一种SF6辐射产物的光声光谱同时检测装置及方法与流程

本发明涉及绝缘设备内特征气体浓度检测，具体涉及一种sf6辐射产物的光声光谱同时检测装置及方法。

背景技术：

1、六氟化硫(sf6，sulfur hexafluoride)气体的耐电强度约为均匀电场中空气耐电强度的2.5倍，而灭弧性能是空气的100倍以上，是一种理想的气体绝缘介质。与传统的敞开式空气绝缘电气设备相比，sf6气体绝缘电气设备具有占地面积少、项目建设周期短、运行维护工作量少和可靠性高等优点，较好地适应了电力行业高速发展的需求。近年来，sf6气体绝缘设备在中、高压输变电领域的应用越来越高。

2、sf6气体绝缘设备发生局部放电、火花放电等绝缘故障时，常常会伴随着不同形式和强度的放电或者过热等现象，sf6分子中的s-f键就会因局部强电磁能或者局部高温发生断裂形成sf、sf2、sf3、sf4和sf5等低氟化物。这些低氟化物会和气体绝缘装备内部存在的微量水和氧等杂质或者设备内部固有的金属材料和绝缘材料发生反应生成h2s、co、so2等新物质。现有研究表明，通过检测sf6气体绝缘电气设备内的各种六氟化硫分解产物及浓度，可以有效判断设备故障类型及运行状态。

3、现有的sf6辐射产物检测装置，中国专利公开号cn113218906a公开的“一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测装置及方法”以及中国专利公开号cn102519904a公开的“六氟化硫分解组分的自动恒温型光声检测装置及实验方法”等文献，主要是针对多中单一分解组分的检测，无法实现多种sf6辐射产物的同时在线检测。还例如中国专利公开号cn115096847a公开的“一种单腔式多组分光声光谱气体检测装置和方法”，利用光开关分时控制多个近红外激光器实现了单个光声池检测多组分气体的浓度，但是其属于分时检测，同样无法实现多种sf6辐射产物的同时在线检测。

4、关于sf6辐射产物的检测方法主要包括气相色谱法，检测纳米管，电化学传感器等。但上述方法的检测时间长，传感器寿命短，不适合在线监测。光声光谱(pas)气体检测技术是基于光声效应实现气体浓度的测量，具备高精度、快速响应、工作寿命长的特点。2020年7月，万留杰等人在《高电压技术》发表了“sf6气体中h2s光声检测及fft滤波在检测信号噪声抑制中的应用”，搭建了一套大功率气体光声检测平台，选择h2s气体在1578.12nm处的吸收谱线，结合波长调制技术和二次谐波检测技术，对h2s气体实现了高精度检测，但是无法实现多种sf6辐射产物的同时检测，仍需进行改进。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于现有技术sf6辐射产物检测装置无法实现多种sf6辐射产物同时在线检测的问题。

2、本发明通过以下技术手段解决上述技术问题的：一种sf6辐射产物的光声光谱同时检测装置，包括分别对应多种辐射产物的吸收谱线的多个第一激光器、波分复用器、准直器、光声池，所述光声池上设置微悬臂梁，多个第一激光器分别与波分复用器连接，波分复用器经过准直器与光声池连接，微悬臂梁与振动计连接，振动计连接用于处理光声信号得出各组分光声信号的dsp数据处理模块，dsp数据处理模块连接上位机，上位机显示多种辐射产物的浓度。

3、进一步地，所述多个第一激光器为三种对应h2s、co、so2吸收谱线的dfb激光器。

4、更进一步地，所述sf6辐射产物的光声光谱同时检测装置还包括信号发生器、电流驱动器和温度控制器，所述信号发生器输出不同频率的矩形波通过bnc连接线连接电流驱动器和温度控制器，电流驱动器和温度控制器分别与多个第一激光器连接，控制第一激光器的注入电流和工作温度，实现输出波长的调谐。

5、更进一步地，所述波分复用器的三个输入端通过smf-28单模光纤连接三种对应h2s、co、so2吸收谱线的dfb激光器，实现激光的合束，合束后的激光通过smf-28单模光纤经过准直器准直后耦合进入光声池。

6、进一步地，所述光声池为空心的金属腔体，其两端区域为缓冲腔，中间区域为样品池。

7、更进一步地，所述样品池体积为30ml，光路长度为100mm。

8、更进一步地，所述光声池的两端底部设有气体阀门，两个气体阀门中的一个与存储待测气体的气袋相连，另一个气体阀门通过导气管与真空泵相连。

9、更进一步地，所述光声池位于气体阀门的对侧的侧壁装有微悬臂梁，待测气体与激光发生光声效应并且激发出声压后，微悬臂梁发生振动，微悬臂梁产生的振动位移通过振动计测量。

