基于全光學腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于全光學腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測裝置，包括光源和氣體測量腔,所述光源的出射光線通過光窗口射入氣體測量腔內,氣體測量腔底面設有光學微環(huán)傳感器或光纖傳感器。本發(fā)明利用光學微環(huán)傳感器或光纖傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的微音器，整個光聲腔內不含有電聲器件，完全由光學器件構成，不會受到現場任何電磁干擾的影響，響應帶寬高，實現了基于全光學光聲腔的光聲光譜變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng),具有電磁兼容性好，抗干擾能力強，高分辨率的優(yōu)點，提高了運行壽命及可靠性。
【專利說明】
基于全光學腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測裝置
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及光聲光譜變壓器在線監(jiān)測技術，特別是一種基于全光學腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測裝置。
【背景技術】
[0002]油浸電力變壓器在長期運行中和發(fā)生故障后，在熱、電作用下，其絕緣油及有機絕緣材料會分解出一些對故障判斷有價值的氣體，包括氫氣、甲烷、乙炔、乙烯、一氧化碳、二氧化碳等，分析油中溶解的這些氣體是判斷油浸電力變壓器早期潛伏性故障最方便、最有效的措施之一。光聲光譜技術是基于光聲效應來檢測吸收物體積分數的一種技術，該技術具有檢測范圍寬，精度高，不需載氣等特點，該技術應用于油浸電力變壓器在線監(jiān)測，可以準確的判斷變壓器油中溶解的氣體成分及其含量，從而準確判斷出變壓器運行狀況，為變壓器維護提供可靠的信息支持。
[0003]氣體光聲光譜法是通過檢測氣體分子對光源光子能量的吸收來定量分析氣體的濃度，它屬于測量吸收的氣體分析方法，相對于直接測量光輻射能量的檢測方法增加了把熱能變成聲音信號的過程，也屬于熱測定的方法。如果把光源用某種聲頻進行調制，在一個特制的光聲池中就可以通過微音器探測到與頻率相同的聲音信號，這就是待測的物質光聲信號。
[0004]電力變壓器監(jiān)測產品中對信號接收和處理部分要求較高，而變壓器本體和電力監(jiān)測產品中的電子器件在運行時會產生高頻電磁輻射干擾。
[0005]目前光聲光譜變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)在光聲腔中采用電聲器件微音器作為聲學傳感器，常用的光聲光譜系統(tǒng)是采用直流穩(wěn)態(tài)紅外光源+調制盤+濾光片+氣體測量腔+微音器的方案進行檢測。光聲腔中封存了微音器及其底板電路，在低濃度氣體檢測時，光源發(fā)出的光束照射在微音器與底板電路上，產生的背景信號對來自被檢測氣體的光聲信號形成極大同頻干擾，同時環(huán)境中的電磁輻射也易對微音器及電路產生高頻干擾。此外，微音器由于其帶寬及靈敏度的限制，在低濃度氣體檢測時，外部影響會造成其最終檢測數據的不穩(wěn)定。
【發(fā)明內容】
[0006]針對現有技術中存在的問題，本發(fā)明提供了一種不會受到現場任何電磁干擾的影響，徹底實現基于全光學光聲腔的光聲光譜變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)，具有電磁兼容性好，抗干擾能力強，提高了運行壽命及可靠性的基于全光學腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測裝置。
[0007]本發(fā)明的目的通過以下技術方案實現。
[0008]基于全光學腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測裝置，包括光源和氣體測量腔，所述光源的出射光線通過光窗口射入氣體測量腔內，氣體測量腔底面設有光學微環(huán)傳感器或光纖傳感器。
[0009]進一步的，所述光源為直流穩(wěn)態(tài)紅外光源，所述直流穩(wěn)態(tài)紅外光源與氣體測量腔之間依次設有調制盤和濾鏡輪，所述濾鏡輪上設有濾光鏡，所述直流穩(wěn)態(tài)紅外光源經調制盤后照射在濾鏡輪上，所述濾光鏡的出射光線通過光窗口射入氣體測量腔內。
