專利名稱：乙炔氣體的光學(xué)檢測(cè)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用光譜學(xué)的方法動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)乙炔氣體的方法及裝置，尤其涉及 乙炔氣體的光學(xué)檢測(cè)方法及裝置。
背景技術(shù)：
乙炔氣體在許多工業(yè)生產(chǎn)中都有應(yīng)用，它是一種化學(xué)性質(zhì)非?；顫姷臍怏w，極易燃 燒、分解和爆炸，乙炔在空氣中的爆炸范圍為2.5% 80%，與其它易燃易爆氣體相比， 乙炔的爆炸范圍大、爆炸下限低。因而，對(duì)乙炔氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義。 另外，作為電力傳輸中的大型輸電設(shè)備的油浸式變壓器發(fā)生故障前，會(huì)揮發(fā)出包括乙炔 在內(nèi)的幾種故障氣體，因此實(shí)時(shí)檢測(cè)乙炔這種典型故障氣體的濃度，可以達(dá)到監(jiān)測(cè)變壓 器工作狀態(tài)，提早發(fā)現(xiàn)變壓器潛伏故障，從而防止大型變壓器的燒毀及其引起的停電事 故造成的巨大損失。對(duì)大型傳輸變壓器油中的乙炔氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。
目前乙炔氣體濃度檢測(cè)方法，常用的有半導(dǎo)體式傳感器檢測(cè)法，催化燃燒式傳感器 檢測(cè)法，它們普遍存在精度不高，對(duì)氣體種類的分辨率低，有使用壽命限制，容易毒化 失效等缺點(diǎn)。而目前油浸式變壓器故障氣體常用的檢測(cè)方法是物理分離技術(shù)中的氣相色 譜法，將變壓器中的油進(jìn)行油氣分離后進(jìn)行色譜分析，給出乙炔濃度數(shù)據(jù)。它精度很高， 但缺點(diǎn)是分析周期長(zhǎng)，至少幾分鐘才能給出一個(gè)數(shù)據(jù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀，提供一種適用范圍廣、測(cè)量準(zhǔn) 確、能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的乙炔氣體的光學(xué)檢測(cè)方法及裝置。
根據(jù)量子力學(xué)，乙炔氣體在1525nm處由簡(jiǎn)正振動(dòng)Vi和V3形成振動(dòng)泛頻吸收(V！ +V3)，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)量子的正負(fù)得到左右兩個(gè)吸收峰譜分別被稱為R支和P支。測(cè)量時(shí)選取 其中吸收系數(shù)最大的一個(gè)單吸收峰。波長(zhǎng)調(diào)制吸收光譜技術(shù)(WMS， Wavelength Modulation Spectroscopy)原理，由函數(shù)發(fā)生產(chǎn)生的數(shù)十Hz的線性掃描電流與數(shù)十kHz
頻率、的高頻正弦電流相疊加的信號(hào)，加入二極管激光器的直流驅(qū)動(dòng)電流中。由于DFB
激光器輸出的是單模激光，線寬為lMHz，乙炔的單個(gè)吸收峰的半寬有900MHz。于是 激光器的輸出光的頻率在作線性掃描的同時(shí)，還受到高頻正弦調(diào)制，當(dāng)激光束通過(guò)氣體 吸收池時(shí)，隨著光波頻率掃過(guò)吸收譜線，其吸收強(qiáng)度也受到高頻調(diào)制。然后，受調(diào)制吸 收光信號(hào)經(jīng)光電檢測(cè)器檢測(cè)后送入鎖相放大器檢測(cè)出乙炔氣體的吸收光譜，并經(jīng)計(jì)算機(jī) 處理后輸出濃度信息。
本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為乙炔氣體的光學(xué)檢測(cè)方法，其中 信號(hào)發(fā)生裝置產(chǎn)生線性掃描電流和正弦電流相疊加的信號(hào)，加入可調(diào)激光裝置的直流驅(qū) 動(dòng)電流中；
可調(diào)激光裝置的輸出光的頻率在作線性掃描的同時(shí)，還受到正弦電流調(diào)制； 當(dāng)激光束通過(guò)氣體吸收池時(shí)，隨著光波頻掃吸收譜線，其吸收強(qiáng)度也受到正弦電流 信號(hào)調(diào)制；
經(jīng)過(guò)氣體吸收池的信號(hào)經(jīng)光電檢測(cè)裝置檢測(cè)后經(jīng)放大適配裝置處理后被計(jì)算機(jī)采 集，并經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后輸出濃度信息。
乙炔氣體的光學(xué)檢測(cè)裝置，包括信號(hào)發(fā)生裝置和氣體吸收池，其中信號(hào)發(fā)生裝置 連接有能受信號(hào)發(fā)生裝置調(diào)制的可調(diào)激光裝置；
