一种多激光耦合型光声装置及测量气体浓度的方法

技术领域

本发明涉及高电压电气设备在线气体监测技术领域，更具体地，涉及一种多激光耦合型光声装置及测量气体浓度的。

背景技术

目前高电压、大容量电力变压器普遍采用充油式变压器。当变压器内部发生故障，例如过热或放电时，变压器油中的有机高分子会发生裂解，产生CH4、C2H4、C2H2、C2H6、CO和CO2等气体，生成的气体会逐渐溶解于变压器油中。通过分析溶解于油中气体的成分和浓度，尽早的发现设备内部存在的潜伏性故障。气体监测技术主要包括：气相色谱法、傅里叶变换红外光谱法、光声光谱法。由于光声光谱微量气体监测方法灵敏度高、稳定性好、测量组分多、不需要载气等优点，光声光谱法已经成为变压器监测的首选技术方案。

光声光谱法是一种间接光谱技术，探测自发辐射中产生的光声信号，是一种零背景的探测技术。光声光谱法根据不同光声激发光源主要分为基于中红外热辐射光源的光声光谱法和激光光声光谱法。中红外热辐射光源具有较宽的光谱发射范围，覆盖大部分极性气体分子的特征吸收带。2003年英国Kleman公司基于光声光谱技术研制出了基于黑体辐射红外宽谱光源的光声光谱油中溶解气体分析设备,可以对油中多种气体成分进行ppm量级的浓度测量。该设备可以同时测量8种故障气体(包括C2H2、C2H6、CO等)，也可以对微水进行检测，易于安装。但由于该光谱仪结构上的局限性使得近年来在现场应用过程中暴露出检测设备现场抗干扰能力差的问题，高压变压器运行现场的强电磁干扰经常会使实际测量数据严重偏离实验室标定结果。由于激光的线宽窄和光谱功率密度大等优点，在光声光谱的气体检测技术中得到了广泛的应用，并结合二次谐波检测技术降低低频噪声，大幅度的提高检测光声信号的强度，同时降低多组分气体谱线重叠干扰的影响。在声波信号被探测时，通常会采用光声池来对声波信号进行放大。

因此，设计一种多激光耦合型光声池在高电压电气设备在线气体检测中具有重要的应用价值。

发明内容

本发明技术方案提供一种多激光耦合型光声装置，以解决如何基于多激光耦合型光声装置对气体浓度进行测量的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种多激光耦合型光声装置，所述装置包括：谐振腔、麦克风、反射镜、进气口、出气口以及至少两组激光生成单元，所述激光生成单元包括依次相连的激光光源、传导光纤、光纤准直器；所述进气口设置于所述谐振腔第一端，所述出气口设置于所述谐振腔第二端；所述反射镜和所述麦克风设置于所述谐振腔第二端；

将待测气体经由进气口输入到所述谐振腔内，经由出气口释放出待测气体；

激光生成单元中的激光光源发射的激光经过传导光纤入射到光纤准直器中，经过所述光纤准直器准直的激光以预设的角度倾斜入射到所述谐振腔中，所述激光在所述谐振腔的内侧壁上经过多次反射后入射到反射镜，被所述反射镜反射回的激光继续在所述谐振腔中反射以增加激光的吸收程度；

通过所述麦克风探测所述反射镜产生的光声信号，基于所述光声信号，计算所述待测气体的浓度。

优选地，所述谐振腔的内径为10mm，谐振腔的内侧壁经过抛光、镀金处理，经过处理后的内侧壁的反射率超过98％。

优选地，所述反射镜为镀金平面反射镜，反射率超过98％；所述反射镜的直径和厚度分别为12.5mm和3mm，所述反射镜中间开有孔径为1mm的微孔，用于声音信号的传导以及所述待测气体的流通。

