，适用于不同波长光束的调制，且具有很高的调制效率。由于红外热辐射光源的发热材料比热容较大，用电脉冲式强度调制很难获得较高的调制频率，因此本专利技术采用机械斩波方式对红外光束进行调制。机械斩波器通常由开有通光孔的斩光盘、转速稳定、可控的电机以及频率控制装置三部分组成，其主要性能参数见表2。表2C-995斩波器主要参数滤光片轮与斩波器连接，滤光片轮包括有多个滤光片，滤光片用于滤过待测气体频率的红外光；检测多组分气体时，要求系统具有良好的选择性。为达到这一目的，必须使用一定波长的入射光对特定被测试样进行激发，由于红外辐射光源产生的是连续光谱，所以需要选择相应的滤光片进行分光。在选择合适的滤光片前，必须先确定SF6气体及其在PD下分解组分的主要吸收峰。根据IEC60480给出的SF6分解组分的标准谱图，各组分的吸收峰大致分布在2μm～20μm的中红外波段，具体如表3所示。表3SF6及其分解组分的典型吸收峰由于HF是强酸性物质，极易与设备金属、绝缘等材料反应生成稳定的氟化物，而SOF4很不稳定，易水解生成SOF2，因此这两种组分都不宜作为PD特征气体进行分析，本系统主要针对较为稳定的SO2、CO2、CF4、SOF2进行检测。为进一步研究被测组分气体的红外吸收特性，根据HITRAN2004红外数据库，采用逐线积分法计算出在温度为298K、压强为0.1MPa下前三种组分和SF6的红外吸收光谱如图3至图6所示，由于SOF2是非常见气体，其吸收光谱参考傅里叶红外分析见图7。通过对比吸收光谱，就可以选定各组分气体的特征吸收峰。特征吸收峰的选取原则：一是要避开各气体的吸收谱线重叠区域以提高系统选择性，二是要选择吸收强度大的吸收峰以提高系统灵敏度。以选定SO2气体特征吸收峰为例，它有两个主要吸收峰，其中一个吸收峰(18.881μm)与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种红外光声光谱检测系统，其特征在于，所述系统包括有红外光源、斩波器、滤光片轮、光声池、微音器及锁相放大器；所述红外光源用于发射红外光；所述斩波器接收红外光源发射的红外光，并对接收到的红外光进行调制，使红外光进行周期性的变化；所述滤光片轮与所述斩波器连接，所述滤光片轮包括有多个滤光片，所述滤光片用于滤过待测气体频率的红外光；所述光声池与所述滤光片轮进行连接，用于将光信号转换为声信号；所述微音器与所述光声池连接，用于将声信号转换为电信并输出至锁相放大器；所述锁相放大器与所述微音器连接，用于提取微音器输出电信号中经过斩波器调制后的频率信号，并滤除其他信号。

【技术特征摘要】
1.一种红外光声光谱检测系统，其特征在于，所述系统包括有红外光源、斩波器、滤光片轮、光声池、微音器及锁相放大器；所述红外光源用于发射红外光；所述斩波器接收红外光源发射的红外光，并对接收到的红外光进行调制，使红外光进行周期性的变化；所述滤光片轮与所述斩波器连接，所述滤光片轮包括有多个滤光片，所述滤光片用于滤过待测气体频率的红外光；所述光声池与所述滤光片轮进行连接，用于将光信号转换为声信号；所述微音器与所述光声池连接，用于将声信号转换为电信并输出至锁相放大器；所述锁相放大器与所述微音器连接，用于提取微音器输出电信号中经过斩波器调制后的频率信号，并滤除其他信号。2.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：苗玉龙，谢刚文，印华，邱妮，张施令，侯雨杉，姚强，吴彬，周艳玲，刘航，胡晓锐，宫林，籍勇亮，
申请(专利权)人：国网重庆市电力公司电力科学研究院，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆,50