專利名稱：一種紅外氣體檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種紅外氣體檢測(cè)系統(tǒng)，屬于氣體檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微水含量的檢測(cè)在電力工業(yè)中有著重要的作用。80年代中期以來(lái)，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，SF6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(jí)IlOkv及以上的項(xiàng)目中，基本上都使用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(yùn)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(gè)電網(wǎng)的安全。在運(yùn)行中，SF6氣體受電弧放電或高溫后，會(huì)分解成單體的氟、硫和氟硫化合物，電弧消失后會(huì)又化合成穩(wěn)定的SF6氣體。但是當(dāng)氣體中含有水分時(shí)，氟硫化合物會(huì)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(shí)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(yùn)行可靠性。除電力系統(tǒng)高壓開關(guān)柜中微水含量，變壓器油中的水氣體濃度檢測(cè)也是不可缺少的。利用紅外光譜吸收技術(shù)對(duì)SF6斷路器中水分含量進(jìn)行檢測(cè)，其優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)速度快，靈敏度高，并可實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。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，使通過(guò)氣室后的傳輸光光強(qiáng)發(fā)生變化，從而與氣體吸收損耗帶來(lái)的光強(qiáng)變化混淆，帶來(lái)測(cè)量誤差。影響了紅外光譜吸收技術(shù)的測(cè)量精度與長(zhǎng)期穩(wěn)定性。論文“溫度對(duì)光纖準(zhǔn)直器的角度偏移影響分析”[孫鳴捷光子學(xué)報(bào)第35卷第10期2006年10月1509-1512頁(yè)]中提到溫度對(duì)光線準(zhǔn)直器的影響；論文“熔錐光纖耦合器的溫度響應(yīng)”[李川，張以謨，劉鐵根，丁勝傳感技術(shù)學(xué)報(bào)第14卷第3期2001年9月196-198頁(yè)]中提到溫度對(duì)光纖耦合器的影響。
發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足和缺陷，本實(shí)用新型提出了一種紅外氣體檢測(cè)系統(tǒng)。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是按以下方式實(shí)現(xiàn)的:一種紅外氣體檢測(cè)系統(tǒng)，包括溫控電路、電流驅(qū)動(dòng)電路、DFB激光器、氣室、光電探測(cè)器、參考電路、放大電路、數(shù)字電位器、差分電路、濾波電路和微處理器；其特征在于DFB激光器位于氣室之前，氣室另一端接光電探測(cè)器的輸入端，光電探測(cè)器的輸出端與放大電路連接，放大電路的輸出 端與參考電路的輸出端分別連接到差分電路的輸入端，差分電路的輸出端連接濾波電路的輸入端，濾波電路的輸出端連接微處理器，溫控電路連接到DFB激光器，電流驅(qū)動(dòng)電路一邊連接微處理器，另一邊連接DFB激光器，電流驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由微處理器發(fā)出，利用溫控電路與電流驅(qū)動(dòng)電路對(duì)DFB激光器進(jìn)行電流驅(qū)動(dòng)及溫度驅(qū)動(dòng)；數(shù)字電位器的輸入端連接微處理器，數(shù)字電位器的輸出端連接到放大電路的負(fù)反饋增益控制端，通過(guò)微處理器動(dòng)態(tài)控制調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的電阻值來(lái)改變放大電路的負(fù)反饋增益，從而控制放大電路的放大倍數(shù)；所述的溫控電路是由設(shè)置在DFB激光器內(nèi)部的集成的熱敏電阻和外接電阻組成的電橋、電壓比較、溫控芯片及MOS管電路組成，其中電橋連接到電壓比較器的輸入端，電壓比較器的輸出端連接到溫控芯片，溫控芯片和MOS管電路相連接，MOS管電路的輸出端和封裝在DFB激光器上的半導(dǎo)體制冷器(Tec)相連接；所述的放大電路為集成雙運(yùn)放芯片0PA2604 ；所述的電流驅(qū)動(dòng)電路由微處理器的DA與集成運(yùn)放LM358芯片連接而成；所述的參考電路由微處理器的DA與集成雙運(yùn)放芯片0PA2604連接而成。