一种光声池信号增强检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种光声池信号增强检测系统及方法，包括：主控单元、用于发射激光的调制单元、具有光声增强结构的光学麦克风和采集光声信号的光声池；所述主控单元分别连接调制单元和光学麦克风，光声池分别连接光学麦克风和调制单元；本发明专利技术通过采用二级共振腔放大声学信号的光学麦克风有效提高了其灵敏度，同时通过探测器处探测到与位移相关的光强信号变化，系统被动检测亚埃分辨率的膜位移，通过光学和电子处理非常精确地检测和测量到这种非常微小的变化，无损的得到真实的震源信号，有效提高检测的准确率。高检测的准确率。高检测的准确率。

【技术实现步骤摘要】
一种光声池信号增强检测系统及方法


[0001]本专利技术涉及气体检测领域，尤其是一种光声池信号增强检测系统及方法。

技术介绍

[0002]SF6电气设备(气体绝缘组合电器GIS，气体绝缘变压器GIT，长距离气体绝缘管线GIL，气体绝缘断路器GCB，电缆GIC等)因其良好的绝缘、灭弧介质特性，并且具有占地面积小、运行安全可靠、检修周期长等突出优势而广泛应用于输配电设备领域，工作电压覆盖35kV到1200kV的所有等级。目前SF6电气设备已经占有绝对优势并且还有扩大其应用范围的趋势。SF6电气设备是电力系统的基本组成元件，其工作状况直接关系到电力系统的安全经济运行。
[0003]目前，对于六氟化硫气体绝缘设备内分解产物的在线检测是研究的热点与难点。光谱分析方法因其检测灵敏度高、抗交叉干扰性能优良的特点也被广泛应用于六氟化硫分解产物检测，常用的检测方法有差分吸收光谱技术(DOAS)、非分散红外光谱检测技术(NDIR)、可调谐半导体吸收光谱技术(TDLAS)系统、激光腔衰荡光谱技术(CRDS)、光声光谱技术(PAS)等。
[0004]其中光声光谱痕量气体检测技术(Photoacoustic Spectroscopy PAS)因其灵敏度高、信噪比好、低检测极限、响应时间快速，以及易于在线标校的优势，在电力系统痕量气体检测应用中得到越来越多的应用。
[0005]光声光谱痕量气体检测技术是基于光声效应原理来检测吸收气体浓度，在一个密闭的容器中，当特定红外波段的光束照射一团气体分子时，气体分子选择吸收部分波段的光能。光声池内的气体分子吸收入射光后，从低能态激发到高能态，然后以自发辐射跃迁和无辐射跃迁形式回到低能态。在无辐射跃迁过程中，其能量转化为气体分子的平动动能和转动动能，使气体的温度升高，在气体体积不变的情况下，温度升高压强增大，如果对入射光进行强度或波长调制，吸收气体温度便会以相同频率发生变化，导致气体压强周期性的发生变化。如果调制频率在声频范围内，气体压强周期性变化就会产生光声信号通过微音器检测光声信号，即可得气体浓度的信息。
[0006]其中，光声池是检测系统的关键，一般设置光源开关频率与光声池谐振频率达到一致，使得声音信号达到共振以达到增强声音信号强度的效果，以达到最终更高的检测性能。
[0007]现有技术中，电容式声学传感器最为常见，传感器内置
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个对声
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敏感的电容式驻极体话筒。声波使话筒内的驻极体薄膜振动，导致电容的变化，
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产
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与之对应变化的微
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电压。这
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电压经过前置放大器后被转化成较强的电压信号，经过A/D转换被数据采集器接受，并传送给数字处理系统进行处理，其中常用的是MEMS(微型机电系统)声学传感器，MEMS(微型机电系统)声学传感器是基于MEMS技术制造的微型麦克风和超声波传感器，简单的说就是一个电容器集成在微硅晶片上，其本质仍然是电容式声学传感器，其优点是体积小、批量制造成本低。
[0008]但受限于材料、制造工艺的限制，如今对传统电容式麦克风关键参数的改进已经达到了极限，难以进行检测灵敏度的改进。光声光谱痕量气体检测技术是将光学能量转换为声学能量，光声信号非常微弱，光声光谱检测技术检测灵敏度的提升非常依赖声学传感器的灵敏，目前检测灵敏度受限于麦克风灵敏度。

