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一种高灵敏气体检测装置及方法

阅读：258发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种高灵敏气体检测装置及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明具体涉及一种高灵敏分解气体检测装置及方法，主要解决了传统SF6分解物检测方法存在易受环境的影响、稳定性差、检测灵敏度低和不同气体之间存在交叉影响的技术问题。本发明通过巧妙地设计差分结构的光声池，有效地减低了传感系统的噪声。另外，通过多路时分复用技术，在单个光声池中实现了多路气体的同步检测，能够精确测量的SF6分解物气体的浓度，相对采用宽谱红外光源的传感系统，成本低，探测灵敏度高，选择性好，可以满足目前电力系统中对SF6分解物的实际探测需求。，下面是一种高灵敏气体检测装置及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高灵敏气体检测装置，其特征在于：包括光声池(1)、差分放大器(2)、锁相放大器(3)、计算机系统(4)、第一函数发生器(5)、第二函数发生器(6)、加法器(7)、激光驱动板(8)、近红外激励光源(9)、光纤放大器(10)和光束准直器(11)，所述第一函数发生器(5)和第二函数发生器(6)信号输出端分别连接加法器(7)两个信号输入端，加法器(7)的输出端连接激光驱动板(8)的电流驱动口，激光驱动板(8)的电流输出连接近红外激励光源(9)的电流输入端，近红外激励光源(9)输出的激光通过光纤连接到光纤放大器(10)的光束输入端口，光纤放大器(10)的光束输出端口通过光纤连接到光束准直器(11)，光束准直器(11)输出的光束经过光声池(1)的一个共振腔，光声池(1)两个麦克风输出信号连接差分放大器(2)的两路输入，差分放大器(2)输出信号送入到锁相放大器(3)的信号输入端，第一函数发生器(5)的同步输出端连接锁相放大器(3)的同步输入端，锁相放大器(3)的信号输出端连接计算机系统(4)的信号输入端；
所述光声池(1)包括壳体(101)、两颗驻极体电容麦克风(102)、两片光学玻璃窗口(103)和两个固定框(104)，在所述壳体(101)的两端口分别设有一个气体缓冲室(105)，在壳体(101)的内腔水平设有两个相互平行的光声共振腔(106)，且使两个光声共振腔(106)的两端口与设置在壳体(101)两端的气体缓冲室(105)连通，在壳体(101)左端的侧壁设有进气孔(107)，且使进气孔(107)与设置在壳体(101)左端的气体缓冲室(105)连通，在壳体(101)右端的侧壁设有出气孔(108)，且使出气孔(108)与设置在壳体(101)右端的气体缓冲室(105)连通，在壳体(101)侧壁的中部并列设有两个麦克风小孔(109)，且使两个麦克风小孔(109)分别与两个光声共振腔(106)连通，两颗驻极体电容麦克风(102)分别设置在两个麦克风小孔(109)上，两片光学玻璃窗口(103)分别通过两个固定框(104)固定在壳体(101)的两端口；
所述每个共振腔长度是50mm，60mm，70mm，80mm，90mm，100mm，110mm或120mm；共振腔直径是5mm，6mm，7mm，8mm，9mm，10mm，11mm或12mm；小孔直径为1mm、1.5mm或2mm；缓冲室的厚度可以为5mm，10mm或15mm。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏气体检测装置，其特征在于：所述两个麦克风小孔(109)相邻设置，其直径为1mm-2mm。
3.根据权利要求2所述的一种高灵敏气体检测装置，其特征在于：在所述固定框(104)与光学玻璃窗口(103)之间、光学玻璃窗口(103)与壳体(101)的端口之间还设有密封圈(110)。
4.一种利用权利要求1-3任一项所述高灵敏气体检测装置进行气体检测的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(a)第一函数发生器(5)输出正弦波调制信号，正弦信号的频率为光声池(1)共振频率的一半，电压峰峰值为近红外激励光源(9)的最佳调制深度，该信号用来对激光波长进行调制，第二函数发生器(6)输出斜坡扫描信号，信号电压的中心对应待测气体的中心吸收线，两路电压信号通过加法器(7)相加后，输入到激光驱动板(8)来驱动近红外激励光源(9)，近红外激励光源(9)的驱动温度保持不变；(b)被波长调制的激光通过光纤跳线，输入近红外波段的光纤放大器(10)的光束输入端口，并使激光输出功率达到1-15瓦特；(c)从光纤放大器(10)的光束输出端输出的高功率的激光通过光束准直器(11)，输出平行光束，并输入到光声池(1)中的一个光声共振腔后，用于激励气体产生光声信号；(d)调制的光声信号被对应的高灵敏的驻极体电容麦克风探测到，并转换为电流信号；(e)微弱的两路电流信号被差分放大器(2)差分放大后，输入到锁相放大器(3)的信号输入端，并且将第一函数发生器(5)的同步信号输入到锁相放大器(3)的同步输入端，锁相放大器(3)的积分时间设置为1s，滤波斜率为12dB/oct，对应的探测带宽为0.25Hz，最后从锁相放大器(3)解调后得到光声信号的幅值S，并传输给计算机系统(4)；(f)光声信号的幅值S和气体浓度D成正比关系，可以记为D＝a×S，其中a是比例系数，通过预先通入已知不同气体的浓度获得，计算机系统(4)通过公式D＝a×S和获得的光声信号的幅值S，即可计算出被测气体的浓度。
