基于全光学腔光声光谱变压器在线监测装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了基于全光学腔光声光谱变压器在线监测装置，包括光源和气体测量腔,所述光源的出射光线通过光窗口射入气体测量腔内,气体测量腔底面设有光学微环传感器或光纤传感器。本发明利用光学微环传感器或光纤传感器代替传统的微音器，整个光声腔内不含有电声器件，完全由光学器件构成，不会受到现场任何电磁干扰的影响，响应带宽高，实现了基于全光学光声腔的光声光谱变压器在线监测系统,具有电磁兼容性好，抗干扰能力强，高分辨率的优点，提高了运行寿命及可靠性。
【专利说明】
基于全光学腔光声光谱变压器在线监测装置
技术领域
[0001]本发明涉及光声光谱变压器在线监测技术，特别是一种基于全光学腔光声光谱变压器在线监测装置。
【背景技术】
[0002]油浸电力变压器在长期运行中和发生故障后，在热、电作用下，其绝缘油及有机绝缘材料会分解出一些对故障判断有价值的气体，包括氢气、甲烷、乙炔、乙烯、一氧化碳、二氧化碳等，分析油中溶解的这些气体是判断油浸电力变压器早期潜伏性故障最方便、最有效的措施之一。光声光谱技术是基于光声效应来检测吸收物体积分数的一种技术，该技术具有检测范围宽，精度高，不需载气等特点，该技术应用于油浸电力变压器在线监测，可以准确的判断变压器油中溶解的气体成分及其含量，从而准确判断出变压器运行状况，为变压器维护提供可靠的信息支持。
[0003]气体光声光谱法是通过检测气体分子对光源光子能量的吸收来定量分析气体的浓度，它属于测量吸收的气体分析方法，相对于直接测量光辐射能量的检测方法增加了把热能变成声音信号的过程，也属于热测定的方法。如果把光源用某种声频进行调制，在一个特制的光声池中就可以通过微音器探测到与频率相同的声音信号，这就是待测的物质光声信号。
[0004]电力变压器监测产品中对信号接收和处理部分要求较高，而变压器本体和电力监测产品中的电子器件在运行时会产生高频电磁辐射干扰。
[0005]目前光声光谱变压器在线监测系统在光声腔中采用电声器件微音器作为声学传感器，常用的光声光谱系统是采用直流稳态红外光源+调制盘+滤光片+气体测量腔+微音器的方案进行检测。光声腔中封存了微音器及其底板电路，在低浓度气体检测时，光源发出的光束照射在微音器与底板电路上，产生的背景信号对来自被检测气体的光声信号形成极大同频干扰，同时环境中的电磁辐射也易对微音器及电路产生高频干扰。此外，微音器由于其带宽及灵敏度的限制，在低浓度气体检测时，外部影响会造成其最终检测数据的不稳定。
【发明内容】
[0006]针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种不会受到现场任何电磁干扰的影响，彻底实现基于全光学光声腔的光声光谱变压器在线监测系统，具有电磁兼容性好，抗干扰能力强，提高了运行寿命及可靠性的基于全光学腔光声光谱变压器在线监测装置。
[0007]本发明的目的通过以下技术方案实现。
[0008]基于全光学腔光声光谱变压器在线监测装置，包括光源和气体测量腔，所述光源的出射光线通过光窗口射入气体测量腔内，气体测量腔底面设有光学微环传感器或光纤传感器。
[0009]进一步的，所述光源为直流稳态红外光源，所述直流稳态红外光源与气体测量腔之间依次设有调制盘和滤镜轮，所述滤镜轮上设有滤光镜，所述直流稳态红外光源经调制盘后照射在滤镜轮上，所述滤光镜的出射光线通过光窗口射入气体测量腔内。
[0010]进一步的，所述光源为可调谐脉冲红外激光光源，所述可调谐脉冲红外激光源的出射光线通过光窗口射入气体测量腔内。
[0011 ]进一步的，所述光学微环传感器上含有保护层、聚合体微环层与二氧化硅基底层，所述保护层、聚合体微环层与二氧化硅基底层都是透明的。
[0012]进一步的，所述光纤传感器含有保护层、光纤层与二氧化硅基底层，所述保护层、光纤层与二氧化硅基底层都是透明的。
[0013]相比于现有技术，本发明的优点在于:利用光学微环传感器或光纤传感器代替传统的微音器，解决了电磁信号的干扰问题，由于整个腔室内部没有任何电子元器件，该系统将不会受到现场任何电磁干扰的影响，实现了基于全光学光声腔的光声光谱变压器在线监测系统，具有电磁兼容性好，抗干扰能力强，高分辨率的优点，提高了运行寿命及可靠性。光学微环传感器或光纤传感器拥有超带宽频率响应能力，能够提供足够测量灵敏度。与传统电声微音器相比，降低了光源直接照射到传感器与基板电路上产生的基底背景噪声信号，提高了检测来自低浓度气体有效光声信号的灵敏度。
【附图说明】
[0014]图1为本发明实施例1的结构示意图。
[0015]图2为本发明实施例2的结构示意图。
[0016]图3为本发明实施例3的结构示意图。
[0017]图4为本发明实施例4的结构示意图。
[0018]图5为利用高分子聚合物研发的光学微环传感器示意图。
[0019]图6为光学微环传感器出射光谱示意图。
[0020]图7为光学微环传感器与普通微音器的频率响应曲线的对比示意图。
[0021]图中:1、直流稳态红外光源2、可调谐脉冲红外激光光源3、调制盘4、滤镜轮5、滤光镜6、光窗口 7、气体测量腔8、保护层9、光学微环传感器10、光纤传感器11、二氧化硅基底层。
【具体实施方式】
