一种能改善检测稳定性的红外气体检测系统的制作方法
【技术领域】
[0001]—种能改善检测稳定性的红外气体检测系统，属红外气体检测技术领域。
【背景技术】
[0002]微水含量的检测在电力工业中有着重要的作用。80年代中期以来，随着电力工业的迅速发展，六氟化硫(SF6)电气设备得到了广泛的应用，具体包括SF6断路器，GIS封闭组合电器，SF 6绝缘的变压器、电压互感器、电流互感器及各类高压套管等。并且目前在建电压等级IlOkv及以上的项目中，本上都使用SF6开关设备。这些电气设备在电力系统中，起着非常重要的作用，其运行的可靠性不仅关系到SF6电气设备本身，而且影响其他设备，甚至整个电网的安全。
[0003]在运行中，SF6气体受电弧放电或高温后，会分解成单体的氟、硫和氟硫化合物，电弧消失后会又化合成稳定的SF6气体。但是当气体中含有水分时，氟硫化合物会与水反应生成腐蚀性很强的氢氟酸、硫酸和其他毒性很强的化学物质等，从而腐蚀电气设备，降低设备绝缘能力，危及维护人员的生命安全。要完全清除仪器内SF6气体的水分是不可能的，但是时刻掌握SF6气体微水含量，采取相应的预防控制措施，减少SF6气体中的水分，可以保证和提高断路器的安全运行可靠性。除电力系统高压开关柜中微水含量，变压器油中的水汽体浓度检测也是不可缺少的。
[0004]利用红外光谱吸收技术对SF6断路器中水分含量进行检测，其优点是反应速度快，灵敏度高，并可实现在线检测。但是由于光器件如激光器、耦合器，准直器，光纤容易受到温度，应力环境因素变化的影响而改变光发生功率和光耦合效率，使传输光光强发生变化，从而与气体吸收损耗带来的光强变化混淆，带来测量误差。影响了红外光谱吸收技术的测量精度与长期稳定性。
[0005]论文“温度对光纤准直器的角度偏移影响分析”[孙鸣捷光子学报第35卷第10期2006年10月1509-1512页]中提到温度对光线准直器的影响；论文“恪锥光纤一分二耦合器的温度响应”[李川，张以谟，刘铁根，丁胜传感技术学报第14卷第3期2001年9月196-198页]中提到温度对光纤一分二耦合器的影响。
[0006]曾有针对此问题的解决方案，其思路是通过微处理器产生模拟参考光信号来校准并调整激光器出光，在一定程度上减少了因温度等环境因素产生的系统误差，但由于激光器出光功率与注入电流成非线性关系，用该方案得到的无吸收处谱线基线并不平坦，造成信噪比降低。
【发明内容】
[0007]为克服现有技术中存在的不足和缺陷，本实用新型提出了一种能改善检测稳定性的红外气体检测系统，通过自增益放大器的自动控制消除由于环境因素(除气体吸收以外）带来的传输光路中光功率的波动，以克服由此带来的系统测量误差。
[0008]本实用新型的技术方案是按以下方式实现的：
[0009]一种能改善检测稳定性的红外气体检测系统，包括温控电路、电流驱动电路、DFB激光器、光纤一分二耦合器、气室、光电探测器A和B、放大电路A和B(自增益放大器及周边电路）、差分电路、滤波电路和微处理器，其特征在于DFB激光器位于光纤一分二耦合器之前，由光纤一分二耦合器将一路光路分成两路，其中一路经气室到达光电探测器A的输入端，光电探测器A的输出端连接到放大电路A的输入端;另一路光路经光纤一分二耦合器接到光电探测器B的输入端，光电探测器B的输出端连接到放大电路B的输入端，放大电路A和B的输出端分别连接到差分电路的两路输入端，差分电路的输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端和微处理器连接，微处理器分别连接到温控电路和电流驱动电路，温控电路和电流驱动电路的输出端分别和DFB激光器相连接；
[0010]所述的温控电路使用斯坦福研究系统公司的半导体激光二极管控制器LDC501;
[0011]所述的放大电路A和B各自包括前后两级AD603放大器芯片和一个AD8561比较器芯片，其中前级AD603放大器芯片的正负输入端间连接电阻Rl，负输入端接地;其输出端经电阻R2连接到后级AD603放大器芯片的正输入端;后级AD603放大器芯片的正负输入端间连接电阻R3，其负输入端接地，输出端经电阻R4跟R5或R13串连后连接到整个放大电路的输出端;AD8561比较器芯片的负输入端经电阻R6和电阻R4、R5的公共点相连接，由电位器WRl分压之后经电阻R9连接到其正输入端，正输入端经电容C2接地，其输出端内部接地，其第8脚经电阻R7连接到两级AD603放大器芯片的第2脚，两级AD603放大器芯片的第2脚经电阻R8和电容Cl相并联后接地；