5.一种高灵敏气体检测装置，其特征在于：包括光声池(1)、差分放大器(2)、锁相放大器(3)、计算机系统(4)、第一函数发生器(5)、第二函数发生器(6)、加法器(7)、n个激光驱动板(8)、n个不同波长的近红外激励光源(9)、光纤放大器(10)、光束准直器(11)和n路光学开关(12)，所述第一函数发生器(5)和第二函数发生器(6)信号输出端分别连接加法器(7)两个信号输入端，加法器(7)的输出端分别连接n个激光驱动板(8)的电流驱动口，n个激光驱动板(8)的电流输出端分别连接n个不同波长的近红外激励光源(9)的电流输入端，n个不同波长的近红外激励光源(9)输出的激光通过光纤分别连接到n路光学开关(12)的n路输入端口，光学开关(12)的输出端口连接光纤放大器(10)的光束输入端口，光纤放大器(10)的光束输出端口通过光纤连接到光束准直器(11)，光束准直器(11)输出的光束经过光声池(1)的一个共振腔，光声池(1)两个麦克风输出信号连接差分放大器(2)的两路输入，差分放大器(2)输出信号送入到锁相放大器(3)的信号输入端，第一函数发生器(5)的同步输出端连接锁相放大器(3)的同步输入端，锁相放大器(3)的信号输出端连接计算机系统4的信号输入端；
所述光声池(1)包括壳体(101)、两颗驻极体电容麦克风(102)、两片光学玻璃窗口(103)和两个固定框(104)，在所述壳体(101)的两端口分别设有一个气体缓冲室(105)，在壳体(101)的内腔水平设有两个相互平行的光声共振腔(106)，且使两个光声共振腔(106)的两端口与设置在壳体(101)两端的气体缓冲室(105)连通，在壳体(101)左端的侧壁设有进气孔(107)，且使进气孔(107)与设置在壳体(101)左端的气体缓冲室(105)连通，在壳体(101)右端的侧壁设有出气孔(108)，且使出气孔(108)与设置在壳体(101)右端的气体缓冲室(105)连通，在壳体(101)侧壁的中部并列设有两个麦克风小孔(109)，且使两个麦克风小孔(109)分别与两个光声共振腔(106)连通，两颗驻极体电容麦克风(102)分别设置在两个麦克风小孔(109)上，两片光学玻璃窗口(103)分别通过两个固定框(104)固定在壳体(101)的两端口；
所述每个共振腔长度是50mm，60mm，70mm，80mm，90mm，100mm，110mm或120mm；共振腔直径是5mm，6mm，7mm，8mm，9mm，10mm，11mm或12mm；小孔直径为1mm、1.5mm或2mm；缓冲室的厚度可以为5mm，10mm或15mm。
6.根据权利要求5所述的一种高灵敏气体检测装置，其特征在于：所述两个麦克风小孔(109)相邻设置，其直径为1mm-2mm。
7.根据权利要求6所述的一种高灵敏气体检测装置，其特征在于：在所述固定框(104)与壳体(101)的端口之间还设有密封圈(110)。
8.一种利用权利要求5-7任一项所述高灵敏气体检测装置进行气体检测的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(a)第一函数发生器(5)输出正弦波调制信号，正弦信号的频率为光声池(1)共振频率的一半，电压峰峰值为n个不同波长的近红外激励光源(9)的最佳调制深度，该信号用来对激光波长进行调制，第二函数发生器(6)输出斜坡扫描信号，信号电压的中心对应待测气体的中心吸收线，两路电压信号通过加法器(7)相加后，输入到n个激光驱动板(8)来驱动n个不同波长的近红外激励光源(9)，n个不同波长的近红外激励光源(9)的驱动温度保持不变；
(b)n个波长调制的激光被连接到n路光学开关(12)的输入端，由计算机系统(4)控制哪一路输出；(c)从n路光学开关(12)输出的激光光束通过光纤输入近红外波段的光纤放大器(10)的光束输入端口，并使激光输出功率达到1-15瓦特；(d)高功率的激光通过光束准直器(11)后，输出平行光束，并输入到光声池(1)中的一个光声共振腔后，用于激励气体产生光声信号；(e)调制的光声信号被对应的高灵敏的驻极体电容麦克风探测到，并转换为电流信号；
(f)微弱的两路电流信号被差分放大器(2)差分放大后，输入到锁相放大器(3)同步解调，并且将第一函数发生器(5)的同步信号输入到锁相放大器(3)的同步输入端，锁相放大器(3)的积分时间设置为1s，滤波斜率为12dB/oct，对应的探测带宽为0.25Hz，最后从锁相放大器(3)解调后得到光声信号的幅值Sn，并传输给计算机系统(4)；(f)光声信号的幅值Sn和气体浓度Dn成正比关系，可以记为Dn＝an×Sn，其中an是比例系数，通过预先通入已知不同气体的浓度获得，计算机系统(4)通过公式Dn＝an×Sn和获得的光声信号的幅值Sn，即可计算出被测气体的浓度；(h)通过n路光学开关(12)切换不同波长的近红外激励光源(9)，实现对不同气体种类的轮流检测。