可調(diào)激光裝置產(chǎn)生的光通過(guò)氣體吸收池傳送到光電檢測(cè)裝置；光電檢測(cè)裝置連接有放大適配裝置；
放大適配裝置連接有能進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)采集卡裝置； 數(shù)據(jù)采集卡裝置輸出采樣信號(hào)到處理數(shù)據(jù)和輸出檢測(cè)結(jié)果的計(jì)算機(jī)。 為優(yōu)化上述技術(shù)方案，采取的技術(shù)措施還包括信號(hào)發(fā)生裝置包括正弦波調(diào)制信號(hào)
發(fā)生器和三角波調(diào)制信號(hào)發(fā)生器。
放大適配裝置包括至少一個(gè)鎖相放大器，并旦放大適配裝置還包含數(shù)據(jù)采集卡裝
置；數(shù)據(jù)采集卡裝置能對(duì)鎖相放大器和計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行適配。
可調(diào)激光裝置包括激光器溫度電流控制器和激光器；激光器溫度電流控制器能在信
號(hào)發(fā)生裝置的調(diào)制下控制激光器的電流或溫度。
可調(diào)激光裝置的工作溫度為3(TC至35°C;可調(diào)激光裝置的輸出波長(zhǎng)為1529nrn至
1531nm。
激光器為分布反饋式半導(dǎo)體激光二極管激光器。 氣體吸收池能容納待測(cè)氣體；代測(cè)氣體包括乙炔p 光電檢測(cè)裝置包括PIN探測(cè)器。
計(jì)算機(jī)能讀取放大適配裝置的發(fā)出的信號(hào)，并且對(duì)所采集信號(hào)進(jìn)行處理，輸出檢測(cè)結(jié)果。
傳統(tǒng)的化學(xué)和物理檢測(cè)技術(shù)是一種靜態(tài)檢測(cè)技術(shù)。利用可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)能 實(shí)時(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)氣體狀況，且檢測(cè)下限低。隨著半導(dǎo)體科技的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體激光器體 積小且價(jià)格便宜，利用此技術(shù)進(jìn)行乙炔氣體濃度監(jiān)測(cè)方法的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力， 可廣泛應(yīng)用于所有需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)乙炔氣體濃度的領(lǐng)域。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用了信號(hào)發(fā)生裝置產(chǎn)生線性掃描電流和正弦電流相疊加 的信號(hào)，加入可調(diào)激光裝置的直流驅(qū)動(dòng)電流中；信號(hào)發(fā)生裝置產(chǎn)生的正弦電流信號(hào)，輸 入放大適配裝置；可調(diào)激光裝置的輸出光的頻率在作線性掃描的同時(shí)，還受到正弦電流 調(diào)制；當(dāng)激光束通過(guò)氣體吸收池時(shí)，隨著光波頻掃吸收譜線，其吸收強(qiáng)度也受到正弦電 流信號(hào)調(diào)制；經(jīng)過(guò)氣體吸收池的信號(hào)經(jīng)光電檢測(cè)裝置檢測(cè)后經(jīng)放大適配裝置處理后被計(jì) 算機(jī)采集，并經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后輸出濃度信息。其產(chǎn)生的有益效果是，可以安裝在任何有 乙炔氣體泄露可能的生產(chǎn)生活場(chǎng)所，進(jìn)行乙炔濃度動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控；或大型電力傳輸油浸 變壓器的油氣分離后，對(duì)變壓器的乙炔故障氣體濃度，進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)，起到防患于 未然的作用，降低大型變壓器的燒毀率，以及由大型變壓器燒毀引起的停電事故及其造 成的巨大損失。所以本發(fā)明具有適用范圍廣、測(cè)量準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)新穎、能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān) 測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。


