【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于痕量气体检测，尤其涉及一种基于光纤放大器结构的变压器油中多组分气体检测装置和方法。
技术介绍
1、在电力物联网和智能电网建设中，实时诊断电气设备的故障类型及老化状态，是保证电网系统安全运行和实现电力设备高效检修的关键。油中溶解气体分析技术已被普遍认为是检测电力变压器初期故障的可靠方法。在众多气体检测方法中，光声光谱技术由于具有高灵敏性、高选择性、快速响应、在线监测、无耗材、可同时测量多种气体等优点成为变电设备油气监测在线检测的首选。
2、光声光谱技术基于光声效应，使用对应气体吸收谱线的调制激光，穿过待测气体，形成周期性的热源，从而形成周期性的压力变化，即声波，声波经光声池放大后被传声器接收，再由锁相放大器提取出信号的幅值，幅值大小与气体浓度呈线性关系。相同气体浓度下，信号幅值越大则灵敏度越高。信号的大小与气体吸收谱线、激光功率、光声池等因素密切相关。吸收谱线越强、光功率越大，光声池谐振效果越强，则信号强度越大。
3、由于气体在中远红外波段的吸收谱线强度比近红外波段强两到三个数量级，因此，很多光声光谱方案集中在中远红外波段，但是都存在一些问题。使用中远红外的宽谱光源搭配斩波器和滤光片的方案交叉干扰大；机械振动导致噪声大，寿命短。基于中红外量子级联激光器的方案交叉干扰小、灵敏度高，但是一个激光器对应一种气体，六种气体需要六支激光器，而中红外量子级联激光器单支价格在十万以上，高昂的成本限制了其在工程产品上的使用。因此，价格低廉的近红外分布式反馈(dfb)激光器成为备受瞩目的选择。
4、
5、公开号为cn203929632u的申请名为“基于光谱分析的变压器油中多组分气体检测装置”，其包括波长可调光源、气室、光电探测器、信号采集处理电路及计算机，气室用于存放含有多种气体的变压器油，波长可调光源通过输入光纤与气室连接，气室通过输出光纤与光电探测器连接，光电探测器经信号采集处理电路与计算机连接。其结构简单、成本低廉，采用时分复用思想，实现变压器油中多组分气体的快速可靠检测。但是其结构存在如下缺陷：叉干扰大，机械振动导致噪声大，寿命短。
6、因此，开发一种能覆盖所有气体吸收谱线的光纤放大器方案，将能放大所有气体吸收波长的激光，显著提升油气监测设备的灵敏度，促进光声光谱仪在油气监测领域的普及。
技术实现思路
1、针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于光纤放大器结构的变压器油中多组分气体检测装置和方法，实现对所有气体吸收波长的放大，以解决现有光声光谱技术中远红外方案交叉干扰大、价格昂贵，近红外方案灵敏度不足的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于光纤放大器的变压器油中多组分气体检测装置，其包括至少六支不同的激光器，两两不同的激光器形成一组，同一组的激光器通过波分复用器合束后输入到同一路光纤，其中，
3、至少两路光纤为双包层铒镱共掺光纤，双包层铒镱共掺光纤上设置有激光泵浦源，多路双包层铒镱共掺光纤输出的激光被合束后输入光声池一侧，在光声池内引起待测气体吸收，
4、至少一路光纤为保偏光纤，保偏光纤从光声池另一侧输入，在光声池内引起待测气体吸收，
5、所述光声池一侧和所述光声池另一侧相对设置，所述光声池一侧设置有第二自聚焦透镜所述光声池另一侧设置有第一自聚焦透镜，第二自聚焦透镜和第一自聚焦透镜相对设置且位置齐平，
6、对光声池中光声效应产生的声音信号进行探测、采集和数据处理，获得待测气体浓度。
7、进一步的，至少六支不同的激光器包括波长为1532.83nm的第一dfb激光器，用于检测乙炔气体，波长为1566.64nm的第二dfb激光器，用于检测一氧化碳气体，波长为1572.34nm的第三dfb激光器，用于检测二氧化碳气体，波长为1620.44nm的第四dfb激光器，用于检测乙烯气体，波长为1653.72nm的第五dfb激光器，用于甲烷气体检测，波长为1683.16nm的第六dfb激光器，用于乙烷气体检测。
8、进一步的，第一dfb激光器和第二dfb激光器形成一组，经过第一波复用器合束后依次传输进入第一光纤隔离器、第一泵浦合束器、第一双包层铒镱共掺光纤、第一光纤光栅、第三双包层铒镱共掺光纤、第一泵浦剥除器、第三光纤隔离器和第五波分复用器，第一泵浦合束器连接第一激光泵浦源，第一激光泵浦源为915nm激光泵浦源。