说明书全文

一种高灵敏气体检测装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于气体的检测装置及方法技术领域，具体涉及一种高灵敏气体检测装置及方法。

背景技术

[0002] 在国内外电力系统中，由于六氟化硫(SF6)气体具有优良的气体绝缘性和强灭弧性能，通常作为气体绝缘断路器(GCB)、气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)、气体绝缘变压器(GIT)以及气体绝缘线路(GIL)等高压设备中的绝缘气体。纯净的SF6是一种无色、无味、无毒的气体，且在300℃以下时，其化学性质十分稳定。但在高压设备长期运行过程中，由于镀银不均、脱落或者形成氧化层等制造工艺问题，这些的高压设备中的线路接头会产生局部电晕、火花或者电弧放电，最终引起设备局部过热性故障，并使SF6气体发生分解。SF6分解组分与设备中的微量水蒸气(H2O)、氧气(O2)等杂质发生一系列复杂的化学反应，并生成H2S、SO2、SF4、CO、CF4和SOF2等分解物质，这些分解物会腐蚀绝缘材料，加速绝缘老化，形成更严重的过热性故障，甚至最终导致设备崩溃。

[0003] 对SF6气体分解物的浓度探测是高压设备故障诊断的重要方法之一，可以用来判断绝缘设备的故障类型。传统的SF6分解物检测方法主要有气相色谱法、检测管法和电化学传感法等，但这些方法易受环境的影响，稳定性差，检测灵敏度低，且不同气体之间存在交叉影响。近年来，基于红外光学的气体检测技术因具有选择性好，寿命长，灵敏度高等优点，开始被应用于痕量气体检测中。但是现有的基于光学的SF6分解物检测技术仍然存在不足，例如专利申请号(201010295554.0)中，需要利用采气袋采气，不能实时监测气体浓度，且该装置体积庞大，需要人工操作示波器读数，不便于现场自动检测；专利申请号(CN201210379772.1)和(CN201210216101.3)中，都采用宽谱的中红外光源来检测SF6分解物，其本质是利用不同的被测气体在红外光谱区域有各自的特征吸收谱，并被用来区别和检测被测气体的种类和浓度。微量的SF6气体在红外波段与其分解气体没有重叠的特征吸收谱，但在高压设备中，SF6气体作为绝缘气体，其浓度一般大于99％。经过实验证明，高浓度的SF6背景气体在中红外波段具有明显的、连续的吸收谱线，因此在检测微量的SF6分解气体时，会受高浓度的SF6气体吸收影响，造成探测灵敏度很差，无法精确实时地探测SF6分解气体，从而不能满足实际应用需要。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为了解决传统的SF6分解物检测方法存在易受环境的影响、稳定性差、检测灵敏度低和不同气体之间存在交叉影响的技术问题，提供高灵敏SF6分解气体检测装置及方法。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

[0006] 一种高灵敏SF6分解气体检测装置，包括光声池、差分放大器、锁相放大器、计算机系统、第一函数发生器、第二函数发生器、加法器、激光驱动板、近红外激励光源、光纤放大器和光束准直器，所述第一函数发生器和第二函数发生器信号输出端分别连接加法器两个信号输入端，加法器的输出端连接激光驱动板的电流驱动口，激光驱动板的电流输出连接近红外激励光源的电流输入端，近红外激励光源输出的激光通过光纤连接到光纤放大器的光束输入端口，光纤放大器的光束输出端口通过光纤连接到光束准直器，光束准直器输出的光束经过光声池的一个共振腔，光声池两个麦克风输出信号连接差分放大器的两路输入，差分放大器输出信号送入到锁相放大器的信号输入端，第一函数发生器的同步输出端连接锁相放大器的同步输入端，锁相放大器的信号输出端连接计算机系统的信号输入端。

[0007] 所述光声池包括壳体、两颗驻极体电容麦克风、两片光学玻璃窗口和两个固定框，在所述壳体的两端口分别设有一个气体缓冲室，在壳体的内腔水平设有两个相互平行的光声共振腔，且使两个光声共振腔的两端口与设置在壳体两端的气体缓冲室连通，在壳体左端的侧壁设有进气孔，且使进气孔与设置在壳体左端的气体缓冲室连通，在壳体右端的侧壁设有出气孔，且使出气孔与设置在壳体右端的气体缓冲室连通，在壳体侧壁的中部并列设有两个麦克风小孔，且使两个麦克风小孔分别与两个光声共振腔连通，两颗驻极体电容麦克风分别设置在两个麦克风小孔上，两片光学玻璃窗口分别通过两个固定框固定在壳体的两端口。

[0008] 每个共振腔长度可以是50mm，60mm，70mm，80mm，90mm，100mm，110mm，120mm；共振腔直径可以是5mm，6mm，7mm，8mm，9mm，10mm，11mm，12mm；小孔直径可以为1mm、1.5mm或2mm；缓冲室的厚度可以为5mm，10mm或15mm。