[0010]進一步的，所述光源為可調諧脈沖紅外激光光源，所述可調諧脈沖紅外激光源的出射光線通過光窗口射入氣體測量腔內。
[0011 ]進一步的，所述光學微環(huán)傳感器上含有保護層、聚合體微環(huán)層與二氧化硅基底層，所述保護層、聚合體微環(huán)層與二氧化硅基底層都是透明的。
[0012]進一步的，所述光纖傳感器含有保護層、光纖層與二氧化硅基底層，所述保護層、光纖層與二氧化硅基底層都是透明的。
[0013]相比于現有技術，本發(fā)明的優(yōu)點在于:利用光學微環(huán)傳感器或光纖傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的微音器，解決了電磁信號的干擾問題，由于整個腔室內部沒有任何電子元器件，該系統(tǒng)將不會受到現場任何電磁干擾的影響，實現了基于全光學光聲腔的光聲光譜變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)，具有電磁兼容性好，抗干擾能力強，高分辨率的優(yōu)點，提高了運行壽命及可靠性。光學微環(huán)傳感器或光纖傳感器擁有超帶寬頻率響應能力，能夠提供足夠測量靈敏度。與傳統(tǒng)電聲微音器相比，降低了光源直接照射到傳感器與基板電路上產生的基底背景噪聲信號，提高了檢測來自低濃度氣體有效光聲信號的靈敏度。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明實施例1的結構示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明實施例2的結構示意圖。
[0016]圖3為本發(fā)明實施例3的結構示意圖。
[0017]圖4為本發(fā)明實施例4的結構示意圖。
[0018]圖5為利用高分子聚合物研發(fā)的光學微環(huán)傳感器示意圖。
[0019]圖6為光學微環(huán)傳感器出射光譜示意圖。
[0020]圖7為光學微環(huán)傳感器與普通微音器的頻率響應曲線的對比示意圖。
[0021]圖中:1、直流穩(wěn)態(tài)紅外光源2、可調諧脈沖紅外激光光源3、調制盤4、濾鏡輪5、濾光鏡6、光窗口 7、氣體測量腔8、保護層9、光學微環(huán)傳感器10、光纖傳感器11、二氧化硅基底層。
【具體實施方式】
[0022]下面結合說明書附圖和具體的實施例，對本發(fā)明作詳細描述。
[0023]實施例1
[0024]如圖1所示，基于全光學腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測裝置，包括直流穩(wěn)態(tài)紅外光源1、濾鏡輪4和氣體測量腔7，所述直流穩(wěn)態(tài)紅外光源I與濾鏡輪4之間設有調制盤3，所述濾鏡輪4上設有濾光鏡5，所述濾鏡輪4的出射光線通過光窗口6射入氣體測量腔7內，所述氣體測量腔7底面設有光學微環(huán)傳感器9，所述光學微環(huán)傳感器9含有保護層8及聚合體微環(huán)層與二氧化硅基底層11，所述所有層均是透明的。
[0025]實施例2
[0026]如圖2所示，基于全光學腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測裝置，包括直流穩(wěn)態(tài)紅外光源
1、濾鏡輪4和氣體測量腔7，所述直流穩(wěn)態(tài)紅外光源I與濾鏡輪4之間設有調制盤3，所述濾鏡輪4上設有濾光鏡5，所述濾鏡輪4的出射光線通過光窗口6射入氣體測量腔7內，所述氣體測量腔7底面設有光纖傳感器10，所述光纖傳感器10含有保護層8及光纖層與二氧化硅基底層11，所述所有層均是透明的。
[0027]實施例3
[0028]如圖3所示，基于全光學腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測裝置，包括可調諧脈沖紅外激光光源2和氣體測量腔7，，所述可調諧脈沖紅外激光光源2將調諧后的出射光線通過光窗口6射入氣體測量腔7內，所述氣體測量腔7和基底11之間設有光學微環(huán)傳感器9，所述光學微環(huán)傳感器9含有保護層8及聚合體微環(huán)層與二氧化硅基底層11，所述所有層均是透明的。
[0029]實施例4
