專利名稱：以光纖氣體傳感器器件內(nèi)部水為參考的痕量水氣檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種以光纖氣體傳感器器件內(nèi)部水為參考的痕量水氣檢測裝置，屬于光學(xué)水氣檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
純凈的SF6氣體是一種無色無味、無毒性的氣體，不會(huì)燃燒，化學(xué)性能穩(wěn)定，在常溫下不與其他物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，具有不燃的特性，優(yōu)于絕緣油，因而具有良好的絕緣特性和滅弧特性，在正常條件下，是較為理想的絕緣介質(zhì)。SF6負(fù)荷開關(guān)是近年來不少用戶體會(huì)到的一種優(yōu)良負(fù)荷開關(guān)，除電壽命長，開斷力強(qiáng)等與真空負(fù)荷開關(guān)有共同的優(yōu)點(diǎn)外，其突出優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)三工作位(接通、斷開和接地)，小電流(電感、電容)開斷，抗嚴(yán)酷環(huán)境條件能力強(qiáng)。適宜在城鄉(xiāng)中壓配電網(wǎng)推廣應(yīng)用。但在運(yùn)行的SF6開關(guān)設(shè)備中，由于SF6制備不純或設(shè)備密封不好等原因，可能含有水分，水分的存在會(huì)嚴(yán)重危及電氣設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。因此對(duì)SF6中的水氣濃度的檢測以及控制要求比較嚴(yán)格。目前，我國電力系統(tǒng)中采用的測量儀主要有露點(diǎn)法、阻容法和電解法。露點(diǎn)儀操作簡單，可在常壓和高于常壓下測量，但極易受到各種干擾因素的影響；阻容式濕度儀在實(shí)際應(yīng)用中易受檢測溫度和檢測壓力的影響；電解法的缺點(diǎn)是現(xiàn)場測量前，測量系統(tǒng)本身并不干燥，往往有本底值，這使測量結(jié)果不夠精確，并且它不能實(shí)現(xiàn)在線測量。此外光纖氣體傳感器因其穩(wěn)定性好、測量精度高、抗電磁干擾、在線檢測、可實(shí)現(xiàn)無電檢測等優(yōu)點(diǎn)在痕量氣體濃度的測量中得到越來越廣泛的應(yīng)用，并在一些易燃易爆氣體的存儲(chǔ)等特殊場合發(fā)揮著不可替代的作用。.當(dāng)光通過水氣介質(zhì)時(shí)，激光與水分子發(fā)生相互作用，在對(duì)應(yīng)水的·吸收峰上產(chǎn)生吸收效應(yīng)，可以用比爾-朗伯定律來描述，It(A)=10(A)exp[-a (λ)α)]，其中It(X)為透射距離L衰減后的光強(qiáng)，Ια(λ)為入射光強(qiáng)，α (λ)為對(duì)應(yīng)波長下的吸收系數(shù)，可在數(shù)據(jù)庫HITRAN2008查出。則當(dāng)水氣的濃度C不是特別大時(shí)C = ln[10(A)/It(A)]/[a U)L] [1-1t ( λ )/10 ( λ ) ]//[ a (A)Lj0 可以得出，吸收率[l-1t(A)/10(A)]與氣體中水氣的濃度C成正比。常軍、王宗良、王偉杰、宋復(fù)俊等人的實(shí)用新型專利“一種基于掃描法的微水檢測裝置”就是介紹的這樣一種用于痕量水氣檢測的氣體傳感器。但是光纖氣體傳感器器件內(nèi)部中的水在這種痕量水氣檢測裝置并未得到考慮。通常光纖氣體傳感器的設(shè)計(jì)中，DFB激光器因其單色性好、線寬窄、功率穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用作光源；光纖準(zhǔn)直器用來準(zhǔn)直激光，同時(shí)氣體通過準(zhǔn)直器封裝的氣孔進(jìn)入到光纖準(zhǔn)直器的內(nèi)部，與激光相互作用；PIN光電探測器因其體積小、耦合效率高的優(yōu)點(diǎn)常被用作光電轉(zhuǎn)換器件。