10、更进一步地，所述振动计为微型迈克尔逊干涉仪，微型迈克尔逊干涉仪内部包括反射镜、第二激光器、分光板、探测器，第二激光器发出的激光经过分光板被分成两束，其中一束激光经过反射镜抵达探测器，另一束激光经过微悬臂梁抵达探测器，探测器通过这两束光的干涉信号解调出微悬臂梁的振动位移。

11、更进一步地，所述振动计的探测器输出端与dsp数据处理模块相连，dsp数据处理模块通过对光声信号进行收集与处理，dsp数据处理模块的输出端与上位机相连。

12、更进一步地，所述对光声信号进行收集与处理包括：将微悬臂梁振动位移转化为总光声信号，对总光声信号进行频谱分析得出各组分光声信号。

13、本发明还提供一种sf6辐射产物的光声光谱同时检测装置的方法，所述多个第一激光器的激光合束后输入波分复用器，经过准直器准直后耦合进入光声池；光声池内待测气体与激光发生光声效应并且激发出声压后，微悬臂梁发生振动，微悬臂梁产生的振动位移通过振动计测量，dsp数据处理模块接收振动计的信号处理得到光声信号，发送给上位机，上位机处理光声信号获取多种辐射产物的浓度。

14、进一步地，所述方法还包括：

15、s1、在测量待测气体之前，将真空泵与光声池的一个气体阀门相连，打开该气体阀门，通过真空泵将光声池抽真空，抽真空后关闭该气体阀门；

16、s2、将装有待测气体的气袋与光声池的另一个气体阀门相连，将光声池两个气体阀门均打开至预设位置，通过真空泵抽取待测气体冲洗光声池，消除上次测量时残余气体的影响；

17、s3、关闭光声池两侧的气体阀门，打开信号发生器、电流驱动器、温度控制器的设备电源，信号发生器分别与电流驱动器、温度控制器连接，电流驱动器、温度控制器均与第一激光器连接；

18、s4、将电流驱动器的电流设置为0a，将温度控制器的温度设置为20℃；

19、s5、通过信号发生器的选择按键以及调节旋钮设置多个第一激光器的调制频率以及波形，使得每个第一激光器发出不同频率的调制激光；

20、s6、不同频率的调制激光通过波分复用器实现合束，合束后射入光声池；

21、s7、待测气体吸收激光能量后发生受激跃迁，之后经过无辐射弛豫过程将激光能量转化为待测气体内能，从而导致气体温度的升高，温升使待测气体压强增大，由于入射激光为周期性的激光，光声池内的待测气体压强呈周期性变化，从而产生声压信号；

22、s8、光声池内产生的声压信号经过光声池上安装的微悬臂梁探测，并且微悬臂梁探测的信号依次通过振动计和dsp数据处理模块得到相应的光声信号；

23、s9、打开上位机，获得待测气体中含有多种辐射产物的浓度。

24、本发明的优点在于：

25、(1)本发明将对应多种辐射产物的吸收谱线的多个第一激光器与波分复用器连接，经过准直器准直后耦合进入光声池；光声池内待测气体与激光发生光声效应并且激发出声压后，微悬臂梁发生振动，微悬臂梁产生的振动位移通过振动计测量，dsp数据处理模块接收振动计的信号处理得到各组分光声信号，发送给上位机，上位机处理各组分光声信号获取多种辐射产物的浓度，从而能够实现多种sf6辐射产物同时在线检测。

26、(2)本发明采用了光声光谱技术对sf6辐射产物h2s、co、so2进行了定量检测，相较于基于其他技术的设备，灵敏度高、动态响应范围宽、选择性好、不消耗样品气体。

27、(3)本发明的测量过程为待测气体与激光发生作用，不存在电磁过程，因此不会受到电磁干扰的影响。

28、(4)本发明将三种激光通过波分复用器进行合束再耦合进入光声池，相比以往的单组分检测，在不增加光声池的情况下实现了多组分的同时检测。

29、(5)本发明使用的dfb激光器输出波长稳定，检测装置具有长期工作稳定性，微悬臂梁测量的声信号频率较低，现场使用噪声干扰较小。dsp数据处理模块通过对总光声信号进行fft变换将时域光声信号转到频域，通过频域分离不同频率的光声信号，不同组分光声信号之间不存在交叉干扰。