一種能改善檢測穩(wěn)定性的紅外氣體檢測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]—種能改善檢測穩(wěn)定性的紅外氣體檢測系統(tǒng)，屬紅外氣體檢測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]微水含量的檢測在電力工業(yè)中有著重要的作用。80年代中期以來，隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，六氟化硫(SF6)電氣設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用，具體包括SF6斷路器，GIS封閉組合電器，SF 6絕緣的變壓器、電壓互感器、電流互感器及各類高壓套管等。并且目前在建電壓等級IlOkv及以上的項目中，本上都使用SF6開關(guān)設(shè)備。這些電氣設(shè)備在電力系統(tǒng)中，起著非常重要的作用，其運行的可靠性不僅關(guān)系到SF6電氣設(shè)備本身，而且影響其他設(shè)備，甚至整個電網(wǎng)的安全。
[0003]在運行中，SF6氣體受電弧放電或高溫后，會分解成單體的氟、硫和氟硫化合物，電弧消失后會又化合成穩(wěn)定的SF6氣體。但是當(dāng)氣體中含有水分時，氟硫化合物會與水反應(yīng)生成腐蝕性很強(qiáng)的氫氟酸、硫酸和其他毒性很強(qiáng)的化學(xué)物質(zhì)等，從而腐蝕電氣設(shè)備，降低設(shè)備絕緣能力，危及維護(hù)人員的生命安全。要完全清除儀器內(nèi)SF6氣體的水分是不可能的，但是時刻掌握SF6氣體微水含量，采取相應(yīng)的預(yù)防控制措施，減少SF6氣體中的水分，可以保證和提高斷路器的安全運行可靠性。除電力系統(tǒng)高壓開關(guān)柜中微水含量，變壓器油中的水汽體濃度檢測也是不可缺少的。
[0004]利用紅外光譜吸收技術(shù)對SF6斷路器中水分含量進(jìn)行檢測，其優(yōu)點是反應(yīng)速度快，靈敏度高，并可實現(xiàn)在線檢測。但是由于光器件如激光器、耦合器，準(zhǔn)直器，光纖容易受到溫度，應(yīng)力環(huán)境因素變化的影響而改變光發(fā)生功率和光耦合效率，使傳輸光光強(qiáng)發(fā)生變化，從而與氣體吸收損耗帶來的光強(qiáng)變化混淆，帶來測量誤差。影響了紅外光譜吸收技術(shù)的測量精度與長期穩(wěn)定性。
[0005]論文“溫度對光纖準(zhǔn)直器的角度偏移影響分析”[孫鳴捷光子學(xué)報第35卷第10期2006年10月1509-1512頁]中提到溫度對光線準(zhǔn)直器的影響；論文“恪錐光纖一分二耦合器的溫度響應(yīng)”[李川，張以謨，劉鐵根，丁勝傳感技術(shù)學(xué)報第14卷第3期2001年9月196-198頁]中提到溫度對光纖一分二耦合器的影響。
[0006]曾有針對此問題的解決方案，其思路是通過微處理器產(chǎn)生模擬參考光信號來校準(zhǔn)并調(diào)整激光器出光，在一定程度上減少了因溫度等環(huán)境因素產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，但由于激光器出光功率與注入電流成非線性關(guān)系，用該方案得到的無吸收處譜線基線并不平坦，造成信噪比降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足和缺陷，本實用新型提出了一種能改善檢測穩(wěn)定性的紅外氣體檢測系統(tǒng)，通過自增益放大器的自動控制消除由于環(huán)境因素(除氣體吸收以外）帶來的傳輸光路中光功率的波動，以克服由此帶來的系統(tǒng)測量誤差。
