一种基于光纤环形谐振腔的GIS内部SF6分解组分原位检测装置制造方法及图纸

一种基于光纤环形谐振腔的GIS内部SF6分解组分原位检测装置，包括激光单元、入射光光纤耦合单元、光纤环形谐振腔、出射光光纤耦合单元、检测激光与瑞利散射光滤除单元、空间滤波单元、光谱采集单元。本发明专利技术基于表面钻孔的空芯光子带隙光纤，实现待测气体在GIS内部的原位检测，并提高拉曼散射有效收集效率，大幅增强拉曼散射信号强度；基于光纤环形谐振腔，提高空芯光子带隙光纤内部激光功率，进一步提高拉曼散射信号强度。能实现GIS内部SF6分解组分的原位检测，能较好的应用于GIS内部SF6分解组分测领域。

An in-situ detection device for SF6 decomposition components in GIS based on optical fiber ring resonator

An in-situ detection device for SF6 decomposition components in GIS based on optical fiber ring resonator is proposed, which includes laser unit, incident optical fiber coupling unit, optical fiber ring resonator, output optical fiber coupling unit, detection laser and Rayleigh scattering light filtering unit, spatial filtering unit and spectrum acquisition unit. The invention is based on the hollow photonic band gap fiber drilled on the surface, realizes in-situ detection of the gas to be measured in the GIS, improves the effective collection efficiency of Raman scattering, greatly enhances the intensity of Raman scattering signal, and improves the internal laser power of the hollow photonic band gap fiber based on the fiber ring resonator, further enhances the intensity of Raman scattering signal. It can realize in-situ detection of SF6 decomposition components in GIS, and can be better applied in the field of SF6 decomposition components measurement in GIS.