优选地，包括四组激光生成单元，其中：

每组激光生成单元的激光光源为近红外窄线宽可调谐半导体激光器；

每组激光生成单元的传导光纤为G652单模石英光纤；

每组激光生成单元的光纤准直器的波长范围为185nm-2500nm，工作距离为80mm-100mm。

优选地，其中：

第一组激光生成单元中的第一光纤准直器以与垂直方向呈30°的倾斜角向下嵌入到所述谐振腔；

第二组激光生成单元中的第二光纤准直器以与水平方向呈30°的倾斜角向下嵌入到所述谐振腔；

第三组激光生成单元中的第三光纤准直器以与水平方向呈30°的倾斜角向上嵌入到所述谐振腔；

第四组激光生成单元中的第四光纤准直器以与垂直方向呈30°的倾斜角向上嵌入到谐振腔。

基于本发明的另一方面，本发明提供一种基于多激光耦合型光声装置测量气体浓度的方法，所述方法包括：

建立多激光耦合型光声装置，所述多激光耦合型光声装置包括：谐振腔、麦克风、反射镜、进气口、出气口以及至少两组激光生成单元，所述激光生成单元包括依次相连的激光光源、传导光纤、光纤准直器；所述进气口设置于所述谐振腔第一端，所述出气口设置于所述谐振腔第二端；所述反射镜和所述麦克风设置于所述谐振腔第二端；

将待测气体经由进气口输入到所述谐振腔内，经由出气口释放出待测气体；

激光生成单元中的激光光源发射的激光经过传导光纤入射到光纤准直器中，经过所述光纤准直器准直的激光以预设的角度倾斜入射到所述谐振腔中，所述激光在所述谐振腔的内侧壁上经过多次反射后入射到反射镜，被所述反射镜反射回的激光继续在所述谐振腔中反射以增加激光的吸收程度；

通过所述麦克风探测所述反射镜产生的光声信号，基于所述光声信号，计算所述待测气体的浓度。

优选地，所述谐振腔的内径为10mm，谐振腔的内侧壁经过抛光、镀金处理，经过处理后的内侧壁的反射率超过98％。

优选地，所述反射镜为镀金平面反射镜，反射率超过98％；所述反射镜的直径和厚度分别为12.5mm和3mm，所述反射镜中间开有孔径为1mm的微孔，用于声音信号的传导以及所述待测气体的流通。

优选地，所述多激光耦合型光声装置包括四组激光生成单元，其中：

每组激光生成单元的激光光源为近红外窄线宽可调谐半导体激光器；

每组激光生成单元的传导光纤为G652单模石英光纤；

每组激光生成单元的光纤准直器的波长范围为185nm-2500nm，工作距离为80mm-100mm。

优选地，其中：

第一组激光生成单元中的第一光纤准直器以与垂直方向呈30°的倾斜角向下嵌入到所述谐振腔；

第二组激光生成单元中的第二光纤准直器以与水平方向呈30°的倾斜角向下嵌入到所述谐振腔；

第三组激光生成单元中的第三光纤准直器以与水平方向呈30°的倾斜角向上嵌入到所述谐振腔；

第四组激光生成单元中的第四光纤准直器以与垂直方向呈30°的倾斜角向上嵌入到谐振腔。

本发明技术方案提供一种多激光耦合型光声装置，装置包括：谐振腔、麦克风、反射镜、进气口、出气口以及至少两组激光生成单元，激光生成单元包括依次相连的激光光源、传导光纤、光纤准直器；进气口设置于谐振腔第一端，出气口设置于谐振腔第二端；反射镜和麦克风设置于谐振腔第二端；将待测气体经由进气口输入到谐振腔内，经由出气口释放出待测气体；激光生成单元中的激光光源发射的激光经过传导光纤入射到光纤准直器中，经过光纤准直器准直的激光以预设的角度倾斜入射到谐振腔中，激光在谐振腔的内侧壁上经过多次反射后入射到反射镜，被反射镜反射回的激光继续在谐振腔中反射以增加激光的吸收程度；通过麦克风探测反射镜产生的光声信号，基于光声信号，计算待测气体的浓度。本发明技术方案提出一种多激光耦合型光声装置，旨在解决目前光的吸收程短以及多激光难以同时高效耦合到单个光声装置的问题，为光声光谱技术在高电压电气设备在线气体检测中的应用拓展更大的空间。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明优选实施方式的多激光耦合型光声装置图；以及

图2为根据本发明优选实施方式的一种基于多激光耦合型光声装置测量气体浓度的方法流程图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本发明优选实施方式的多激光耦合型光声装置图。本发明提供一种多激光耦合型光声装置，以解决目前光的吸收程短以及多激光难以同时高效耦合到单个光声池的问题，为光声光谱技术在高电压电气设备在线气体检测中的应用拓展更大的空间。

图1是本发明提供的一种多激光耦合型光声装置结构示意图。图1中：1谐振腔；2麦克风；3反射镜；4进气口；5出气口；6激光光源1#；7传导光纤1#；8光纤准直器1#；9激光光源2#；10传导光纤2#；11光纤准直器2#；12激光光源3#；13传导光纤3#；14光纤准直器3#；15激光光源4#；16传导光纤4#；17光纤准直器4#。