[0009] 所述两个麦克风小孔相邻设置，其直径为1mm-2mm。

[0010] 在所述固定框与光学玻璃窗口之间、光学玻璃窗口与壳体的端口之间还设有密封圈。

[0011] 对称的双共振腔结构对共模噪声有很强的抑制能力，能够有效消除气流噪声、窗口噪声、外部电磁干扰噪声。两个气体缓冲室使共振腔成为开腔-开腔结构，在这种结构中，腔内声波能够形成一次纵向驻波模式，其两个波节，即声压最小处，位于共振腔两端，波腹，即声压最大处，位于共振腔轴向中心，这样可以把麦克风装配在共振腔轴向中心。从共振腔顶端并列安装麦克风能够使两个麦克风相邻很近，缩短了信号线长度，减小了外界噪声窜入的机率。进气口和出气口开在缓冲气室顶端可以减少气流噪声对共振腔的干扰。

[0012] 光学玻璃窗口材质可以选择透红外的氟化钙，也可以选择镀增透膜的K9玻璃。驻极体电容麦克风选用灵敏度大于-30dB，小于-20dB。

[0013] 一种利用所述高灵敏SF6分解气体检测装置进行气体检测的方法，包括以下步骤：

[0014] (a)第一函数发生器输出正弦波调制信号，正弦信号的频率为光声池共振频率的一半，电压峰峰值为近红外激励光源的最佳调制深度，该信号用来对激光波长进行调制，第二函数发生器输出斜坡扫描信号，信号电压的中心对应待测气体的中心吸收线，两路电压信号通过加法器相加后，输入到激光驱动板来驱动近红外激励光源，近红外激励光源的驱动温度保持不变；(b)被波长调制的激光通过光纤跳线，输入近红外波段的光纤放大器的光束输入端口，并使激光输出功率达到1-15瓦特；(c)从光纤放大器的光束输出端输出的高功率的激光通过光束准直器，输出平行光束，并输入到光声池中的一个光声共振腔后，用于激励气体产生光声信号；(d)调制的光声信号被对应的高灵敏的驻极体电容麦克风探测到，并转换为电流信号；(e)微弱的两路电流信号被差分放大器差分放大后，输入到锁相放大器的信号输入端，并且将第一函数发生器的同步信号输入到锁相放大器的同步输入端，锁相放大器的积分时间设置为1s，滤波斜率为12dB/oct，对应的探测带宽为0.25Hz，最后从锁相放大器解调后得到光声信号的幅值S，并传输给计算机系统；(f)光声信号的幅值S和气体浓度D成正比关系，可以记为D＝a×S，其中a是比例系数，通过预先通入已知不同气体的浓度获得，计算机系统通过公式D＝a×S和获得的光声信号的幅值S，即可计算出被测气体的浓度。

[0015] 一种高灵敏SF6分解气体检测装置，包括光声池、差分放大器、锁相放大器、计算机系统、第一函数发生器、第二函数发生器、加法器、n个激光驱动板、n个不同波长的近红外激励光源、光纤放大器、光束准直器和n路光学开关，所述第一函数发生器和第二函数发生器信号输出端分别连接加法器两个信号输入端，加法器的输出端分别连接n个激光驱动板的电流驱动口，n个激光驱动板的电流输出端分别连接n个不同波长的近红外激励光源的电流输入端，n个不同波长的近红外激励光源输出的激光通过光纤分别连接到n路光学开关的n路输入端口，光学开关的输出端口连接光纤放大器的光束输入端口，光纤放大器的光束输出端口通过光纤连接到光束准直器，光束准直器输出的光束经过光声池的一个共振腔，光声池两个麦克风输出信号连接差分放大器的两路输入，差分放大器输出信号送入到锁相放大器的信号输入端，第一函数发生器的同步输出端连接锁相放大器的同步输入端，锁相放大器的信号输出端连接计算机系统的信号输入端。

[0016] 所述光声池包括壳体、两颗驻极体电容麦克风、两片光学玻璃窗口和两个固定框，在所述壳体的两端口分别设有一个气体缓冲室，在壳体的内腔水平设有两个相互平行的光声共振腔，且使两个光声共振腔的两端口与设置在壳体两端的气体缓冲室连通，在壳体左端的侧壁设有进气孔，且使进气孔与设置在壳体左端的气体缓冲室连通，在壳体右端的侧壁设有出气孔，且使出气孔与设置在壳体右端的气体缓冲室连通，在壳体侧壁的中部并列设有两个麦克风小孔，且使两个麦克风小孔分别与两个光声共振腔连通，两颗驻极体电容麦克风分别设置在两个麦克风小孔上，两片光学玻璃窗口分别通过两个固定框固定在壳体的两端口。

[0017] 每个共振腔长度可以是50mm，60mm，70mm，80mm，90mm，100mm，110mm，120mm；共振腔直径可以是5mm，6mm，7mm，8mm，9mm，10mm，11mm，12mm；小孔直径可以为1mm、1.5mm或2mm；缓冲室的厚度可以为5mm，10mm或15mm。