圖l是本發(fā)明實(shí)施例示意圖2是波長(zhǎng)調(diào)制吸收光譜技術(shù)的原理框圖3是DFB LD調(diào)制信號(hào)發(fā)生電路圖4PIN光電探測(cè)及前置放大電路圖5電源電路圖6乙炔在1525nm處的吸收譜。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
圖標(biāo)號(hào)說(shuō)明信號(hào)發(fā)生裝置l、可調(diào)激光裝置2、氣體吸收池3、光電檢測(cè)裝置4、 放大適配裝置5、計(jì)算機(jī)6、正弦波調(diào)制信號(hào)發(fā)生器ll、三角波調(diào)制信號(hào)發(fā)生器12、激 光器溫度電流控制器21、激光器22、鎖相放大器51、數(shù)據(jù)采集卡裝置52。
選擇乙炔在特定波長(zhǎng)處的紅外吸收峰，此工作波段水分和其他氣體幾乎沒(méi)有吸收，使系統(tǒng)具有良好的選擇性，不受其他成分的干擾。然后采用線寬很窄的半導(dǎo)體激光器發(fā) 射中心波長(zhǎng)為此特定波長(zhǎng)的激光作為入射光。同時(shí)應(yīng)用半導(dǎo)體激光器輸出波長(zhǎng)在一定范 圍內(nèi)可調(diào)諧的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)調(diào)制改變輸出激光的波長(zhǎng)，使其可以掃描乙炔此中心波長(zhǎng)的整 個(gè)吸收譜，提高測(cè)量精度和對(duì)激光器波長(zhǎng)漂移的抗干擾能力。通過(guò)電流調(diào)制，激光器輸 出調(diào)制光射入與乙炔發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)相連通的采樣封閉氣室的一端，經(jīng)過(guò)該氣室的光程后，在 氣室另一端出射的光信號(hào)含有氣體濃度信息，經(jīng)聚焦透鏡聚焦到探測(cè)器上，再經(jīng)光電轉(zhuǎn) 換，前置放大和數(shù)據(jù)采集后傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，從而實(shí)現(xiàn)封閉氣室內(nèi)乙炔濃度 的檢測(cè)。
圖1所示是本發(fā)明實(shí)施例示意圖。
乙炔氣體的光學(xué)檢測(cè)方法及裝置，包括信號(hào)發(fā)生裝置1和氣體吸收池3,其中信 號(hào)發(fā)生裝置1連接有能受信號(hào)發(fā)生裝置1調(diào)制的可調(diào)激光裝置2;
可調(diào)激光裝置2產(chǎn)生的光通過(guò)氣體吸收池3傳送到光電檢測(cè)裝置4;光電檢測(cè)裝置 4連接有放大適配裝置5;
放大適配裝置5連接有能處理并輸出檢測(cè)結(jié)果的計(jì)算機(jī)6。
放大適配裝置5連接有能進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)采集卡裝置52;
數(shù)據(jù)采集卡裝置52輸出采樣信號(hào)到處理數(shù)據(jù)和輸出檢測(cè)結(jié)果的計(jì)算機(jī)6。
信號(hào)發(fā)生裝置1包括正弦波調(diào)制信號(hào)發(fā)生器11和三角波調(diào)制信號(hào)發(fā)生器12，其主 要產(chǎn)生波長(zhǎng)調(diào)制所需要的三角波和正弦波。
放大適配裝置5包括至少一個(gè)鎖相放大器51，并且放大適配裝置5還包含數(shù)據(jù)采集 卡裝置52;數(shù)據(jù)采集卡裝置52能對(duì)鎖相放大器51和計(jì)算機(jī)6之間進(jìn)行適配。具有前置 放大電路的鎖相放大器51將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)并進(jìn)行放大，然后檢測(cè)出二次諧 波信號(hào)，送入數(shù)據(jù)采集卡裝置52采集多路數(shù)據(jù)，并為計(jì)算機(jī)6的后處理做數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。
可調(diào)激光裝置2包括激光器溫度電流控制器21和激光器22,優(yōu)選DBF激光器；激 光器溫度電流控制器21能在信號(hào)發(fā)生裝置1的調(diào)制下控制激光器22中安裝的分布反饋 式半導(dǎo)體激光二極管的電流或溫度。
可調(diào)激光裝置2的工作溫度為3(TC至35°C;可調(diào)激光裝置2的輸出波長(zhǎng)為1529nrn 至1531跳
氣體吸收池3能容納待測(cè)氣體；代測(cè)氣體包括乙炔。
光電檢測(cè)裝置4包括PIN探測(cè)器，用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 計(jì)算機(jī)6能讀取放大適配裝置5的發(fā)出的信號(hào)，并且對(duì)所采集信號(hào)進(jìn)行處理，輸出 檢測(cè)結(jié)果。