9、进一步的，第三dfb激光器和第四dfb激光器形成一组，经过第二波复用器合束后依次传输进入第二光纤隔离器、第二泵浦合束器、第二双包层铒镱共掺光纤、第二光纤光栅、第四双包层铒镱共掺光纤、第二泵浦剥除器、第五光纤隔离器和第五波分复用器，第二泵浦合束器连接第二激光泵浦源，第二激光泵浦源为915nm激光泵浦源。
10、进一步的，第五dfb激光器和第六dfb激光器形成一组，经过第三波复用器合束后依次传输进入第三光纤隔离器、第四波复用器和保偏光纤，最后经第一自聚焦透镜到达光声池。
11、进一步的，第一dfb激光器和第二dfb激光器合束的激光、第三dfb激光器和第四dfb激光器合束的激光同时经第五波分复用器后再次合束，并传输至第六波分复用器，最后经第二自聚焦透镜达到光声池。
12、进一步的，第一光纤光栅和第二光纤光栅对中心波长1050nm、带宽20nm范围的激光表现为斜向反射，用于滤除铒镱共掺光纤中1um波段的自发辐射，并使信号光的光功率被进一步放大。
13、进一步的，其还包括微音器、数据采集卡和计算处理单元，并且，光声池包含谐振腔、缓冲腔、气体流入通道、气体流出通道和镀增透膜的窗口片，其中，谐振腔只有一个，位于光声池的中部，且谐振腔上具有开口，开口用于放置微音器，光声池两端分别具有缓冲腔，气体流入和流出通道分别位于两端缓冲腔上，镀增透膜的窗口片设置在光声池侧壁上，用于减少激光损耗，增大光声效应，同时减少噪声，微音器用于探测光声池内光声效应产生的声音信号，并传输到数据采集卡，数据采集卡用于采集微音器探测的声音信号，并传输至计算处理单元，计算处理单元用于根据声音信号得到待测气体浓度。
14、按照本专利技术的第二个方面，还提供如上所述的基于光纤放大器的变压器油中多组分气体检测装置的检测方本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于光纤放大器的变压器油中多组分气体检测装置，其特征在于，其包括至少六支不同的激光器，两两不同的激光器形成一组，同一组的激光器通过波分复用器合束后输入到同一路光纤，其中，
2.如权利要求1所述的基于光纤放大器的变压器油中多组分气体检测装置，其特征在于，至少六支不同的激光器包括波长为1532.83nm的第一DFB激光器(1-1)，用于检测乙炔气体，波长为1566.64nm的第二DFB激光器(1-2)，用于检测一氧化碳气体，波长为1572.34nm的第三DFB激光器(1-3)，用于检测二氧化碳气体，波长为1620.44nm的第四DFB激光器(1-4)，用于检测乙烯气体，波长为1653.72nm的第五DFB激光器(1-5)，用于甲烷气体检测，波长为1683.16nm的第六DFB激光器(1-6)，用于乙烷气体检测。
3.如权利要求2所述的基于光纤放大器的变压器油中多组分气体检测装置，其特征在于，第一DFB激光器(1-1)和第二DFB激光器(1-2)形成一组，经过第一波复用器(2-1)合束后依次传输进入第一光纤隔离器(3-1)、第一泵浦合束器(5-1)、第一
4.如权利要求3所述的基于光纤放大器的变压器油中多组分气体检测装置，其特征在于，第三DFB激光器(1-3)和第四DFB激光器(1-4)形成一组，经过第二波复用器(2-2)合束后依次传输进入第二光纤隔离器(3-2)、第二泵浦合束器(5-2)、第二双包层铒镱共掺光纤(6-2)、第二光纤光栅(8-2)、第四双包层铒镱共掺光纤(6-4)、第二泵浦剥除器(9-2)、第五光纤隔离器(3-5)和第五波分复用器(2-5)，第二泵浦合束器(5-2)连接第二激光泵浦源(4-2)，第二激光泵浦源(4-2)为915nm激光泵浦源。
5.如权利要求4所述的基于光纤放大器的变压器油中多组分气体检测装置，其特征在于，第五DFB激光器(1-5)和第六DFB激光器(1-6)形成一组，经过第三波复用器(2-3)合束后依次传输进入第三光纤隔离器(3-3)、第四波复用器(2-4)和保偏光纤(7)，最后经第一自聚焦透镜(10-1)到达光声池。
6.如权利要求5所述的基于光纤放大器的变压器油中多组分气体检测装置，其特征在于，第一DFB激光器(1-1)和第二DFB激光器(1-2)合束的激光、第三DFB激光器(1-3)和第四DFB激光器(1-4)合束的激光同时经第五波分复用器(2-5)后再次合束，并传输至第六波分复用器(2-6)，最后经第二自聚焦透镜(10-2)达到光声池。