技术实现思路

[0009]本专利技术的专利技术目的在于：针对上述存在的问题，提供一种光声池信号增强检测系统及方法；本专利技术解决了光学麦克风检测灵敏度精度不高的问题；解决了检测结果不精准的问题。
[0010]本专利技术采用的技术方案如下：
[0011]一种光声池信号增强检测系统，包括：主控单元、用于发射激光的调制单元、具有光声增强结构的光学麦克风和采集光声信号的光声池；所述主控单元分别连接调制单元和光学麦克风，光声池分别连接光学麦克风和调制单元；所述主控单元控制调制单元和光学麦克风进行激光的发射和控制激光频率；光声池用于容纳待测气体，并接收调制单元发出的激光并将其放大，再将放大信息传输至光学麦克风进行采集。
[0012]进一步的，所述光学麦克风包括：探测单元、分束器、合束器、环形器、准直器、增强腔体、光学反射膜片和声学能量吸收膜片；分束器与合束器均分别连接探测单元和环形器，准直器一端与环形器连接，另一端位于增强腔体内并与光学反射膜片连接，声学能量吸收膜片位于增强腔体内，且与光学反射膜片之间构成信号放大腔；所述声学能量吸收膜片表面积远大于光学反射膜片的表面积。
[0013]进一步的，所述探测单元包括探测器和激光器，探测器与合束器连接，激光器和分束器连接。
[0014]进一步的，所述光声池包括：光声共振腔、密封镜片、用于进气出气的进气口和出气口、用以固定光学麦克风结构的紧固件、充满被测气体的参考气室和被测气体腔；所述被测气体腔腔体与光学麦克风连接，被测气体腔腔体两端分别与光声共振腔连接，两端的光声共振腔均分别与密封镜片连接，其中一端的光声共振腔连接的密封镜片与参考气室，另一端的光声共振腔连接的密封镜片与空腔，进气口和出气口分别位于光声池侧边两端。
[0015]进一步的，所述调制单元包括气体吸收激光器和光电探测器；气体吸收激光器向被测气体腔发出激光。
[0016]一种光声池信号增强检测方法，包括信号放大步骤和检测步骤，信号放大步骤将震动信号进行放大，使得光学麦克风更容易接收震动信号并进行进一步检测；
[0017]信号放大步骤包括：主控单元控制调制单元，使得气体吸收激光器发出被测气体能够吸收的激光；激光穿过密封镜片后到达光声共振腔；部分激光被被测气体吸收，部分激光穿过气体参考吸收池后射向光电探测器；被测气体在光声共振腔形成共振；声学能量吸收膜片接收声学共振腔内的震动信号，并将震动信号传递至信号放大腔内部，经由信号放大腔内部的气体传输到光学反射膜片处并放大；
[0018]检测步骤包括：主控单元再控制激光器发出功率恒定的激光；经过分束器后被分为两束，其中一束经过合束器射向探测器，另一束通过环形器后导向准直器；最后与分束器分出光源合为一束照向探测器；探测器处的光强信号跟随反射膜的变化产生电信号变化；
根据电信号变化幅度即可反演出气体浓度大小。
[0019]进一步的，所述被测气体在光声共振腔形成共振方法为：被测气体吸收部分激光能量后产生热运动，在调制单元周期性驱动下形成震动，并在光声共振腔形成共振。
[0020]进一步的，所述与分束器分出光源合为一束照向探测器方法为：其中一束激光经过准直器后变为平行光并射向光学反射膜，经过光学反射膜反射后反向射向准直器，并经过光纤导向环形器，再经过环形器导向准直器，与分束器分出光源合为一束照向探测器。
[0021]进一步的，所述放大震动信号方法为：通过声学能量吸收膜片表面积远大于光学反射膜片的表面积结构，光学反射膜处会将膜片处的震动信号成倍放大。
[0022]进一步的，还包括共振频率自校准方法，包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光声池信号增强检测系统，其特征在于，包括：主控单元(1)、用于发射激光的调制单元(2)、具有光声增强结构的光学麦克风(3)和采集光声信号的光声池(4)；所述主控单元(1)分别连接调制单元(2)和光学麦克风(3)，光声池(4)分别连接光学麦克风(3)和调制单元(2)；所述主控单元(1)控制调制单元(2)和光学麦克风(3)进行激光的发射和控制激光频率；光声池(4)用于容纳待测气体，并接收调制单元(2)发出的激光并将其放大，再将放大信息传输至光学麦克风(3)进行采集。2.如权利要求1所述的光声池信号增强检测系统，其特征在于，所述光学麦克风(3)包括：探测单元(31)、分束器(32)、合束器(33)、环形器(34)、准直器(35)、增强腔体(36)、光学反射膜片(37)和声学能量吸收膜片(38)；分束器(32)与合束器(33)均分别连接探测单元(31)和环形器(34)，准直器(35)一端与环形器(34)连接，另一端位于增强腔体(36)内并与光学反射膜片(37)连接，声学能量吸收膜片(38)位于增强腔体(36)内，且与光学反射膜片(37)之间构成信号放大腔(39)；所述声学能量吸收膜片(38)表面积远大于光学反射膜片(37)的表面积。3.如权利要求2所述的光声池信号增强检测系统，其特征在于，所述探测单元(31)包括探测器(311)和激光器(312)，探测器(311)与合束器(33)连接，激光器(312)和分束器(32)连接。4.如权利要求1所述的光声池信号增强检测系统，其特征在于，所述光声池(4)包括：光声共振腔(41)、密封镜片(42)、用于进气出气的进气口(43)和出气口(44)、用以固定光学麦克风(3)结构的紧固件(45)、充满被测气体的参考气室(46)和被测气体腔(48)；所述被测气体腔(48)腔体与光学麦克风(3)连接，被测气体腔(48)腔体两端分别与光声共振腔(41)连接，两端的光声共振腔(41)均分别与密封镜片(42)连接，其中一端的光声共振腔(41)连接的密封镜片(42)与参考气室(46)，另一端的光声共振腔(41)连接的密封镜片(42)与空腔(49)，进气口(43)和出气口(44)分别位于光声池(4)侧边两端。5.如权利要求1所述的光声池信号增强检测系统，其特征在于，所述调制单元(2)包括气体吸收激光器(21)和光电探测器(22)；气体吸收激光器(21)向被测气体腔(48)发出激光。6.一种光声池信号增强检测方法，其特征在于，包括信号放大步骤和检测步骤，信号放大步骤将震动信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：张施令，姚强，赫树开，刘晓波，钱进，颜湘莲，何洁，宫林，邓保家，
申请(专利权)人：河南省日立信股份有限公司国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司中国电力科学研究院有限公司国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：