圖2是波長(zhǎng)調(diào)制吸收光譜技術(shù)的原理框圖，可調(diào)激光裝置2經(jīng)過(guò)恒溫處理后，經(jīng)信 號(hào)發(fā)生裝置1的函數(shù)發(fā)生器包括正弦波調(diào)制信號(hào)發(fā)生器11和三角波調(diào)制信號(hào)發(fā)生器12 進(jìn)行電流調(diào)制。調(diào)制激光經(jīng)過(guò)氣體吸收池后，成為攜帶有氣體濃度信息的光信號(hào)通過(guò)光 電檢測(cè)裝置4，即PIN探測(cè)器，轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，并將該電信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大電路實(shí)現(xiàn) 1/V轉(zhuǎn)換和電壓放大，隨后通過(guò)鎖相放大器51的諧波檢測(cè)檢測(cè)出與氣體濃度成正比例關(guān) 系的二次諧波信號(hào)，最后對(duì)A/D轉(zhuǎn)化后的二次諧波信號(hào)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)處理， 得到氣體濃度信息。
圖3是DFB LD調(diào)制信號(hào)發(fā)生電路圖。
圖4 PIN光電探測(cè)及前置放大電路圖。
圖5電源電路圖。
圖6乙炔在1525nm處的吸收譜，乙炔在1525nm處的吸收譜如圖1所示，其中左 側(cè)為R支，右側(cè)為P支。 工作過(guò)程在哈佛大學(xué)HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)中選取了乙炔氣體的近紅外波段的1530.371run,波數(shù) 為6534.3636cm"吸收譜線，作為可調(diào)激光裝置2的輸出中心波長(zhǎng)。因?yàn)樵诮t外波段， 附近波長(zhǎng)范圍內(nèi)沒(méi)有其它氣體的干擾。先將可調(diào)激光裝置2溫度設(shè)定在32'C，電流調(diào)整 使可調(diào)激光裝置2輸出為1530.371nm波長(zhǎng)，帶寬為lMHz。然后電流調(diào)制端的信號(hào)發(fā) 生裝置1加入10Hz三角波和lOKHz正弦波的疊加信號(hào)送入可調(diào)激光裝置2，使得DFB 分布反饋式半導(dǎo)體激光二極管輸出調(diào)制光，經(jīng)過(guò)500mm長(zhǎng)氣體吸收池3后攜帶有乙炔 氣體濃度信息的光信號(hào)通過(guò)光電檢測(cè)裝置4轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，優(yōu)選InGaAs光電探測(cè)器， 并將該電信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大電路實(shí)現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換和電壓放大送數(shù)據(jù)采集卡裝置52采集， 同時(shí)通過(guò)鎖相放大器51檢測(cè)出與乙炔氣體濃度成正比例關(guān)系的二次諧波信號(hào)，數(shù)據(jù)采 集卡裝置52采集A/D轉(zhuǎn)化后的PIN放大信號(hào)及鎖相輸出的二次諧波信號(hào)，最后，計(jì)算 機(jī)6對(duì)所采集信號(hào)進(jìn)行處理，優(yōu)選數(shù)據(jù)采集卡AD7200h，得到氣體濃度信息。
本發(fā)明的最佳實(shí)施例已被闡明，由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員做出的各種變化或改型都不 會(huì)脫離本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1、乙炔氣體的光學(xué)檢測(cè)方法，其特征是信號(hào)發(fā)生裝置(1)產(chǎn)生線性掃描電流和正弦電流相疊加的信號(hào)，加入可調(diào)激光裝置(2)的直流驅(qū)動(dòng)電流中；可調(diào)激光裝置(2)的輸出光的頻率在作線性掃描的同時(shí)，還受到正弦電流調(diào)制；當(dāng)激光束通過(guò)氣體吸收池(3)時(shí)，隨著光波頻掃吸收譜線，其吸收強(qiáng)度也受到所述的正弦電流信號(hào)調(diào)制；經(jīng)過(guò)氣體吸收池(3)的信號(hào)經(jīng)光電檢測(cè)裝置(4)檢測(cè)后經(jīng)放大適配裝置(5)處理后被計(jì)算機(jī)采集，并經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后輸出濃度信息。