[0030]如圖4所示，基基于全光學腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測裝置，包括可調諧脈沖紅外激光光源2和氣體測量腔7，，所述可調諧脈沖紅外激光光源2將調諧后的出射光線通過光窗口6射入氣體測量腔7內，所述氣體測量腔7和基底11之間設有光纖傳感器10，所述光纖傳感器10含有保護層8及光纖層與二氧化硅基底層11，所述所有層均是透明的。
[0031 ] 光學微環(huán)傳感器9工作原理
[0032]如圖5所示，利用高分子聚合物研發(fā)的光學微環(huán)傳感器示意圖，該傳感器由直線波導和環(huán)形波導組成，環(huán)形波導尺寸可設計在十幾微米至百微米數量級，直線波導和環(huán)形波導之間的距離可設計在幾十納米至百納米數量級。
[0033]光波在直線波導中傳播并耦合到微環(huán)中形成駐波場，當經過微環(huán)的光波相位是2π的整數倍時，將發(fā)生諧振現象從而使出射光譜在相應波長處形成陡然下降的低谷，如圖6所示。光聲信號傳來時，其聲壓會使得聚合物在應力作用下光學折射率發(fā)生改變，從而使微環(huán)諧振波長發(fā)生位移。選擇直線波導入射光波長在圖6所示低谷的半腰處，這樣光聲信號的變化就被轉化為出射光強度的變化。通過光纖導出并最后記錄出射光強度的變化就可獲得光聲腔內光聲信號的變化。
[0034]光學微環(huán)傳感器9的測量靈敏度取決于諧振品質因子Q值。諧振低谷越陡峭，Q值越高，測量靈敏度也越高。實測微環(huán)Q值可以達到3X 105，其檢測靈敏度可達到29Pa噪聲等效可測聲壓(NEDP)。
[0035]全光學腔光聲光譜在線測量適應的場合
[0036]光學微環(huán)傳感器擁有超帶寬頻率響應，從直流到百兆，潛在能力可達到GHz，這對于超低頻與超高頻光聲信號的檢測擁有無法比擬的優(yōu)勢。如圖7所示，為光學微環(huán)傳感器與普通微音器的頻率響應曲線的對比。當采用調制盤3調制直流穩(wěn)態(tài)紅外光源I激發(fā)所測氣體光聲信號時，調制頻率通常只有幾赫茲到十幾赫茲，普通的微音器在此低頻波段響應衰減很大，無法提供足夠測量靈敏度。而采用高頻可調諧脈沖紅外激光器2作為光源激發(fā)所測氣體光聲信號時，一種趨勢是把光聲腔超微型化，這里可能導致超高頻光聲信號的檢測，普通的微音器在此頻段也無法良好響應提供足夠測量靈敏度。微環(huán)光聲傳感器擁有超帶寬頻率響應能力，以其為基礎構成的全光學腔光聲光譜在線監(jiān)測技術可以滿足上述場合的要求。
【主權項】
1.基于全光學腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測裝置，包括光源和氣體測量腔，所述光源的出射光線通過光窗口射入氣體測量腔內，其特征在于氣體測量腔底面設有光學微環(huán)傳感器或光纖傳感器。2.根據權利要求1所述的基于全光學腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測裝置，其特征在于所述光源為直流穩(wěn)態(tài)紅外光源，所述直流穩(wěn)態(tài)紅外光源與氣體測量腔之間依次設有調制盤和濾鏡輪，所述濾鏡輪上設有濾光鏡，所述直流穩(wěn)態(tài)紅外光源經調制盤后照射在濾鏡輪上，所述濾光鏡的出射光線通過光窗口射入氣體測量腔內。3.根據權利要求1所述的基于全光學腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測裝置，其特征在于所述光源為可調諧脈沖紅外激光光源，所述可調諧脈沖紅外激光源的出射光線通過光窗口射入氣體測量腔內。4.根據權利要求1、2或3所述的基于全光學腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測裝置，其特征在于所述光學微環(huán)傳感器上含有保護層、聚合體微環(huán)層與二氧化硅基底層，所述保護層、聚合體微環(huán)層與二氧化硅基底層都是透明的。5.根據權利要求1、2或3所述的基于全光學腔光聲光譜變壓器在線監(jiān)測裝置，其特征在于所述光纖傳感器含有保護層、光纖層與二氧化硅基底層，所述保護層、光纖層與二氧化硅基底層都是透明的。
【文檔編號】G01N21/17GK105928885SQ201610517425
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年7月4日
【發(fā)明人】謝志行, 王超, 翟志華
【申請人】南京航算自控科技有限公司