[0018] 所述两个麦克风小孔相邻设置，其直径为1mm-2mm。

[0019] 在所述固定框与光学玻璃窗口之间、光学玻璃窗口与壳体的端口之间还设有密封圈。

[0020] 对称的双共振腔结构对共模噪声有很强的抑制能力，能够有效消除气流噪声、窗口噪声、外部电磁干扰噪声。两个气体缓冲室使共振腔成为开腔-开腔结构，在这种结构中，腔内声波能够形成一次纵向驻波模式，其两个波节，即声压最小处，位于共振腔两端，波腹，即声压最大处，位于共振腔轴向中心，这样可以把麦克风装配在共振腔轴向中心。从共振腔顶端并列安装麦克风能够使两个麦克风相邻很近，缩短了信号线长度，减小了外界噪声窜入的机率。进气口和出气口开在缓冲气室顶端可以减少气流噪声对共振腔的干扰。

[0021] 光学玻璃窗口材质可以选择透红外的氟化钙，也可以选择镀增透膜的K9玻璃。驻极体电容麦克风选用灵敏度大于-30dB，小于-20dB。

[0022] 一种利用所述高灵敏SF6分解气体检测装置进行气体检测的方法，包括以下步骤：

[0023] (a)第一函数发生器输出正弦波调制信号，正弦信号的频率为光声池共振频率的一半，电压峰峰值为n个不同波长的近红外激励光源的最佳调制深度，该信号用来对激光波长进行调制，第二函数发生器输出斜坡扫描信号，信号电压的中心对应待测气体的中心吸收线，两路电压信号通过加法器相加后，输入到n个激光驱动板来驱动n个不同波长的近红外激励光源，n个不同波长的近红外激励光源的驱动温度保持不变；(b)n个波长调制的激光被连接到n路光学开关的输入端，由计算机系统控制哪一路输出；(c)从n路光学开关输出的激光光束通过光纤输入近红外波段的光纤放大器的光束输入端口，并使激光输出功率达到1-15瓦特；(d)高功率的激光通过光束准直器后，输出平行光束，并输入到光声池中的一个光声共振腔后，用于激励气体产生光声信号；(e)调制的光声信号被对应的高灵敏的驻极体电容麦克风探测到，并转换为电流信号；(f)微弱的两路电流信号被差分放大器差分放大后，输入到锁相放大器同步解调，并且将第一函数发生器的同步信号输入到锁相放大器的同步输入端，锁相放大器的积分时间设置为1s，滤波斜率为12dB/oct，对应的探测带宽为
0.25Hz，最后从锁相放大器解调后得到光声信号的幅值Sn，并传输给计算机系统；(f)光声信号的幅值Sn和气体浓度Dn成正比关系，可以记为Dn＝an×Sn，其中an是比例系数，通过预先通入已知不同气体的浓度获得，计算机系统通过公式Dn＝an×Sn和获得的光声信号的幅值Sn，即可计算出被测气体的浓度；(h)通过n路光学开关切换不同波长的近红外激励光源，实现对不同气体种类的轮流检测。

[0024] 本发明的设计理论依据如下：

[0025] SF6分解气体检测装置的灵敏度由信噪比(S/N，S是信号幅值，N是噪声)来决定。为获得较高的灵敏度，一方面可以提高信号幅值，另一方面可以降低噪声。本发明中通过巧妙地设计光声池的结构来减低噪声，并采用了多种途径来提高传感系统的光声信号幅值。具体的光声池的结构和提升光声信号的途径阐述如下：

[0026] 为降低噪声，光声池的设计采用了双声音共振腔结构。在每一个光声共振腔的纵向中心位置各安装了一颗高灵敏的驻极体电容麦克风，用来探测在声学腔中积累的光声能量，并将光声能量转换为电流信号。两颗麦克风被紧凑地安装在每个光声共振腔的顶部，缩短了电流信号的传输距离，可以防止微弱的电流信号淹没在电磁噪声中。经过实验验证，相邻设置的麦克风结构可以有效地将光声池的噪声降低到0.12μV。相比于非相邻设置的麦克风结构，在相同的待测气体浓度，激励光源等情况下，将气体检测装置的探测灵敏度提高了14倍。在光声共振腔的两侧各有一个气体缓冲室，使该光声共振腔作为开腔结构，且可以有效地减低气流噪声的影响。一个气体缓冲室连接气体进气口，另外一个气体缓冲室连接气体出气口。在每个气体缓冲室的一侧各安装了一面光学窗口，形成密闭腔体，并保证光源进入光声共振腔产生光声信号，并从另一端输出。

[0027] 采用差分配置的共振光声池可以有效地避免气流噪声、窗口噪声以及外围环境电磁噪声干扰，极大地提高光声探测模块的探测信噪比。由于两个完全一样的光学共振腔，麦克风，气体缓冲室以及光学窗口保证了光声池的结构是左右对称的，这样在没有激励光源产生光声信号时，每个麦克风采集到的信号是完全相同的。将两个麦克风的采集电流信号差分放大后，此时理论上，光声池的信号电流输出为零。

[0028] 进一步的，光声池采用了共振式结构，在共振腔中声压模式为一次纵向驻波模式，因此为使光声信号与共振腔的共振频率形成共振，将积累的光声能量达到最大，需要对激励光源进行调制(>1kHz)，这样可以减低1/f噪声的影响。