2、 乙炔氣體的光學(xué)檢測(cè)裝置，包括信號(hào)發(fā)生裝置(1)和氣體吸收池(3)，其特征是: 所述的信號(hào)發(fā)生裝置(1)連接有能受所述的信號(hào)發(fā)生裝置(1)調(diào)制的可調(diào)激光裝置(2);所述的可調(diào)激光裝置(2)產(chǎn)生的光通過(guò)所述的氣體吸收池(3)傳送到所述的光電檢 測(cè)裝置(4);所述的光電檢測(cè)裝置(4)連接有放大適配裝置(5);所述的放大適配裝置(5)連接有能處理并輸出檢測(cè)結(jié)果的計(jì)算機(jī)(6)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的乙炔氣體的光學(xué)檢測(cè)裝置，其特征是所述的信號(hào)發(fā)生 裝置(1)包括正弦波調(diào)制信號(hào)發(fā)生器(11)和三角波調(diào)制信號(hào)發(fā)生器(12)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的乙炔氣體的光學(xué)檢測(cè)裝置，其特征是所述的放大適配 裝置(5)包括至少一個(gè)鎖相放大器(51)，并且所述的放大適配裝置(5)還包含數(shù)據(jù)采集卡 裝置(52);所述的數(shù)據(jù)采集卡裝置(52)能對(duì)所述的鎖相放大器(51)和所述的計(jì)算機(jī)(6) 之間進(jìn)行適配。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的乙炔氣體的光學(xué)檢測(cè)裝置，其特征是所述的可調(diào)激光 裝置(2)包括激光器溫度電流控制器(21)和激光器(22);所述的激光器溫度電流控制器 (21)能在信號(hào)發(fā)生裝置(l)的調(diào)制下控制激光器(22)的電流或溫度。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的乙炔氣體的光學(xué)檢測(cè)裝置，其特征是所述的可調(diào)激光 裝置(2)的工作溫度為3(TC至35°C;所述的可調(diào)激光裝置(2)的輸出波長(zhǎng)為1529nm至 1531nm。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的乙炔氣體的光學(xué)檢測(cè)裝置，其特征是所述的激光器(22) 為分布反饋式半導(dǎo)體激光二極管激光器。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的乙炔氣體的光學(xué)檢測(cè)裝置，其特征是所述的氣體吸收池(3)能容納待測(cè)氣體；所述的代測(cè)氣體包括乙炔。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的乙炔氣體的光學(xué)檢測(cè)裝置，其特征是所述的光電檢測(cè)裝置(4)包括PIN探測(cè)器。
10、 根據(jù)權(quán)利要求7至9任一權(quán)利要求所述的乙炔氣體的光學(xué)檢測(cè)裝置，其特征是: 所述的計(jì)算機(jī)(6)能讀取所述的放大適配裝置(5)的發(fā)出的信號(hào)，并且對(duì)所采集信號(hào)進(jìn)行 處理，輸出檢測(cè)結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明乙炔氣體的光學(xué)檢測(cè)方法及裝置；其方法包括信號(hào)發(fā)生裝置產(chǎn)生線性掃描電流和正弦電流相疊加的信號(hào)，加入可調(diào)激光裝置的直流驅(qū)動(dòng)電流中；可調(diào)激光裝置的輸出光的頻率在作線性掃描的同時(shí)，還受到正弦電流調(diào)制；當(dāng)激光束通過(guò)氣體吸收池時(shí)，隨著光波頻掃吸收譜線，其吸收強(qiáng)度也受到正弦電流信號(hào)調(diào)制；經(jīng)過(guò)氣體吸收池的信號(hào)經(jīng)光電檢測(cè)裝置檢測(cè)后經(jīng)放大適配裝置處理后被計(jì)算機(jī)采集，并經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后輸出濃度信息。其裝置包括信號(hào)發(fā)生裝置連接有能受信號(hào)發(fā)生裝置調(diào)制的可調(diào)激光裝置；可調(diào)激光裝置產(chǎn)生的光通過(guò)氣體吸收池傳送到光電檢測(cè)裝置；光電檢測(cè)裝置連接有放大適配裝置；本發(fā)明具有適用范圍廣、測(cè)量準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)新穎、能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01N21/39GK101308089SQ20081006108
公開(kāi)日2008年11月19日 申請(qǐng)日期2008年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月30日
發(fā)明者丁志群, 鮑吉龍 申請(qǐng)人:寧波工程學(xué)院