所述的光電探測(cè)器是PIN光電探測(cè)器。所述的差分電路為精密儀表運(yùn)放8221芯片。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)。所述的微處理器為L(zhǎng)PC1758芯片。所述的DFB 激光器是 WSLS-137010C1424-20 蝶型封裝(Distributed FeedbackLaser)分布式反饋激光器,波長(zhǎng)為1370±2nm。所述的數(shù)字電位器為maxin生產(chǎn)的max5388，256位，50K歐量程數(shù)字電位器。利用上述檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)氣室進(jìn)行水氣檢測(cè)的過(guò)程，步驟如下:I)將檢測(cè)系統(tǒng)連接好；接通各電路模塊與單片機(jī)的電源，調(diào)試光路與電路使其正常工作；待測(cè)氣體沖入氣室；2)將溫控電路中電橋電阻設(shè)定為一固定值后不變以實(shí)現(xiàn)對(duì)DFB激光器的恒溫控制:利用微處理器產(chǎn)生在0.03S內(nèi)電流變化48mA，變化過(guò)程從24mA由低到高升溫到72mA，然后再?gòu)?2mA由高到低到24mA往復(fù)進(jìn)行，設(shè)定的電流變化范圍是以在微處理器中對(duì)應(yīng)的輸出電壓為三角波的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)的；由于DFB激光器驅(qū)動(dòng)電流變化會(huì)導(dǎo)致DFB激光器的輸出波長(zhǎng)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(zhǎng)變化，輸出波長(zhǎng)的變化范圍包 含即24mA到72mA之間的電流變化使得DFB激光器的輸出波長(zhǎng)變化，輸出波長(zhǎng)的變化范圍包含了水汽吸收峰1368.597nm的波長(zhǎng)；3)調(diào)節(jié)傳輸光電路的放大電路及差分電路的放大倍數(shù)，調(diào)整時(shí)用示波器觀察其輸出信號(hào)，使輸出電壓在吸收峰之外的幅度為Omv到IOOmv范圍內(nèi)，在吸收峰處的電壓在3V以下，以滿足微處理器采集的信號(hào)幅值要求；4)放大倍數(shù)調(diào)整好之后，經(jīng)濾波電路由微處理器采集出經(jīng)水汽吸收后在波長(zhǎng)1368.597nm處與無(wú)吸收處產(chǎn)生的信號(hào)，經(jīng)過(guò)微處理器計(jì)算出這兩個(gè)信號(hào)的差值并存儲(chǔ)該差值，上述采集、計(jì)算及存儲(chǔ)過(guò)程重復(fù)1000次，取平均值后用微水儀擬合出的差值與水汽含量的關(guān)系即可用微處理器計(jì)算出水氣濃度；5)待測(cè)氣體檢測(cè)完畢，關(guān)閉電源。本實(shí)用新型的系統(tǒng)檢測(cè)的最終吸收峰波形是由兩路三角波信號(hào)通過(guò)差分電路相減后獲得，一路為光信號(hào)通過(guò)光電探測(cè)器后轉(zhuǎn)換為的電信號(hào)，另一路為參考電路產(chǎn)生的模擬電信號(hào)，圖1上半部分表示正常情況下相減后的最終吸收峰波形，A，B點(diǎn)均為無(wú)吸收的波長(zhǎng)位置，應(yīng)在同一水平線上，當(dāng)環(huán)境因素(如溫度，應(yīng)力)變化時(shí)，通過(guò)氣室的信號(hào)光強(qiáng)度會(huì)發(fā)生增強(qiáng)或者衰減，即進(jìn)入差分電路的一路三角波(光信號(hào)轉(zhuǎn)換的一路)會(huì)增大或減小，而參考電路產(chǎn)生的模擬三角波電信號(hào)始終不變(純電信號(hào)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，如光強(qiáng)增強(qiáng)時(shí)，相當(dāng)于被減得三角波增大，微處理器采集到的最終波形信號(hào)會(huì)由圖1的上部分波形變化為下部分波形，波形發(fā)生畸變會(huì)使微處理器計(jì)算差值發(fā)生變化，從而給測(cè)量系統(tǒng)帶來(lái)測(cè)量誤差，為了解決該問(wèn)題，采用基于數(shù)字電位器實(shí)時(shí)補(bǔ)償環(huán)境因素變化對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的影響。