一種能改善檢測穩定性的紅外氣體檢測系統的制作方法
【技術領域】
[0001]一種能改善檢測穩定性的紅外氣體檢測系統，屬紅外氣體檢測技術領域。
【背景技術】
[0002]微水含量的檢測在電力工業中有著重要的作用。80年代中期以來，隨著電力工業的迅速發展，六氟化硫(SF6)電氣設備得到了廣泛的應用，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llOkv及以上的項目中，本上都使用SF6開關設備。這些電氣設備在電力系統中，起著非常重要的作用，其運行的可靠性不僅關系到SF6電氣設備本身，而且影響其他設備，甚至整個電網的安全。
[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定的SF6氣體。但是當氣體中含有水分時，氟硫化合物會與水反應生成腐蝕性很強的氫氟酸、硫酸和其他毒性很強的化學物質等，從而腐蝕電氣設備，降低設備絕緣能力，危及維護人員的生命安全。要完全清除儀器內SF6氣體的水分是不可能的，但是時刻掌握SF6氣體微水含量，采取相應的預防控制措施，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。除電力系統高壓開關柜中微水含量，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對SF6斷路器中水分含量進行檢測，其優點是反應速度快，靈敏度高，并可實現在線檢測。但是由于光器件如激光器、耦合器，準直器，光纖容易受到溫度，應力環境因素變化的影響而改變光發生功率和光耦合效率，使傳輸光光強發生變化，從而與氣體吸收損耗帶來的光強變化混淆，帶來測量誤差。影響了紅外光譜吸收技術的測量精度與長期穩定性。
[0005]論文“溫度對光纖準直器的角度偏移影響分析”[孫鳴捷光子學報第35卷第10期2006年10月1509-1512頁]中提到溫度對光線準直器的影響；論文“熔錐光纖一分二耦合器的溫度響應”[李川，張以謨，劉鐵根，丁勝傳感技術學報第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生模擬參考光信號來校準并調整激光器出光，在一定程度上減少了因溫度等環境因素產生的系統誤差，但由于激光器出光功率與注入電流成非線性關系，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。
【發明內容】
[0007]為克服現有技術中存在的不足和缺陷，本發明提出了一種能改善檢測穩定性的紅外氣體檢測系統，通過自增益放大器的自動控制消除由于環境因素(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測量誤差。
[0008]本發明的技術方案是按以下方式實現的:
[0009]一種能改善檢測穩定性的紅外氣體檢測系統，包括溫控電路、電流驅動電路、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，其中一路經氣室到達光電探測器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；另一路光路經光纖一分二耦合器接至IJ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動電路，溫控電路和電流驅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公司的半導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放大器芯片的正負輸入端間連接電阻R1，負輸入端接地；其輸出端經電阻R2連接到后級AD603放大器芯片的正輸入端?’后級AD603放大器芯片的正負輸入端間連接電阻R3，其負輸入端接地，輸出端經電阻R4跟R5或R13串連后連接到整個放大電路的輸出端；AD8561比較器芯片的負輸入端經電阻R6和電阻R4、R5的公共點相連接，由電位器WR1分壓之后經電阻R9連接到其正輸入端，正輸入端經電容C2接地，其輸出端內部接地，其第8腳經電阻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腳經電阻R8和電容C1相并聯后接地；
[0012]所述的電流驅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，是低通濾波器結構。
[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(Distributed FeedbackLaser)的分布式反饋激光器，波長為1370 ±2nm。
[0018]利用上述檢測系統對氣室內水汽進行檢測的方法，步驟如下:
[0019]1)將上述檢測系統連接好，接通光路和各電路中的電源，調試光路與各電路處于正常工作狀態；將待測氣體沖入氣室內；
[0020]2)通過溫控電路對DFB激光器進行恒溫控制:利用微處理器產生在0.03S時間間隔內電流變化幅度為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往復進行，設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的；由于DFB激光器驅動電流變化會導致DFB激光器的輸出波長的變化，在微處理器中設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于其驅動電流的變化范圍，即從24mA到72mA之間的驅動電流的變化范圍包含了 DFB激光器產生的1368.597nm的輸出波長，該輸出波長為水汽吸收峰對應的波長；
[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，經過氣室的一路作為探測光，調節放大電路A和B及差分電路的放大倍數，調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lOOmv范圍內，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調整好之后，由微處理器在濾波電路的輸出端采集出經水汽吸收后在波長1368.597nm處及參考光一路經無水汽吸收在同一波長處產生的信號，經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，由微水儀讀數與同一時刻檢測系統對應儲存差值的對應關系得到的差值(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，關閉檢測系統各處的電源。
[0024]本發明的系統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