[0029] 气体检测装置的光声信号幅值S可以表示为：

[0030] S＝CαP0 (1)

[0031] 其中C是光声池常数，α是待测气体分子吸收系数，它与气体浓度和被测气体的吸收线强度成正比，P0是激光光源的输出功率。因此为了提高气体传感系统的光声信号有三种途径可以实现：(1)选择更强的气体吸收线；(2)选择使用更高功率的激励光源；(3)设计制作常数C比较大的光声池。

[0032] 目前，由于光源的波长的限制，利用气体分子的红外吸收光谱对气体浓度进行测量时，一般在以下两个波长区域进行：近红外区域(0.78--2μm)和中红外区域(2--25μm)。气体分子位于中红外区域的基频振动吸收比位于近红外区域的泛频振动吸收要强两到三个数量级，因此中红外区域是最佳的气体探测波段。但是由于SF6气体在中红外有明显的、连续的吸收谱线，对其他气体的测量形成干扰，从而无法使用；另外，中红外波长区域的激光器成本比较高，功率比较低，对运行环境要求比较高，也不利于工业应用推广。但当波长小于3.5微米时，SF6基本上没有吸收，如果能把对SF6分解物的测量放在3.5微米以下的近红外区域，能够很好的解决载气SF6的测量干扰问题，而且其低廉的价格可以极大地降低传感系统的成本。但近红外波长区域的气体吸收系数一般比中红外波段的气体吸收系数低几个数量级，在近红外波段探测意味着较差的灵敏度和较低的测量精度。在本发明中，提高信号幅值的途径(1)已行不通，只能使用途经(2)(3)。

[0033] 近几年随着光纤通信技术的发展，成本低廉的、通讯波段的光纤放大器可以将近红外的激光输出能量泵浦到1-20瓦特量级甚至更高。根据公式(1)，提高功率可以弥补近红外波长区域吸收系数较低的不足，提升光声信号的强度。光声池常数C描述了该光声池的探测能力，常数C可以用下式表示：

[0034]

[0035] 其中，f是共振频率，Q是品质因数，V是共振腔体积，L是共振腔长度，F是激光光束与驻声波模式的空间重叠，σ是背景气体的比热容。C值大小主要受Q因子、共振腔的横截面积(V/L)和载气种类(σ)影响。

[0036] 光声共振腔的Q因子定义为在一个周期内，存储的声波能量与耗散的声波能量比值。Q值越大，光声传感模块常数C越大，因此传感系统的信号也越大。光声探测模块的Q值可由下式计算获得：

[0037]

[0038] 式中，R为共振腔的内径，dv和dh分别为粘性边界层厚度和热边界层厚度，与气体粘性μ、气体密度ρ0、气体导热系数к、摩尔质量M以及气体比热容cp等背景气体的物理常数有关，粘性边界层厚度dv和热边界层厚度dh表达式为：

[0039]

[0040]

[0041] 对同一个光声池，经理论计算和实验验证，对于在N2作为背景气体时低Q的光声池，在SF6背景气体下会自动转变为一个高Q的光声池，进而增加了光声信号，提高探测信噪比。

[0042] 因此尽管本发明采用无干扰的3.5微米以下吸收线较弱的近红外波长区域来对SF6分解物的进行测量，但通过增加激光功率和提高光声池常数，有效提升了在近红外区域的光声信号幅值。

[0043] 值得注意的是，根据等式(1)，激光功率与信号幅值成正比，功率越大，幅值越大。但实际情况下，激光器的功率并不是越大越好。随着激光器输出功率的提高，一方面会出现饱和效应，被测气体信号幅值和功率不在成线性关系，另一方面，激光光束质量开始变差，部分杂散光会打到光声池腔壁，造成系统的噪声增加。图6，显示了不同功率下的CO的信号幅值，随着功率的增长，逐渐出现非线性关系，实验结果显示最佳功率范围为1-15W。随着功率增长，光束直径变大，未获得较低的噪声水平，需要使用直径较大的光声共振腔，根据1-
15W的光束质量，直径范围设置在5-12mm。

[0044] 为保证产生单一的一次纵向驻波模式，光声共振腔的长度需要至少大于其直径的10倍，因此光声共振腔长度被设定在50-120mm，其对应的共振频率为550Hz-1.3kHz。麦克风连接光声共振腔的小孔尺寸不能太小，否则不能把压力有效传递到麦克风上，也不能太大，否则破坏了腔内的一次纵向驻波模式，经过实验验证，1-2mm是最佳直径。