[0012]所述的电流驱动电路由微处理器的DA 口与集成运放LM358芯片连接而成；
[0013]所述的光电探测器A和B均是PIN光电探测器。
[0014]所述的差分电路为运放AD8221芯片。
[0015]所述的滤波电路为通用有源滤波器芯片UAF42，是低通滤波器结构。
[0016]所述的微处理器为LPC1758芯片。
[0017]所述的DFB 激光器是 WSLS-137010C1424-20 蝶型封装（DistributedFeedbackLaser)的分布式反馈激光器，波长为1370 ± 2nm。
[0018]利用上述检测系统对气室内水汽进行检测的方法，步骤如下：
[0019]I)将上述检测系统连接好，接通光路和各电路中的电源，调试光路与各电路处于正常工作状态;将待测气体冲入气室内；
[0020]2)通过温控电路对DFB激光器进行恒温控制：利用微处理器产生在0.03S时间间隔内电流变化幅度为48mA，变化过程从24mA由低到高升到72mA，然后再从72mA由高到低至24mA往复进行，设定的电流变化是由微处理器输出的电压信号以正弦波的形式来实现的；由于DFB激光器驱动电流变化会导致DFB激光器的输出波长的变化，在微处理器中设置的电压变化输出使得DFB激光器的输出波长变化，DFB激光器的输出波长的变化范围对应于其驱动电流的变化范围，即从24mA到72mA之间的驱动电流的变化范围包含了 DFB激光器产生的1368.597nm的输出波长，该输出波长为水汽吸收峰对应的波长；
[0021]3)将由光纤一分二耦合器分出的两路光中未通过气室的一路作为参考光，经过气室的一路作为探测光，调节放大电路A和B及差分电路的放大倍数，调整时用示波器观察差分电路输出端的输出信号，使其输出电压在水汽吸收峰波长之外的幅度为Omv到IOOmv范围内，这说明两路放大电路A和B输出信号基线相同，同时在水汽吸收峰波长处的电压不超过3V，以满足微处理器采集的信号幅值要求；
[0022]4)探测光电路的放大倍数调整好之后，由微处理器在滤波电路的输出端采集出经水汽吸收后在波长1368.597nm处及参考光一路经无水汽吸收在同一波长处产生的信号，经过微处理器计算出这两个信号的差值并存储该差值，将上述采集、计算及存储过程重复1000次，取这1000次差值的平均值后，利用实验前通过对照不同水汽含量下，由微水仪读数与同一时刻检测系统对应储存差值的对应关系得到的差值(Y轴)与水汽含量(X轴）的线性曲线，对照得到水汽浓度；
[0023]5)待测气体检测完毕，关闭检测系统各处的电源。
[0024]本实用新型的系统检测的最终水汽吸收峰波形是利用光纤一分二耦合器将激光出射光分为两条，参考光信号和探测光信号，通过两路光电探测器A和B及放大电路A和B将两路信号通过差分电路相减后获得，一路为光信号通过气室由光电探测器接收转换为的电信号，另一路作为参考信号，即光未经气室直接由光电探测器接收后产生的电信号，当环境因素(如温度，应力)变化时，通过气室的信号光强度会发生增强或者衰减，即进入差分电路的一路正弦波(光信号转换的一路)会增大或减小，而参考电路的正弦波电信号始终不变(纯电信号受环境影响很小，变化可以忽略），这就导致了最终吸收峰波形发生畸变，波形发生畸变会使微处理器计算差值发生变化，从而给测量系统带来测量误差，为解决该问题，可采用自增益放大器自控制放大倍数功能，令输出信号峰峰值保持不变，以消除环境因素变化对检测系统的影响。
[0025]本实用新型系统可通过自增益放大器实现改善红外气体检测系统稳定性的功能：
[0026]I)两处放大电路输入端分别接到两处光电探测器输出端，放大电路输出端分别接到差分电路的两条输入端。
[0027]2)两路正弦波电信号，一路为一束光未经过气室直接由光电探测器接收产生并由该路放大电路放大的正弦波电信号，另一路为传输光光电转换后由该处放大电路放大的正弦波信号，经过差分电路差分后得到的吸收峰波形为微处理器最终采集的波形，当环境因素不发生改变时，最终采集波形中气体吸收峰两侧应在同一水平位置。
[0028]3)当环境因素改变时，参考光与探测光分别发生了不同程度的光强变化，但由于两路中作为自增益放大器的放大电路A和B的作用效果，通过实时改变电增益补偿了温度等外部因素造成的光强的变化量，消除了因环境因素造成的光强变化，使最终经过差分电路后的气体吸收峰信号不受非吸收作用下光强变化的影响，气体吸收峰两侧回到同一水平位置。
[0029]本实用新型具有以下的优点:本实用新型方便安