DFB激光器、光纖準(zhǔn)直器及PIN光電探測器是光纖氣體傳感器結(jié)構(gòu)中必不可少的器件，在它們的封裝結(jié)構(gòu)中因其工作原理的需要都存在一定寬度的縫隙，并且它們的生產(chǎn)都是在室內(nèi)條件下完成的，縫隙中不可避免地充入了有一定水含量的空氣。光纖傳感器的光路穿過這三個(gè)器件中的空氣，器件內(nèi)部的水對(duì)激光中水吸收峰對(duì)應(yīng)吸收峰處的光造成吸收，如果不針對(duì)這本底水造成的吸收進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)處理或者進(jìn)行檢測技術(shù)的創(chuàng)新，檢測結(jié)果必然會(huì)受到影響。同時(shí)器件中的空氣與外界的空氣是隔絕的，這樣器件內(nèi)部水的含量是相對(duì)穩(wěn)定的。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本實(shí)用新型提出了一種以光纖氣體傳感器器件內(nèi)部水為參考的痕量水氣檢測裝置，旨在提供使用方便、性能穩(wěn)定、成本低的痕量水氣檢測裝置。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是按以下方式實(shí)現(xiàn)的:一種以光纖氣體傳感器器件內(nèi)部水為參考的痕量水氣檢測裝置，包括標(biāo)定系統(tǒng)、DFB激光器、氣室、光纖準(zhǔn)直器、PIN光電探測器、差分放大電路、濾波電路及單片機(jī)，其特征在于DFB激光器位于氣室前，光纖準(zhǔn)直器位于氣室內(nèi)，PIN光電探測器位于光纖準(zhǔn)直器之后；光纖準(zhǔn)直器經(jīng)單模光纖連接耦合到PIN光電探測器上，PIN光電探測器輸出端連接差分放大電路的一個(gè)輸入端，差分放大電路的輸出端連接濾波電路，濾波電路的輸出端和單片機(jī)的A/D采集端相連接；單片機(jī)和DFB激光器相連接為其提供梯形波信號(hào)電流作為DFB激光器工作的驅(qū)動(dòng)電流；單片機(jī)連接到差分放大電路的另一個(gè)輸入端為差分放大電路輸入端提供輸入信號(hào)；所述的標(biāo)定系統(tǒng)包括DFB激光器、光纖稱合器、氣室、光纖準(zhǔn)直器、第一 PIN光電探測器、第二 PIN光電探測器、差分放大電路、濾波電路及單片機(jī)，DFB激光器位于光纖耦合器前，光纖耦合器輸出端分作兩路，一路經(jīng)光纖連接到光纖準(zhǔn)直器，光纖準(zhǔn)直器位于氣室內(nèi)，光纖準(zhǔn)直器的另一端經(jīng)光纖連接耦合到第一 PIN光電探測器上；光纖耦合器另一輸出端經(jīng)光纖連接直接耦合到第二 PIN光電探測器上；第二 PIN光電探測器的輸出端連接到差分放大電路的一個(gè)輸入端，差分放大電路的另一個(gè)輸入端同第一 PIN光電探測器的輸出端或者單片機(jī)相連接為其提供梯形波輸入信號(hào)；差分放大電路的輸出端連接濾波電路，濾波電路的輸出端和單片機(jī)的A/D采集端相連接；單片機(jī)和DFB激光器相連接為其提供梯形波信號(hào)電流作為DFB激光器工作 的驅(qū)動(dòng)電流。所述的梯形波驅(qū)動(dòng)信號(hào)特征為，單周期內(nèi)梯形的上底和下底所占的時(shí)間比例相同，兩個(gè)腰的傾斜程度相同。以光纖氣體傳感器器件內(nèi)部水為參考的痕量水氣檢測裝置，用此裝置對(duì)水氣濃度進(jìn)行檢測分為標(biāo)定和測量兩大部分進(jìn)行:本裝置是利用光纖氣體傳感器部分器件內(nèi)部的水作為參考，來檢測氣室內(nèi)的痕量水氣。因此首先要對(duì)這些器件內(nèi)部的水含量進(jìn)行標(biāo)定。