7.如权利要求6所述的基于光纤放大器的变压器油中多组分气体检测装置，其特征在于，第一光纤光栅(8-1)和第二光纤光栅(8-2)对中心波长1050nm、带宽20nm范围的激光表现为斜向反射，用于滤除铒镱共掺光纤中1um波段的自发辐射，并使信号光的光功率被进一步放大。
8.如权利要求7所述的基于光纤放大器的变压器油中多组分气体检测装置，其特征在于，其还包括微音器(12)、数据采集卡(13)和计算处理单元(14)，并且，光声池(11)包含谐振腔、缓冲腔、气体流入通道、气体流出通道和镀增透膜的窗口片，其中，谐振腔只有一个，位于光声池(11)的中部，且谐振腔上具有开口，开口用于放置微音器(12)，光声池(11)两端分别具有缓冲腔，气体流入和流出通道分别位于两端缓冲腔上，镀增透膜的窗口片设置在光声池(11)侧壁上，用于减少激光损耗，增大光声效应，同时减少噪声，微音器(12)用于探测光声池(11)内光声效应产生的声音信号，并传输到数据采集卡(13)，数据采集卡(13)用于采集微音器(12)探测的声音信号，并传输至计算处理单元(14)，计算处理单元(14)用于根据声音信号得到待测气体浓度。
9.如权利要求1-8任一所述的基于光纤放大器的变压器油中多组分气体检测装置的检测方法，其特征在于，
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，第二DFB激光器的正弦波频率与第一DFB激光器的正弦波频率相同，第四DFB激光器和第三DFB激光器的正弦波频率相同，第六DFB激光器和第五DFB激光器的正弦波频率相同，
...【技术特征摘要】
1.一种基于光纤放大器的变压器油中多组分气体检测装置，其特征在于，其包括至少六支不同的激光器，两两不同的激光器形成一组，同一组的激光器通过波分复用器合束后输入到同一路光纤，其中，
2.如权利要求1所述的基于光纤放大器的变压器油中多组分气体检测装置，其特征在于，至少六支不同的激光器包括波长为1532.83nm的第一dfb激光器(1-1)，用于检测乙炔气体，波长为1566.64nm的第二dfb激光器(1-2)，用于检测一氧化碳气体，波长为1572.34nm的第三dfb激光器(1-3)，用于检测二氧化碳气体，波长为1620.44nm的第四dfb激光器(1-4)，用于检测乙烯气体，波长为1653.72nm的第五dfb激光器(1-5)，用于甲烷气体检测，波长为1683.16nm的第六dfb激光器(1-6)，用于乙烷气体检测。
3.如权利要求2所述的基于光纤放大器的变压器油中多组分气体检测装置，其特征在于，第一dfb激光器(1-1)和第二dfb激光器(1-2)形成一组，经过第一波复用器(2-1)合束后依次传输进入第一光纤隔离器(3-1)、第一泵浦合束器(5-1)、第一双包层铒镱共掺光纤(6-1)、第一光纤光栅(8-1)、第三双包层铒镱共掺光纤(6-3)、第一泵浦剥除器(9-1)、第三光纤隔离器(3-4)和第五波分复用器(2-5)，第一泵浦合束器(5-1)连接第一激光泵浦源(4-1)，第一激光泵浦源(4-1)为915nm激光泵浦源。
4.如权利要求3所述的基于光纤放大器的变压器油中多组分气体检测装置，其特征在于，第三dfb激光器(1-3)和第四dfb激光器(1-4)形成一组，经过第二波复用器(2-2)合束后依次传输进入第二光纤隔离器(3-2)、第二泵浦合束器(5-2)、第二双包层铒镱共掺光纤(6-2)、第二光纤光栅(8-2)、第四双包层铒镱共掺光纤(6-4)、第二泵浦剥除器(9-2)、第五光纤隔离器(3-5)和第五波分复用器(2-5)，第二泵浦合束器(5-2)连接第二激光泵浦源(4-2)，第二激光泵浦源(4-2)为915nm激光泵浦源。
5.如权利要求4所述的基于光纤放大器的变压器油中多组分气体检测装置，其特征在于，第五dfb激光器...
【专利技术属性】
技术研发人员：李微，孟自强，郭文平，张嘉隆，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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