[0045] 本发明采用以上技术方案，与背景技术相比，本发明有益效果为：通过巧妙地设计差分结构的光声池，有效地减低了传感系统的噪声。使用通讯波长区域的近红外光源作为激励光源，并使用光纤放大器将激光的输出功率泵浦到1-15瓦特量级。在保证成本的情况下，用提升激发光功率的方法，弥补了待测气体在近红外波长区域相对与中红外波长区域吸收系数低的劣势，有利于工业应用推广。另外，本发明针对高功率光源带来饱和效应和光束质量变差的情况，分别采用理论模拟和实验验证，获得了最佳的光声共振腔尺寸，提高了传感器的探测灵敏度；针对光声共振腔在不同背景气体中的应用背景，对光声共振腔的Q值进行了理论和实验优化，获得了高Q因子的光声共振腔，进一步提升了传感系统的探测极限。通过多路时分复用技术，在单个光声池中实现了多路气体的同步检测。采用本发明所述的SF6分解物模块、探测装置和方法，采用高功率激励光源和背景气体诱导的高Q光声探测模块，能够精确测量的SF6分解物气体的浓度，相对采用宽谱红外光源的传感系统，成本低，探测灵敏度高，选择性好，可以满足目前电力系统中对SF6分解物的实际探测需求。附图说明

[0046] 图1为本发明单组分SF6分解气体检测装置的结构示意图；

[0047] 图2为本发明多组分SF6分解气体检测装置的结构示意图；

[0048] 图3为本发明光声池外观图；

[0049] 图4和图5为本发明光声池分解图；

[0050] 图6为本发明SF6分解气体检测装置在不同激光功率下的光声信号幅值；

[0051] 图7为发明SF6分解气体检测装置对痕量H2S的探测结果图，柱状图为对应于该波长区域的H2S气体分子线强，待测H2S气体的浓度为25ppm。

具体实施方式

[0052] 实施例1

[0053] 如图1所示，本实施例中的一种高灵敏单组分SF6分解气体检测装置，包括光声池1、差分放大器2、锁相放大器3、计算机系统4、第一函数发生器5、第二函数发生器6、加法器
7、激光驱动板8、硫化氢激光器9、光纤放大器10和光束准直器11，所述第一函数发生器5和第二函数发生器6信号输出端分别连接加法器7两个信号输入端，加法器7的输出端连接激光驱动板8的电流驱动口，激光驱动板8的电流输出连接硫化氢激光器9的电流输入端，硫化氢激光器9输出的激光通过光纤连接到光纤放大器10的光束输入端口，光纤放大器10的光束输出端口通过光纤连接到光束准直器11，光束准直器11输出的光束经过光声池1的一个共振腔，光声池1两个麦克风输出信号连接差分放大器2的两路输入，差分放大器2输出信号送入到锁相放大器3的信号输入端，第一函数发生器5的同步输出端连接锁相放大器3的同步输入端，锁相放大器3的信号输出端连接计算机系统4的信号输入端。

[0054] 如图3-5所示，所述光声池1包括壳体101、两颗灵敏度为-28dB驻极体电容麦克风102、两片氟化钙材质的光学玻璃窗口103和两个固定框104，在所述壳体101的两端口分别设有一个气体缓冲室105，缓冲室的厚度为15mm，在壳体101的内腔水平设有两个相互平行的光声共振腔106，共振腔长度为9mm，直径为6mm，且使两个光声共振腔106的两端口与设置在壳体101两端的气体缓冲室105连通，在壳体101左端的侧壁设有进气孔107，且使进气孔
107与设置在壳体101左端的气体缓冲室105连通，在壳体101右端的侧壁设有出气孔108，且使出气孔108与设置在壳体101右端的气体缓冲室105连通。在壳体101侧壁的中部并列且相邻设有两个麦克风小孔109，小孔直径为2mm，且使两个麦克风小孔109分别与两个光声共振腔106连通，两颗驻极体电容麦克风102分别设置在两个麦克风小孔109上，两片氟化钙光学玻璃窗口103分别通过两个固定框104固定在壳体101的两端口，在所述固定框104与光学玻璃窗口103之间、光学玻璃窗口103与壳体101的端口之间还设有密封圈110。

[0055] 一种利用所述高灵敏单组分SF6分解气体检测装置进行气体检测的方法，包括以下步骤：

[0056] (a)第一函数发生器5输出正弦波调制信号，正弦信号的频率为光声池1共振频率的一半，即896Hz，电压峰峰值为硫化氢激光器9的最佳调制深度，即25mV，该信号用来对激光波长进行调制，第二函数发生器6输出斜坡扫描信号，信号电压的中心电压1.2V对应待测气体的中心吸收线，两路电压信号通过加法器7相加后，输入到激光驱动板8来驱动硫化氢激光器9，硫化氢激光器9的驱动温度保持不变；(b)被波长调制的激光通过光纤跳线，输入近红外波段的光纤放大器10的光束输入端口，并使激光输出功率达到1.5瓦特；(c)从光纤放大器10的光束输出端输出的高功率的激光通过光束准直器11，输出平行光束，并输入到光声池1中的一个光声共振腔后，用于激励气体产生光声信号；(d)调制的光声信号被对应的高灵敏的驻极体电容麦克风探测到，并转换为电流信号；(e)微弱的两路电流信号被差分放大器2差分放大后，输入到锁相放大器3的信号输入端，并且将第一函数发生器5的同步信号输入到锁相放大器3的同步输入端，锁相放大器3的积分时间设置为1s，滤波斜率为12dB/oct，对应的探测带宽为0.25Hz，最后从锁相放大器3解调后得到光声信号的幅值S，并传输给计算机系统4；(f)光声信号的幅值S和气体浓度D成正比关系，可以记为D＝a×S，其中a是比例系数，通过预先通入已知不同气体的浓度获得，计算机系统4通过公式D＝a×S和获得的光声信号的幅值S，即可计算出被测气体的浓度。