一種利用上述檢測裝置的標(biāo)定系統(tǒng)對(duì)器件內(nèi)部的水含量進(jìn)行標(biāo)定的方法，步驟如下: 連接好標(biāo)定系統(tǒng)；打開示波器電源，打開標(biāo)定系統(tǒng)的電源；調(diào)試光路及電路使其正常工作； 將第二 PIN光電探測器的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)和單片機(jī)產(chǎn)生的梯形波信號(hào)接入差分放大電路的兩個(gè)輸入端；調(diào)節(jié)第二 PIN光電探測器的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)的放大倍數(shù)，用示波器接到第二 PIN光電探測器的輸出端觀察其波形，直到第二 PIN光電探測器的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)的幅度及曲線的斜率與單片機(jī)產(chǎn)生的梯形波信號(hào)達(dá)到一致；通過單片機(jī)輸出得到電壓值V1,此電壓值為吸收峰峰值與梯形波底部對(duì)應(yīng)值的電壓差值J1對(duì)應(yīng)DFB激光器和第二 PIN光電探測器中的水氣； 保持第二 PIN光電轉(zhuǎn)換信號(hào)的電路參數(shù)不變；將第二 PIN光電探測器的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)和第一 PIN光電探測器的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)接入差分放大電路的兩個(gè)輸入端；調(diào)節(jié)第一PIN光電探測器的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)的放大倍數(shù)，用示波器接到第一 PIN光電探測器的輸出端觀察其波形，直到第一 PIN光電探測器的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)的幅度及曲線的斜率與第二 PIN光電探測器的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)達(dá)到一致；通過單片機(jī)采集得到吸收峰峰值與梯形信號(hào)底部對(duì)應(yīng)的值的電壓差值V2，V2對(duì)應(yīng)光纖準(zhǔn)直器中的水氣和氣室內(nèi)的水； 準(zhǔn)備十組已知水氣濃度的樣本氣體，分別按照一個(gè)相同的流量通入到氣室，通過單片機(jī)的輸出得到相對(duì)應(yīng)的不同的電壓值V2利用已知的水氣濃度通過公式n=l-exp[-a ( λ ) CL)]計(jì)算得出吸收率Π，其中:α (λ)為對(duì)應(yīng)波長λ下的吸收系數(shù)，C為氣室內(nèi)的水氣濃度，L為光在氣室內(nèi)的傳輸距離，描繪出“V2-氣體吸收率η曲線圖”，V2軸上截距為電壓值Vtl對(duì)應(yīng)光纖準(zhǔn)直器器件內(nèi)部中的水；利用“V2-氣體吸收率η曲線圖”分別推算出光纖準(zhǔn)直器、DFB激光器和PIN光電探測器對(duì)激光光強(qiáng)造成的影響；在“V2_氣體吸收率H曲線圖”上VfV1對(duì)應(yīng)處的氣體吸收率對(duì)應(yīng)光纖準(zhǔn)直器、DFB激光器和PIN光電探測器三個(gè)器件內(nèi)部的水氣。在對(duì)光纖氣體傳感器部分器件內(nèi)部存在的水的含量作了標(biāo)定后，利用以光纖氣體傳感器器件內(nèi)部水為參考的痕量水氣檢測裝置對(duì)氣室內(nèi)的水氣濃度進(jìn)行測量。一種利用上述檢測裝置對(duì)待測氣體進(jìn)行痕量水氣檢測的方法，步驟如下:①連接好檢測系統(tǒng)；打開示波器電源；打開標(biāo)定系統(tǒng)的電源；調(diào)試光路及電路使其正常工作；待測氣體通入到氣室中；②控制單片機(jī)產(chǎn)生的梯形波信號(hào)與標(biāo)定系統(tǒng)對(duì)器件內(nèi)部的水含量進(jìn)行標(biāo)定的方法中步驟 中單片機(jī)產(chǎn)生的梯形波信號(hào)大小相同JfPIN光電探測器的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)和單片機(jī)產(chǎn)生的梯形波信號(hào)接 