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤环形谐振腔的GIS内部SF6分解组分原位检测装置
本专利技术属于电力设备绝缘在线监测与故障诊断领域，涉及GIS内部SF6分解组分的检测，具体地涉及一种基于光纤环形谐振腔的GIS内部SF6分解组分原位检测装置。
技术介绍
随着超特高压输电战略的发展，SF6气体绝缘组合电器(GIS)在电力装备中的占比日益增加，对其在线监测技术提出了更高要求。由于制造、安装、运输和运行时的缺陷，GIS内部易产生放电和过热故障，导致SF6气体发生分解并产生SO2F2、SOF2、CF4、SO2、H2S、COS和CO2等反映设备内部绝缘缺陷类型、放电水平和绝缘材料老化程度的特征气体组分，降低GIS设备的绝缘性能。对SF6分解特征组分进行有效检测是实现GIS绝缘故障诊断的关键。目前常用的检测方法，如气体检测管法、色谱法、色谱-质谱法、电化学传感器法、离子移动度计、红外吸收光谱法存在检测精度低、色谱柱易老化、气体选择性低、部分分解气体吸收峰交叉干扰等问题，无法应用于现场GIS的在线监测。拉曼光谱技术利用单波长激光可以实现多种气体组分快速同时检测，选择性好、检测灵敏度高，且不需要样品制备和组分分离。但气体拉曼散射截面积小、拉曼散射强度低，导致基于拉曼光谱法的气体最小检测浓度不能满足GIS在线监测的实际需求。提高激光作用功率、激光与气体有效作用路径长度和拉曼散射光子收集效率，可有效提高微量气体拉曼散射强度。因此，研究一种用于提高激光功率、有效作用路径长度和拉曼散射光收集效率的方法及装置，同时能够实现SF6分解特征组分原位检测，对实现GIS全寿命周期管理，提高设备利用率、降低设备检修费用、提升设备运维智能化以及保证电网安全生产具有重大实际意义。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术针对现有技术难以实现GIS内部SF6分解组分原位检测的现状，提出一种基于光纤环形谐振腔的GIS内部SF6分解组分拉曼光谱原位检测的方法及装置，基于表面钻孔的空芯光子带隙光纤，实现待测气体在GIS内部的原位检测，并提高拉曼散射有效收集角度角度，大幅增强拉曼散射信号强度；基于光纤环形谐振腔，提高空芯光子带隙光纤内部激光功率，进一步提高拉曼散射信号强度。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的，一种基于光纤环形谐振腔的GIS内部SF6分解组分原位检测装置，其特征在于：包括激光单元、入射光光纤耦合单元、光纤环形谐振腔、出射光光纤耦合单元、检测激光与瑞利散射光滤除单元、空间滤波单元、光谱采集单元；激光单元发出激光进入入射光光纤耦合单元，经光纤环形谐振腔进入出射光光纤耦合单元，通过检测激光与瑞利散射光滤除单元以及空间滤波单元，最终进入光谱采集单元；其中，所述激光单元用于提供检测所需光源；所述入射光光纤耦合单元用于实现激光耦合进入光纤环形谐振腔并提高耦合效率；所述光纤环形谐振腔用于实现GIS内部SF6分解组分的原位检测，并提高拉曼散射信号强度，其包含光纤耦合器、空芯光子带隙光纤；所述出射光光纤耦合单元用于准直光纤环形谐振腔输出的拉曼散射信号，提高信号收集率；所述检测激光与瑞利散射光滤除单元用于滤除光纤环形谐振腔出射光中的检测激光与瑞利散射光；所述空间滤波单元用于实现空间滤波，提高拉曼散射信号的信噪比；所述信号采集单元用于拉曼信号的采集与检测。进一步地，所述激光单元包含固态激光器、激光扩束器、反射镜A、反射镜B。进一步地，所述激光器输出波长为532nm，功率1.5W，光斑直径1.5mm；所述激光扩束器放大倍率为4倍。进一步地，所述入射光光纤耦合单元包含物镜A、物镜调整架A、光纤耦合器固定装置A、位移平台A、光电探测器。进一步地，所述物镜A放大倍率为50倍；物镜调整架A为5轴可调镜架。进一步地，所述物镜A安装于物镜调整架A中，用于调整物镜A与入射激光的相对位置及相对角度，以提高耦合效率，以提高耦合效率。进一步地，所述出射光光纤耦合单元包含物镜B、物镜调整架B、光纤耦合器固定装置B、位移平台B。进一步地，所述物镜B放大倍率为50倍；物镜调整架B为5轴可调镜架。进一步地，所述物镜B安装于物镜调整架B中，用于调整物镜B与光纤环形谐振腔出射激光的相对位置及相对角度，以提高准直效率。进一步地，所述检测激光与瑞利散射光滤除单元包含滤镜A、滤镜B。进一步地，所述滤镜A为对45°入射光截止波长为533nm的高通滤镜；所述滤镜B为对0°入射光截止波长为533nm的高通滤镜。进一步地，所述空芯光子带隙光纤为以空气孔作为纤芯的光纤，且光纤表面利用飞秒激光器实现纳米级钻孔，孔洞从光纤表面延伸至纤芯。进一步地，所述空芯光子带隙光纤长度为20cm。进一步地，所述光纤耦合器包含两条纤芯熔融的多模光纤，形成4个光纤端口。进一步地，所述光纤耦合器耦合比为99.5％：0.5％。进一步地，所述空芯光子带隙光纤具有表面孔洞，孔洞从光纤表面延伸至纤芯；孔洞半径≤0.65nm，钻孔方式为在光纤侧面进行镜像钻孔，钻一排纳米级孔洞后在对应的一侧进行同等方式钻孔，其钻孔间距为0.01mm，每一排钻孔个数为60-80个；检测时，将空芯光子带隙光纤置于GIS内部，SF6分解的气体分子可以沿光纤表面孔洞进入其空气纤芯，并将空芯光子带隙光纤纤芯作为拉曼检测的气室。进一步地，所述空间滤波单元包含透镜A、透镜B及针孔。进一步地，所述透镜A焦距为25.4mm；所述透镜B焦距为3.1mm；所述针孔直径为50μm。进一步地，所述信号采集单元用于拉曼信号的采集与检测，包含透镜C、透镜位移装置、光谱仪与CCD；光谱仪与CCD用于拉曼散射信号的采集与检测。进一步地，所述透镜C焦距为50.8mm，并安装在3轴可调的透镜位移装置上。进一步地，所述透镜A、透镜B、透镜C均为平凸透镜。由于采用了上述技术方案，本专利技术具有如下的优点：本专利技术能实现GIS内部SF6分解组分的原位检测，并通过光纤环形谐振腔增强拉曼散射收集角度与激光功率，提高拉曼光谱散射信号的强度。本专利技术能较好的应用于GIS内部SF6分解组分测领域。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步的详细描述，其中：图1为基于光纤环形谐振腔的GIS内部SF6分解组分原位检测装置示意图；图2光纤环形谐振腔示意图。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本专利技术，而不是为了限制本专利技术的保护范围。图1所示为基于光纤环形谐振腔的GIS内部SF6分解组分拉曼光谱原位检测装置示意图，包括激光单元、入射光光纤耦合单元、光纤环形谐振腔、出射光光纤耦合单元、检测激光与瑞利散射光滤除单元、空间滤波单元、光谱采集单元。所述激光单元用于提供检测所需光源，包括激光器、激光扩束器反射镜A、反射镜B。所述激光器为固态激光器，功率为1.5W，发出发出波长为532nm，光斑直径为1.5mm的激光，经4倍放大倍率的激光扩束器后扩大为6mm。所述反射镜A、反射镜B对波长为532nm的激光反射率大于99％，用于调整激光器发出激光的位置及角度。激光单元发出的激光将进入入射光光纤耦合单元。所述入射光光纤耦合单元用于实现激光耦合进入光纤环形谐振腔并提高耦合效率，包含物镜A、物镜调整架A、光纤耦合器固定装置A、位移平台A、光电探测器。所述物镜A放大倍率为50倍，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光纤环形谐振腔的GIS内部SF6分解组分原位检测装置，其特征在于：包括激光单元、入射光光纤耦合单元、光纤环形谐振腔、出射光光纤耦合单元、检测激光与瑞利散射光滤除单元、空间滤波单元、光谱采集单元；激光单元发出激光进入入射光光纤耦合单元，经光纤环形谐振腔进入出射光光纤耦合单元，通过检测激光与瑞利散射光滤除单元以及空间滤波单元，最终进入光谱采集单元；其中，所述激光单元用于提供检测所需光源；所述入射光光纤耦合单元用于实现激光耦合进入光纤环形谐振腔并提高耦合效率；所述光纤环形谐振腔用于实现GIS内部SF6分解组分的原位检测，并提高拉曼散射信号强度，其包含光纤耦合器、空芯光子带隙光纤；所述出射光光纤耦合单元用于准直光纤环形谐振腔输出的拉曼散射信号，提高信号收集率；所述检测激光与瑞利散射光滤除单元用于滤除光纤环形谐振腔出射光中的检测激光与瑞利散射光；所述空间滤波单元用于实现空间滤波，提高拉曼散射信号的信噪比；所述信号采集单元用于拉曼信号的采集与检测。