一種基于數(shù)字電位器改善紅外氣體檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法，步驟如下:1)，數(shù)字電位器的輸入端連接到微處理器，數(shù)字電位器的輸出端連接到放大電路的負(fù)反饋增益控制端，利用微處理器實(shí)時(shí)改變數(shù)字電位器電阻來(lái)改變放大電路的放大倍數(shù)，通過(guò)放大電路放大倍數(shù)的反向同比例變化補(bǔ)償光強(qiáng)的變化，使得放大電路輸入差分電路中的一路三角波信號(hào)保持不變；2)兩路三角波電信號(hào),包括一路為參考電路產(chǎn)生的模擬三角波電信號(hào)，另一路為傳輸光光電轉(zhuǎn)換后經(jīng)放大電路放大的三角波信號(hào)，經(jīng)過(guò)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，系統(tǒng)工作在正常狀態(tài)時(shí)，即無(wú)環(huán)境因素改變時(shí)，最終采集波形中氣體吸收峰兩側(cè)應(yīng)在同一水平位置(氣體吸收峰兩側(cè)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)均不在特征吸收區(qū)域，無(wú)吸收衰減)，當(dāng)環(huán)境因素變化時(shí)，傳輸光光強(qiáng)變化，該路進(jìn)入差分電路的三角波變化，波形畸變，氣體吸收峰兩側(cè)在水平方向上發(fā)生錯(cuò)位；在微處理器芯片中進(jìn)行判斷；3)當(dāng)環(huán)境因素改變，傳輸光光強(qiáng)減弱時(shí)，通過(guò)微處理器增大數(shù)字電位器阻值，使放大電路放大倍數(shù)增大，用反向同比例增大電路放大倍數(shù)的方法補(bǔ)償光強(qiáng)的衰減，氣體吸收峰兩側(cè)回到同一水平位置后，說(shuō)明差分電路中光信號(hào)轉(zhuǎn)換的三角波幅值恢復(fù)到環(huán)境因素變化前三角波的大小，數(shù)字電位器阻值不再發(fā)生改變，調(diào)整停止；4)當(dāng)環(huán)境因素改變，傳輸光光強(qiáng)增強(qiáng)時(shí)，通過(guò)微處理器減小數(shù)字電位器阻值，使放大電路放大倍數(shù)減小，用反向同`比例減小電路放大倍數(shù)的方法補(bǔ)償光強(qiáng)的增強(qiáng)，使氣體吸收峰兩側(cè)回到同一水平位置后，說(shuō)明差分電路中光信號(hào)轉(zhuǎn)換的三角波幅值恢復(fù)到環(huán)境因素變化前三角波的大小，數(shù)字電位器阻值不再發(fā)生改變，調(diào)整停止；5)上述調(diào)整I分鐘進(jìn)行一次，能實(shí)時(shí)消除環(huán)境因素變化對(duì)系統(tǒng)影響，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。本實(shí)用新型具有以下的優(yōu)點(diǎn):本實(shí)用新型方便安裝，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。通過(guò)控制放大器放大倍數(shù)的數(shù)字電位器實(shí)時(shí)反饋調(diào)節(jié)，消除了環(huán)境變化以及光源的不穩(wěn)定的影響，在溫差較大的環(huán)境也可以運(yùn)行，精確度與靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短，能及時(shí)監(jiān)控水汽濃度，操作簡(jiǎn)便，無(wú)污染，只要改變波長(zhǎng)范圍，這種辦法同時(shí)可以應(yīng)用到其他種類氣體濃度的檢測(cè)中去，應(yīng)用十分廣泛。