本发明提供一种多激光耦合型光声装置，装置包括：谐振腔、麦克风、反射镜、进气口、出气口以及至少两组激光生成单元，激光生成单元包括依次相连的激光光源、传导光纤、光纤准直器；进气口设置于谐振腔第一端，出气口设置于谐振腔第二端；反射镜和麦克风设置于谐振腔第二端；

将待测气体经由进气口输入到谐振腔内，经由出气口释放出待测气体；

激光生成单元中的激光光源发射的激光经过传导光纤入射到光纤准直器中，经过光纤准直器准直的激光以预设的角度倾斜入射到谐振腔中，激光在谐振腔的内侧壁上经过多次反射后入射到反射镜，被反射镜反射回的激光继续在谐振腔中反射以增加激光的吸收程度；

通过麦克风探测反射镜产生的光声信号，基于光声信号，计算待测气体的浓度。

优选地，谐振腔的内径为10mm，谐振腔的内侧壁经过抛光、镀金处理，经过处理后的内侧壁的反射率超过98％。

优选地，反射镜为镀金平面反射镜，反射率超过98％；反射镜的直径和厚度分别为12.5mm和3mm，反射镜中间开有孔径为1mm的微孔，用于声音信号的传导以及待测气体的流通。

优选地，包括四组激光生成单元，其中：

每组激光生成单元的激光光源为近红外窄线宽可调谐半导体激光器；

每组激光生成单元的传导光纤为G652单模石英光纤；

每组激光生成单元的光纤准直器的波长范围为185nm-2500nm，工作距离为80mm-100mm。

优选地，其中：

第一组激光生成单元中的第一光纤准直器以与垂直方向呈30°的倾斜角向下嵌入到谐振腔；

第二组激光生成单元中的第二光纤准直器以与水平方向呈30°的倾斜角向下嵌入到谐振腔；

第三组激光生成单元中的第三光纤准直器以与水平方向呈30°的倾斜角向上嵌入到谐振腔；

第四组激光生成单元中的第四光纤准直器以与垂直方向呈30°的倾斜角向上嵌入到谐振腔。

本发明提供一种多激光耦合型光声装置，包括1#激光光源6、1#传导光纤7、1#光纤准直器8、2#激光光源9、2#传导光纤10、2#光纤准直器11、3#激光光源12、3#传导光纤13、3#光纤准直器14、4#激光光源15、4#传导光纤16、4#光纤准直器17。

本发明将待测气体经过进气口4进入到设计的多激光耦合型光声池，经过出气口5释放出气体；1#激光光源6发射的激光经过1#传导光纤7入射到1#光纤准直器8中，经过1#光纤准直器8准直的激光以一定的入射角度倾斜入射到谐振腔1，在谐振腔1的侧壁上经过多次反射后入射到反射镜3，被反射回的激光继续在谐振腔1中反射增加光的吸收程长度；以同样的方式，2#激光光源9、3#激光光源12、4#激光光源15发射的激光分别经过2#传导光纤10、3#传导光纤13、4#传导光纤16入射到2#光纤准直器11、3#光纤准直器14、4#光纤准直器17中，经过光纤准直器准直的激光分别以一定的入射角度倾斜入射到谐振腔1，在谐振腔1的侧壁上经过多次反射后入射到反射镜3，被反射回的激光继续在谐振腔1中反射增加光的吸收程长度；麦克风2探测产生的光声信号。

本发明提供的一种多激光耦合型光声装置，多激光光束经过光纤准直器准直后同时耦合到光声池，在光声池谐振腔中经过多次反射，利用多程吸收对光声信号进行增强，结合麦克风探测产生的光声信号。具体步骤如下：

首先，变压器油中溶解气体通过进气口4进入多激光耦合型光声池中；1#激光光源6、2#激光光源9、3#激光光源12、4#激光光源15发射的激光分别经过1#传导光纤7、2#传导光纤10、3#传导光纤13、4#传导光纤16进入1#光纤准直器8、2#光纤准直器11、3#光纤准直器14、4#光纤准直器17，经过准直后的激光束分别以一定的倾斜角度入射到谐振腔1的管壁；