[0057] 如图7，为发明SF6分解气体检测装置对痕量H2S的探测结果图，柱状图为对应于该波长区域的H2S气体分子线强。波形图为H2S气体的二次谐波信号，待测H2S气体的浓度为25ppm，通过获取二次谐波的最大值240μV，即可获得比例系数a＝0.104ppm/μV。

[0058] 实施例2

[0059] 如图2所示，本实施例中的一种高灵敏多组分SF6分解气体检测装置，包括光声池1、差分放大器2、锁相放大器3、计算机系统4、第一函数发生器5、第二函数发生器6、加法器
7、两个激光驱动板8、两个不同波长的近红外激励光源9、光纤放大器10、光束准直器11和两路光学开关12，所述第一函数发生器5和第二函数发生器6信号输出端分别连接加法器7两个信号输入端，加法器7的输出端分别连接两个激光驱动板8的电流驱动口，两个激光驱动板8的电流输出端分别连接两个不同波长的近红外激励光源9的电流输入端，两个不同波长的近红外激励光源9输出的激光通过光纤分别连接到两路光学开关12的两路输入端口，光学开关12的输出端口连接光纤放大器10的光束输入端口，光纤放大器10的光束输出端口通过光纤连接到光束准直器11，光束准直器11输出的光束经过光声池1的一个共振腔，光声池
1两个麦克风输出信号连接差分放大器2)两路输入，差分放大器2输出信号送入到锁相放大器3的信号输入端，第一函数发生器5的同步输出端连接锁相放大器3的同步输入端，锁相放大器3的信号输出端连接计算机系统4的信号输入端。

[0060] 如图3-5所示，所述光声池1包括壳体101、两颗灵敏度为-28dB驻极体电容麦克风102、两片氟化钙材质的光学玻璃窗口103和两个固定框104，在所述壳体101的两端口分别设有一个厚度为15mm的气体缓冲室105，在壳体101的内腔水平设有两个相互平行的光声共振腔106，共振腔长度为90mm，直径为6mm，且使两个光声共振腔106的两端口与设置在壳体
101两端的气体缓冲室105连通，在壳体101左端的侧壁设有进气孔107，且使进气孔107与设置在壳体101左端的气体缓冲室105连通，在壳体101右端的侧壁设有出气孔108，且使出气孔108与设置在壳体101右端的气体缓冲室105连通。在壳体101侧壁的中部并列且相邻设有两个麦克风小孔109，且使两个麦克风小孔109分别与两个光声共振腔106连通，两颗驻极体电容麦克风102分别设置在两个麦克风小孔109上，两片光学玻璃窗口103分别通过两个固定框104固定在壳体101的两端口，在所述固定框104与光学玻璃窗口10之间、光学玻璃窗口
103与壳体101的端口之间还设有密封圈110。

[0061] 一种利用所述高灵敏多组分SF6分解气体检测装置进行气体检测的方法，包括以下步骤：

[0062] (a)第一函数发生器5输出正弦波调制信号，正弦信号的频率为896Hz，电压峰峰值为两个不同波长的近红外激励光源9的最佳调制深度，即25mV，该信号用来对激光波长进行调制，第二函数发生器6输出斜坡扫描信号，信号电压的中心电压1.2V对应待测气体的中心吸收线，两路电压信号通过加法器7相加后，输入到两个激光驱动板8来驱动两个不同波长的近红外激励光源9，两个不同波长的近红外激励光源9的驱动温度保持不变；(b)两个波长调制的激光被连接到两路光学开关12的输入端，由计算机系统4控制哪一路输出；(c)从两路光学开关12输出的激光光束通过光纤输入近红外波段的光纤放大器10的光束输入端口，并使激光输出功率达到1.5瓦特；(d)高功率的激光通过光束准直器11后，输出平行光束，并输入到光声池1中的一个光声共振腔后，用于激励气体产生光声信号；(e)调制的光声信号被对应的高灵敏的驻极体电容麦克风探测到，并转换为电流信号；(f)微弱的两路电流信号被差分放大器2差分放大后，输入到锁相放大器3同步解调，并且将第一函数发生器5的同步信号输入到锁相放大器3的同步输入端，锁相放大器3的积分时间设置为1s，滤波斜率为12dB/oct，对应的探测带宽为0.25Hz，最后从锁相放大器3解调后得到光声信号的幅值S1、S2，并传输给计算机系统4；(f)光声信号的幅值S1、S2和气体浓度D1、D2成正比关系，可以记为D1＝a1×S1和D2＝a2×S2，其中a1和a2是比例系数，通过预先通入已知不同气体的浓度获得，计算机系统4通过公式D1＝a1×S1和D2＝a2×S2和获得的光声信号的幅值S1和S2，即可计算出被测气体的浓度；(h)通过2路光学开关12切换不同波长的近红外激励光源9，实现对两种气体种类的轮流检测。

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