入差分放大電路的兩個(gè)輸入端；調(diào)節(jié)PIN光電探測器的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)的放大倍數(shù)，用示波器觀察其波形，直到PIN光電探測器的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)的幅度及曲線的斜率與單片機(jī)產(chǎn)生的梯形波信號(hào)達(dá)到一致；通過單片機(jī)采集得到吸收峰峰值與梯形波底部對(duì)應(yīng)的值的電壓差值V，V對(duì)應(yīng)DFB激光器、光纖準(zhǔn)直器中的水氣、PIN光電探測器和氣室內(nèi)的水氣；③上述步驟中測量得到的V對(duì)應(yīng)DFB激光器、光纖準(zhǔn)直器中的及氣室水氣、PIN光電探測器三個(gè)器件內(nèi)部水以及氣室中待測水氣，器件內(nèi)部水產(chǎn)生的影響已經(jīng)在標(biāo)定系統(tǒng)對(duì)器件內(nèi)部的水含量進(jìn)行標(biāo)定的方法中測出，以此為參考計(jì)算VfV1在V中所占的比例，得出氣室中待測水氣對(duì)激光所產(chǎn)生的吸收率，再利用吸收率公式n=l-eXp[-a (A)CL)]計(jì)算出水氣濃度；④待測氣體的水氣濃度檢測完畢，關(guān)閉電源，整理儀器裝置。本實(shí)用新型所用的光源是中心波長為1370nm的DFB激光器，其線寬在MHz量級(jí)，相比于掃描范圍可視為線狀譜光線；標(biāo)定系統(tǒng)所用的光纖耦合器為熔融拉錐型1X2的3dB光纖耦合器，經(jīng)過它的激光會(huì)被平均分為光強(qiáng)比例1:1的兩束。本實(shí)用新型以光纖氣體傳感器器件內(nèi)部水為參考的痕量水氣檢測裝置有以下優(yōu)
占-
^ \\\.[0027]巧妙地利用的光纖氣體傳感器器件中的本底水作為參考；梯形波電流用于激光器的驅(qū)動(dòng)使得電信號(hào)的波形調(diào)整變得更加方便；裝置設(shè)計(jì)中省去了光纖耦合器并只采用單個(gè)探測器節(jié)約了成本；傳感器不帶電，可采用光纖傳輸信號(hào)，實(shí)現(xiàn)特殊環(huán)境下水氣濃度的無電檢測。

圖1為本實(shí)用新型痕量水氣檢測裝置的示意圖。其中:1、單片機(jī)，2、DFB激光器，3、氣室，4、光纖準(zhǔn)直器，5、PIN光電探測器，6、差分放大電路，7、濾波電路。圖2為標(biāo)定系統(tǒng)不意圖,用于標(biāo)定基于光纖氣體傳感器器件本底水的痕量水氣檢測裝置中器件DFB激光器、光纖準(zhǔn)直器及PIN光電探測器三個(gè)器件內(nèi)部水氣對(duì)激光造成吸收率。其中:8、單片機(jī),9、DFB激光器,10、光纖稱合器,11、氣室，12、光纖準(zhǔn)直器,13、第一 PIN光電探測器，14、第二 PIN光電探測器，15、差分放大電路，16、濾波電路。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，但不限于此。實(shí)施例:本實(shí)用新型裝置的實(shí)施例如圖1-2所示，包括標(biāo)定系統(tǒng)、DFB激光器2、氣室3、光纖準(zhǔn)直器4、PIN光電探測器5、差分放大電路6、濾波電路7及單片機(jī)1，其特征在于DFB激光器2位于氣室3前，光纖準(zhǔn)直器4位于氣室3內(nèi)，PIN光電探測器5位于光纖準(zhǔn)直器4之后，光纖準(zhǔn)直器4經(jīng)單模光纖連接耦 合到PIN光電探測器5上，PIN光電探測器5輸出端連接差分放大電路6的一個(gè)輸入端，差分放大電路6的輸出端連接濾波電路7，濾波電路7的輸出端和單片機(jī)I的A/D采集端相連接；單片機(jī)I和DFB激光器2相連接為其提供梯形波信號(hào)電流作為DFB激光器2工作的驅(qū)動(dòng)電流；單片機(jī)I連接到差分放大電路6的另一個(gè)輸入端為差分放大電路6輸入端提供輸入信號(hào)；所述的標(biāo)定系統(tǒng)包括DFB激光器9、光纖稱合器10、氣室11、光纖準(zhǔn)直器12、第一PIN光電探測器13、第二 