然后，经过谐振腔1侧壁反射的激光最终被反射镜3接收并再次反射回谐振腔1形成多次反射；多激光耦合型光声池中的待测气体吸收激光能量后产生光声信号，利用多次反射达到多程吸收的效果，对光声信号进行增强。

最后，麦克风2对产生的光声信号进行处理，最终计算出油中溶解气体的浓度。

本发明的谐振腔1内径为10mm，谐振腔的作用一方面是促进热交换，有利于光声效应的产生；一方面促进多次反射的形成，内壁经过抛光、镀金处理，经过处理后的管壁的反射率为98％以上。

本发明的反射镜3为具有高反射率的镀金平面反射镜，反射率为98％以上，用于增加光路长度，提高气体的吸收光程；直径和厚度分别为12.5mm和3mm，在反射镜3中间开有孔径为1mm的微孔，用于声音信号的传导以及气体的流通。

本发明的1#激光光源6、2#激光光源9、3#激光光源12、4#激光光源15是近红外窄线宽可调谐半导体激光器。

本发明的1#传导光纤7、2#传导光纤10、3#传导光纤13、4#传导光纤均为G652单模石英光纤。

本发明的1#光纤准直器8、2#光纤准直器11、3#光纤准直器14、4#光纤准直器17的波长范围均在185nm-2500nm，工作距离在80mm-100mm；1#光纤准直器8以与垂直方向呈30°的倾斜角向下嵌入到谐振腔1，2#光纤准直器11以与水平方向呈30°的倾斜角向下嵌入到谐振腔1，3#光纤准直器14以与水平方向呈30°的倾斜角向上嵌入到谐振腔1，4#光纤准直器17以与垂直方向呈30°的倾斜角向上嵌入到谐振腔1。

本发明可将多激光同时耦合到光声装置，不需要光开关等器件，低损耗且低成本。光束在谐振腔内多次反射，并充分利用反射镜使光的吸收程大幅度提高，提高检测灵敏度。利用麦克风实现对光声信号的高灵敏度探测。本发明为高电压电气设备在线气体检测提供了一种极具竞争力的技术方案。

图2为根据本发明优选实施方式的一种基于多激光耦合型光声装置测量气体浓度的方法流程图。如图2所示，本发明提供一种基于多激光耦合型光声装置测量气体浓度的方法，方法包括：

步骤201：建立多激光耦合型光声装置，多激光耦合型光声装置包括：谐振腔、麦克风、反射镜、进气口、出气口以及至少两组激光生成单元，激光生成单元包括依次相连的激光光源、传导光纤、光纤准直器；进气口设置于谐振腔第一端，出气口设置于谐振腔第二端；反射镜和麦克风设置于谐振腔第二端；

步骤202：将待测气体经由进气口输入到谐振腔内，经由出气口释放出待测气体；

步骤203：激光生成单元中的激光光源发射的激光经过传导光纤入射到光纤准直器中，经过光纤准直器准直的激光以预设的角度倾斜入射到谐振腔中，激光在谐振腔的内侧壁上经过多次反射后入射到反射镜，被反射镜反射回的激光继续在谐振腔中反射以增加激光的吸收程度；

步骤204：通过麦克风探测反射镜产生的光声信号，基于光声信号，计算待测气体的浓度。

优选地，谐振腔的内径为10mm，谐振腔的内侧壁经过抛光、镀金处理，经过处理后的内侧壁的反射率超过98％。

优选地，反射镜为镀金平面反射镜，反射率超过98％；反射镜的直径和厚度分别为12.5mm和3mm，反射镜中间开有孔径为1mm的微孔，用于声音信号的传导以及待测气体的流通。

优选地，多激光耦合型光声装置包括四组激光生成单元，其中：

每组激光生成单元的激光光源为近红外窄线宽可调谐半导体激光器；

每组激光生成单元的传导光纤为G652单模石英光纤；

每组激光生成单元的光纤准直器的波长范围为185nm-2500nm，工作距离为80mm-100mm。

优选地，其中：

第一组激光生成单元中的第一光纤准直器以与垂直方向呈30°的倾斜角向下嵌入到谐振腔；

第二组激光生成单元中的第二光纤准直器以与水平方向呈30°的倾斜角向下嵌入到谐振腔；

第三组激光生成单元中的第三光纤准直器以与水平方向呈30°的倾斜角向上嵌入到谐振腔；

第四组激光生成单元中的第四光纤准直器以与垂直方向呈30°的倾斜角向上嵌入到谐振腔。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个//该[装置、组件等]”都被开放地解释为装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。