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤环形谐振腔的GIS内部SF6分解组分原位检测装置，其特征在于：包括激光单元、入射光光纤耦合单元、光纤环形谐振腔、出射光光纤耦合单元、检测激光与瑞利散射光滤除单元、空间滤波单元、光谱采集单元；激光单元发出激光进入入射光光纤耦合单元，经光纤环形谐振腔进入出射光光纤耦合单元，通过检测激光与瑞利散射光滤除单元以及空间滤波单元，最终进入光谱采集单元；其中，所述激光单元用于提供检测所需光源；所述入射光光纤耦合单元用于实现激光耦合进入光纤环形谐振腔并提高耦合效率；所述光纤环形谐振腔用于实现GIS内部SF6分解组分的原位检测，并提高拉曼散射信号强度，其包含光纤耦合器、空芯光子带隙光纤；所述出射光光纤耦合单元用于准直光纤环形谐振腔输出的拉曼散射信号，提高信号收集率；所述检测激光与瑞利散射光滤除单元用于滤除光纤环形谐振腔出射光中的检测激光与瑞利散射光；所述空间滤波单元用于实现空间滤波，提高拉曼散射信号的信噪比；所述信号采集单元用于拉曼信号的采集与检测。2.根据权利要求1所述的一种基于光纤环形谐振腔的GIS内部SF6分解组分原位检测装置，其特征在于：所述激光单元包含固态激光器、激光扩束器、反射镜A、反射镜B。3.根据权利要求2所述的一种基于光纤环形谐振腔的GIS内部SF6分解组分原位检测装置，其特征在于：所述激光器输出波长为532nm，功率1.5W，光斑直径1.5mm；所述激光扩束器放大倍率为4倍。4.根据权利要求1所述的一种基于光纤环形谐振腔的GIS内部SF6分解组分原位检测装置，其特征在于：所述入射光光纤耦合单元包含物镜A、物镜调整架A、光纤耦合器固定装置A、位移平台A、光电探测器。5.根据权利要求4所述的一种基于光纤环形谐振腔的GIS内部SF6分解组分原位检测装置，其特征在于：所述物镜A放大倍率为50倍；物镜调整架A为5轴可调镜架。6.根据权利要求4或5所述的一种基于光纤环形谐振腔的GIS内部SF6分解组分原位检测装置，其特征在于：所述物镜A安装于物镜调整架A中，用于调整物镜A与入射激光的相对位置及相对角度，以提高耦合效率，以提高耦合效率。7.根据权利要求1所述的一种基于光纤环形谐振腔的GIS内部SF6分解组分原位检测装置，其特征在于：所述出射光光纤耦合单元包含物镜B、物镜调整架B、光纤耦合器固定装置B、位移平台B。8.根据权利要求7所述的一种基于光纤环形谐振腔的GIS内部SF6分解组分原位检测装置，其特征在于：所述物镜B放大倍率为50倍；物镜调整架B为5轴可调镜架。9.根据权利要求7或8所述的一种基于光纤环形谐振腔的GIS内部SF6分解组分原位检测装置，其特征在于：所述物镜B安装于物镜调整架B中，用于调整物镜B与光纤环形谐振腔出射激光的相对位置及相对角度，以提高准直效率。10.根据权利要求1所述的一种基...

【专利技术属性】
技术研发人员：万福，陈伟根，王建新，周峰，王品一，杜林，谭亚雄，王有元，李剑，黄正勇，王飞鹏，周湶，王稼轩，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50