PIN光電探測器14、差分放大電路15、濾波電路16及單片機(jī)8，DFB激光器9位于光纖耦合器10前，光纖耦合器10輸出端分作兩路，一路經(jīng)光纖連接到光纖準(zhǔn)直器12，光纖準(zhǔn)直器12位于氣室11內(nèi)，光纖準(zhǔn)直器12的另一端經(jīng)光纖連接耦合到第一 PIN光電探測器13上；光纖耦合器10另一輸出端經(jīng)光纖直接連接耦合到第二 PIN光電探測器14上；第二 PIN光電探測器14的輸出端連接到差分放大電路15的一個(gè)輸入端,差分放大電路15的另一個(gè)輸入端同第一 PIN光電探測器13的輸出端或者單片機(jī)8相連接為其提供梯形波輸入信號(hào)；差分放大電路15的輸出端連接濾波電路16，濾波電路16的輸出端和單片機(jī)8的A/D采集端相連接；單片機(jī)8和DFB激光器9相連接為其提供梯形波信號(hào)電流作為DFB激光器9工作的驅(qū)動(dòng)電流。
權(quán)利要求1.以光纖氣體傳感器器件內(nèi)部水為參考的痕量水氣檢測裝置，包括標(biāo)定系統(tǒng)、DFB激光器、氣室、光纖準(zhǔn)直器、PIN光電探測器、差分放大電路、濾波電路及單片機(jī)，其特征在于DFB激光器位于氣室前，光纖準(zhǔn)直器位于氣室內(nèi)，PIN光電探測器位于光纖準(zhǔn)直器之后，光纖準(zhǔn)直器經(jīng)單模光纖連接耦合到PIN光電探測器上，PIN光電探測器輸出端連接差分放大電路的一個(gè)輸入端，差分放大電路的輸出端連接濾波電路，濾波電路的輸出端和單片機(jī)的A/D采集端相連接；單片機(jī)和DFB激光器相連接為其提供梯形波信號(hào)電流作為DFB激光器工作的驅(qū)動(dòng)電流；單片機(jī)連接到差分放大電路的另一個(gè)輸入端為差分放大電路輸入端提供輸入信號(hào)； 所述的標(biāo)定系統(tǒng)包括DFB激光器、光纖耦合器、氣室、光纖準(zhǔn)直器、第一 PIN光電探測器、第二 PIN光電探測器、差分放大電路、濾波電路及單片機(jī)，DFB激光器位于光纖耦合器前，光纖耦合器輸出端分作兩路，一路經(jīng)光纖連接到光纖準(zhǔn)直器，光纖準(zhǔn)直器位于氣室內(nèi)，光纖準(zhǔn)直器的另一端經(jīng)光纖連接耦合到第一 PIN光電探測器上；光纖耦合器另一輸出端經(jīng)光纖連接直接耦合到第二 PIN光電探測器上；第二 PIN光電探測器的輸出端連接到差分放大電路的一個(gè)輸入端，差分放大電路的另一個(gè)輸入端同第一 PIN光電探測器的輸出端或者單片機(jī)相連接為其提供梯形波輸入信號(hào)；差分放大電路的輸出端連接濾波電路，濾波電路的輸出端和單片機(jī)的A/D采集端相連接；單片機(jī)和DFB激光器相連接為其提供梯形波信號(hào)電流作為DFB激光器工作·的驅(qū)動(dòng)電流。
專利摘要以光纖氣體傳感器器件內(nèi)部水為參考的痕量水氣檢測裝置，屬光纖檢測技術(shù)領(lǐng)域。裝置包括標(biāo)定系統(tǒng)、DFB激光器、氣室、PIN光電探測器及單片機(jī)等。標(biāo)定系統(tǒng)用于對(duì)器件內(nèi)部的水含量進(jìn)行標(biāo)定；DFB激光器位于氣室前，光纖準(zhǔn)直器位于氣室內(nèi)，PIN光電探測器位于光纖準(zhǔn)直器之后，PIN光電探測器輸出端連接差分放大電路的一個(gè)輸入端，差分放大電路的輸出端連接濾波電路，濾波電路的輸出端和單片機(jī)的A/D采集端相連接，單片機(jī)和DFB激光器相連接為其提供驅(qū)動(dòng)電流，單片機(jī)連接到差分放大電路的一個(gè)輸入端為差分放大電路輸入端提供輸入信號(hào)。本實(shí)用新型具有抗電磁輻射、抗腐蝕、技術(shù)簡單的優(yōu)點(diǎn)，在使用中攜帶方便、性能穩(wěn)定，且造價(jià)低廉。
文檔編號(hào)G01N21/31GK203148838SQ201320093238
公開日2013年8月21日 申請(qǐng)日期2013年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月28日
發(fā)明者王強(qiáng), 常軍, 劉永寧, 王福鵬, 朱存光, 魏巍, 高婷, 王偉杰 申請(qǐng)人:山東大學(xué)