[0022]下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
[0023]实施例1
[0024]如图1所示，基于全光学腔光声光谱变压器在线监测装置，包括直流稳态红外光源1、滤镜轮4和气体测量腔7，所述直流稳态红外光源I与滤镜轮4之间设有调制盘3，所述滤镜轮4上设有滤光镜5，所述滤镜轮4的出射光线通过光窗口6射入气体测量腔7内，所述气体测量腔7底面设有光学微环传感器9，所述光学微环传感器9含有保护层8及聚合体微环层与二氧化硅基底层11，所述所有层均是透明的。
[0025]实施例2
[0026]如图2所示，基于全光学腔光声光谱变压器在线监测装置，包括直流稳态红外光源
1、滤镜轮4和气体测量腔7，所述直流稳态红外光源I与滤镜轮4之间设有调制盘3，所述滤镜轮4上设有滤光镜5，所述滤镜轮4的出射光线通过光窗口6射入气体测量腔7内，所述气体测量腔7底面设有光纤传感器10，所述光纤传感器10含有保护层8及光纤层与二氧化硅基底层11，所述所有层均是透明的。
[0027]实施例3
[0028]如图3所示，基于全光学腔光声光谱变压器在线监测装置，包括可调谐脉冲红外激光光源2和气体测量腔7，，所述可调谐脉冲红外激光光源2将调谐后的出射光线通过光窗口6射入气体测量腔7内，所述气体测量腔7和基底11之间设有光学微环传感器9，所述光学微环传感器9含有保护层8及聚合体微环层与二氧化硅基底层11，所述所有层均是透明的。
[0029]实施例4
[0030]如图4所示，基基于全光学腔光声光谱变压器在线监测装置，包括可调谐脉冲红外激光光源2和气体测量腔7，，所述可调谐脉冲红外激光光源2将调谐后的出射光线通过光窗口6射入气体测量腔7内，所述气体测量腔7和基底11之间设有光纤传感器10，所述光纤传感器10含有保护层8及光纤层与二氧化硅基底层11，所述所有层均是透明的。
[0031 ] 光学微环传感器9工作原理
[0032]如图5所示，利用高分子聚合物研发的光学微环传感器示意图，该传感器由直线波导和环形波导组成，环形波导尺寸可设计在十几微米至百微米数量级，直线波导和环形波导之间的距离可设计在几十纳米至百纳米数量级。
[0033]光波在直线波导中传播并耦合到微环中形成驻波场，当经过微环的光波相位是2π的整数倍时，将发生谐振现象从而使出射光谱在相应波长处形成陡然下降的低谷，如图6所示。光声信号传来时，其声压会使得聚合物在应力作用下光学折射率发生改变，从而使微环谐振波长发生位移。选择直线波导入射光波长在图6所示低谷的半腰处，这样光声信号的变化就被转化为出射光强度的变化。通过光纤导出并最后记录出射光强度的变化就可获得光声腔内光声信号的变化。
[0034]光学微环传感器9的测量灵敏度取决于谐振品质因子Q值。谐振低谷越陡峭，Q值越高，测量灵敏度也越高。实测微环Q值可以达到3X 105，其检测灵敏度可达到29Pa噪声等效可测声压(NEDP)。
[0035]全光学腔光声光谱在线测量适应的场合
[0036]光学微环传感器拥有超带宽频率响应，从直流到百兆，潜在能力可达到GHz，这对于超低频与超高频光声信号的检测拥有无法比拟的优势。如图7所示，为光学微环传感器与普通微音器的频率响应曲线的对比。当采用调制盘3调制直流稳态红外光源I激发所测气体光声信号时，调制频率通常只有几赫兹到十几赫兹，普通的微音器在此低频波段响应衰减很大，无法提供足够测量灵敏度。而采用高频可调谐脉冲红外激光器2作为光源激发所测气体光声信号时，一种趋势是把光声腔超微型化，这里可能导致超高频光声信号的检测，普通的微音器在此频段也无法良好响应提供足够测量灵敏度。微环光声传感器拥有超带宽频率响应能力，以其为基础构成的全光学腔光声光谱在线监测技术可以满足上述场合的要求。
【主权项】
1.基于全光学腔光声光谱变压器在线监测装置，包括光源和气体测量腔，所述光源的出射光线通过光窗口射入气体测量腔内，其特征在于气体测量腔底面设有光学微环传感器或光纤传感器。2.根据权利要求1所述的基于全光学腔光声光谱变压器在线监测装置，其特征在于所述光源为直流稳态红外光源，所述直流稳态红外光源与气体测量腔之间依次设有调制盘和滤镜轮，所述滤镜轮上设有滤光镜，所述直流稳态红外光源经调制盘后照射在滤镜轮上，所述滤光镜的出射光线通过光窗口射入气体测量腔内。3.根据权利要求1所述的基于全光学腔光声光谱变压器在线监测装置，其特征在于所述光源为可调谐脉冲红外激光光源，所述可调谐脉冲红外激光源的出射光线通过光窗口射入气体测量腔内。4.根据权利要求1、2或3所述的基于全光学腔光声光谱变压器在线监测装置，其特征在于所述光学微环传感器上含有保护层、聚合体微环层与二氧化硅基底层，所述保护层、聚合体微环层与二氧化硅基底层都是透明的。5.根据权利要求1、2或3所述的基于全光学腔光声光谱变压器在线监测装置，其特征在于所述光纤传感器含有保护层、光纤层与二氧化硅基底层，所述保护层、光纤层与二氧化硅基底层都是透明的。
【文档编号】G01N21/17GK105928885SQ201610517425
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年7月4日
【发明人】谢志行, 王超, 翟志华
【申请人】南京航算自控科技有限公司