[0008]本實用新型的技術(shù)方案是按以下方式實現(xiàn)的：
[0009]一種能改善檢測穩(wěn)定性的紅外氣體檢測系統(tǒng)，包括溫控電路、電流驅(qū)動電路、DFB激光器、光纖一分二耦合器、氣室、光電探測器A和B、放大電路A和B(自增益放大器及周邊電路）、差分電路、濾波電路和微處理器，其特征在于DFB激光器位于光纖一分二耦合器之前，由光纖一分二耦合器將一路光路分成兩路，其中一路經(jīng)氣室到達(dá)光電探測器A的輸入端，光電探測器A的輸出端連接到放大電路A的輸入端;另一路光路經(jīng)光纖一分二耦合器接到光電探測器B的輸入端，光電探測器B的輸出端連接到放大電路B的輸入端，放大電路A和B的輸出端分別連接到差分電路的兩路輸入端，差分電路的輸出端連接濾波電路的輸入端，濾波電路的輸出端和微處理器連接，微處理器分別連接到溫控電路和電流驅(qū)動電路，溫控電路和電流驅(qū)動電路的輸出端分別和DFB激光器相連接；
[0010]所述的溫控電路使用斯坦福研究系統(tǒng)公司的半導(dǎo)體激光二極管控制器LDC501;
[0011]所述的放大電路A和B各自包括前后兩級AD603放大器芯片和一個AD8561比較器芯片，其中前級AD603放大器芯片的正負(fù)輸入端間連接電阻Rl，負(fù)輸入端接地;其輸出端經(jīng)電阻R2連接到后級AD603放大器芯片的正輸入端;后級AD603放大器芯片的正負(fù)輸入端間連接電阻R3，其負(fù)輸入端接地，輸出端經(jīng)電阻R4跟R5或R13串連后連接到整個放大電路的輸出端;AD8561比較器芯片的負(fù)輸入端經(jīng)電阻R6和電阻R4、R5的公共點相連接，由電位器WRl分壓之后經(jīng)電阻R9連接到其正輸入端，正輸入端經(jīng)電容C2接地，其輸出端內(nèi)部接地，其第8腳經(jīng)電阻R7連接到兩級AD603放大器芯片的第2腳，兩級AD603放大器芯片的第2腳經(jīng)電阻R8和電容Cl相并聯(lián)后接地；
[0012]所述的電流驅(qū)動電路由微處理器的DA 口與集成運放LM358芯片連接而成；
[0013]所述的光電探測器A和B均是PIN光電探測器。
[0014]所述的差分電路為運放AD8221芯片。
[0015]所述的濾波電路為通用有源濾波器芯片UAF42，是低通濾波器結(jié)構(gòu)。
[0016]所述的微處理器為LPC1758芯片。
[0017]所述的DFB 激光器是 WSLS-137010C1424-20 蝶型封裝（DistributedFeedbackLaser)的分布式反饋激光器，波長為1370 ± 2nm。
[0018]利用上述檢測系統(tǒng)對氣室內(nèi)水汽進(jìn)行檢測的方法，步驟如下：
[0019]I)將上述檢測系統(tǒng)連接好，接通光路和各電路中的電源，調(diào)試光路與各電路處于正常工作狀態(tài);將待測氣體沖入氣室內(nèi)；
[0020]2)通過溫控電路對DFB激光器進(jìn)行恒溫控制：利用微處理器產(chǎn)生在0.03S時間間隔內(nèi)電流變化幅度為48mA，變化過程從24mA由低到高升到72mA，然后再從72mA由高到低至24mA往復(fù)進(jìn)行，設(shè)定的電流變化是由微處理器輸出的電壓信號以正弦波的形式來實現(xiàn)的；由于DFB激光器驅(qū)動電流變化會導(dǎo)致DFB激光器的輸出波長的變化，在微處理器中設(shè)置的電壓變化輸出使得DFB激光器的輸出波長變化，DFB激光器的輸出波長的變化范圍對應(yīng)于其驅(qū)動電流的變化范圍，即從24mA到72mA之間的驅(qū)動電流的變化范圍包含了 DFB激光器產(chǎn)生的1368.597nm的輸出波長，該輸出波長為水汽吸收峰對應(yīng)的波長；
[0021]3)將由光纖一分二耦合器分出的兩路光中未通過氣室的一路作為參考光，經(jīng)過氣室的一路作為探測光，調(diào)節(jié)放大電路A和B及差分電路的放大倍數(shù)，調(diào)整時用示波器觀察差分電路輸出端的輸出信號，使其輸出電壓在水汽吸收峰波長之外的幅度為Omv到IOOmv范圍內(nèi)，這說明兩路放大電路A和B輸出信號基線相同，同時在水汽吸收峰波長處的電壓不超過3V，以滿足微處理器采集的信號幅值要求；
[0022]4)探測光電路的放大倍數(shù)調(diào)整好之后，由微處理器在濾波電路的輸出端采集出經(jīng)水汽吸收后在波長1368.597nm處及參考光一路經(jīng)無水汽吸收在同一波長處產(chǎn)生的信號，經(jīng)過微處理器計算出這兩個信號的差值并存儲該差值，將上述采集、計算及存儲過程重復(fù)1000次，取這1000次差值的平均值后，利用實驗前通過對照不同水汽含量下，由微水儀讀數(shù)與同一時刻檢測系統(tǒng)對應(yīng)儲存差值的對應(yīng)關(guān)系得到的差值(Y軸)與水汽含量(X軸）的線性曲線，對照得到水汽濃度；
[0023]5)待測氣體檢測完畢，關(guān)閉檢測系統(tǒng)各處的電源。
[0024]本實用新型的系統(tǒng)檢測的最終水汽吸收峰波形是利用光纖一分二耦合器將激光出射光分為兩條，參考光信號和探測光信號，通過兩路光電探測器A和B及放大電路A和B將兩路信號通過差分電路相減后獲得，一路為光信號通過氣室由光電探測器接收轉(zhuǎn)換為的電信號，另一路作為參考信號，即光未經(jīng)氣室直接由光電探測器接收后產(chǎn)生的電信號，當(dāng)環(huán)境因素(如溫度，應(yīng)力)變化時，通過氣室的信號光強(qiáng)度會發(fā)生增強(qiáng)或者衰減，即進(jìn)入差分電路的一路正弦波(光信號轉(zhuǎn)換的一路)會增大或減小，而參考電路的正弦波電信號始終不變(純電信號受環(huán)境影響很小，變化可以忽略），這就導(dǎo)致了最終吸收峰波形發(fā)生畸變，波形發(fā)生畸變會使微處理器計算差值發(fā)生變化，從而給測量系統(tǒng)帶來測量誤差，為解決該問題，可采用自增益放大器自控制放大倍數(shù)功能，令輸出信號峰峰值保持不變，以消除環(huán)境因素變化對檢測系統(tǒng)的影響。
[0025]本實用新型系統(tǒng)可通過自增益放大器實現(xiàn)改善紅外氣體檢測系統(tǒng)穩(wěn)定性的功能：
[0026]I)兩處放大電路輸入端分別接到兩處光電探測器輸出端，放大電路輸出端分別接到差分電路的兩條輸入端。
[0027]2)兩路正弦波電信號，一路為一束光未經(jīng)過氣室直接由光電探測器接收產(chǎn)生并由該路放大電路放大的正弦波電信號，另一路為傳輸光光電轉(zhuǎn)換后由該處放大電路放大的正弦波信號，經(jīng)過差分電路差分后得到的吸收峰波形為微處理器最終采集的波形，當(dāng)環(huán)境因素不發(fā)生改變時，最終采集波形中氣體吸收峰兩側(cè)應(yīng)在同一水平位置。
[0028]3)當(dāng)環(huán)境因素改變時，參考光與探測光分別發(fā)生了不同程度的光強(qiáng)變化，但由于兩路中作為自增益放大器的放大電路A和B的作用效果，通過實時改變電增益補(bǔ)償了溫度等外部因素造成的光強(qiáng)的變化量，消除了因環(huán)境因素造成的光強(qiáng)變化，使最終經(jīng)過差分電路后的氣體吸收峰信號不受非吸收作用下光強(qiáng)變化的影響，氣體吸收峰兩側(cè)回到同一水平位置。
[0029]本實用新型具有以下的優(yōu)點:本實用新型方便安