圖1為環(huán)境因素發(fā)生改變前后，微處理器采集到波形的變化圖，上部分為系統(tǒng)正常工作時(shí)的波形，下部分為環(huán)境因素發(fā)生變化時(shí)的畸變波形。圖2是本實(shí)用新型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。[0035]其中:1、電流驅(qū)動(dòng)電路，2、溫控電路，3、DFB激光器，4、氣室，5、光電探測(cè)器，6、放大電路，7、差分電路，8、參考電路，9、濾波電路，10、微處理器，11、數(shù)字電位器。圖3是數(shù)字電位器電路。CS為片選端，CLK為SPI總線時(shí)鐘端，DIN為數(shù)值輸入端。分別連接在微處理器對(duì)應(yīng)GPIO管腳或者SPI總線管腳，通過(guò)微處理器控制數(shù)字電位器阻值。W、L為數(shù)字電位器電阻輸出端連接到圖4所示的放大電路W，L兩端作為增益電阻。5V電源供電與接地處均加入104電容進(jìn)行濾波。圖4為放大電路電路圖，采用集成雙運(yùn)放2604放大芯片完成兩級(jí)放大，光電探測(cè)器D4的負(fù)極與限流電阻R38相連接，D4的正極連接到第一級(jí)放大器的負(fù)輸入端，第一級(jí)放大器的輸出端連接反饋電阻R39作為增益控制電阻，反饋電阻R39的另一端連接到第一級(jí)放大器的負(fù)輸入端，第一級(jí)放大器的正輸入端接地，第一級(jí)放大器輸出端通過(guò)電阻R40與第二級(jí)放大器的負(fù)輸入端相接，第二級(jí)放大器的正輸入端通過(guò)IK電阻R42接地，第二級(jí)放大器的負(fù)輸入端和輸出端分別和圖3所示的數(shù)字電位器的電阻輸出端W、L端相連接，第二級(jí)放大器的輸出端連接圖5所示的差分電路的負(fù)輸入端(即Rg電阻上);放大電路的4、8腳分別連負(fù)、正12V電源，負(fù)、正12V電源與接地處之間分別連接電容C35、C33進(jìn)行濾波。圖5為差分電路與濾波電路電路圖，差分電路采用運(yùn)放8221芯片，其負(fù)輸入端連接電阻Rg，正輸入端連接電阻Rh，8221芯片的3腳連接電位器R的中間端和一端，電位器R的另一端連接8221芯片的2腳，電位器R能夠?qū)Σ罘蛛娐愤M(jìn)行增益控制；8221芯片的5、8腳分別連接負(fù)、正12V電源，負(fù)、正12V電源與接地處之間分別連接電容C41、C40進(jìn)行濾波；8221芯片的輸出端7腳連接電阻Rm，Rm的另一端連接電阻Rn之后接地，Rm和Rn的公共端連接到濾波電路；濾波電路是有源濾波芯片UAF構(gòu)成的低通濾波器，其中電阻Ri連接在濾波芯片UAF的8腳和16腳，電阻Rk連接到濾波芯片UAF的9腳和14腳，其I腳連接微處理器的A / D端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，2腳、15腳接地，10腳、11腳分別連接負(fù)、正12V電源，負(fù)、正12V電源與接地處之間分別連接電容C43、C42進(jìn)行濾波；低通濾波器中由Ri，Rk, Rm, Rn的阻值來(lái)決定濾波截止頻率。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明，但不限于此。實(shí)施例:本實(shí)用新型實(shí)施例如圖2所示:一種紅外氣體檢測(cè)系統(tǒng)，包括電流驅(qū)動(dòng)電路1、溫控電路2、DFB激光器3、氣室4、光電探測(cè)器5、放大電路6、差分電路7、參考電路8、濾波電路9、微處理器10、數(shù)字電位器11，其特征在于DFB激光器3位于氣室4之前，氣室4另一端接光電探測(cè)器5的輸入端,光電探測(cè)器5的輸出端與放大電路6連接，放大電路6的輸出端與參考電路8的輸出端分別連接到差分電路7的輸入端，差分電路7的輸出端連接濾波電路9的輸入端，濾波電路9的輸出端連接微處理器10，溫控電路2連接到DFB激光器3，電流驅(qū)動(dòng)電路I 一邊連接微處理器10，另一邊連接DFB激光器3，電流驅(qū)動(dòng)電路I的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由微處理器10發(fā)出，利用溫控電路2與電流驅(qū)動(dòng)電路I對(duì)DFB激光器3進(jìn)行電流驅(qū)動(dòng)及溫度驅(qū)動(dòng)；數(shù)字電位器11的輸入端連接微處理器10，數(shù)字電位器11的輸出端連接到放大電路6的負(fù)反饋增益控制端，通過(guò)微處理器10動(dòng)態(tài)控制調(diào)節(jié)數(shù)字電位器11的電阻值來(lái)改變放大電路6的負(fù)反饋增益，從而控制放大電路6的放大倍數(shù)；[0043]所述的溫控電路2是由設(shè)置在DFB激光器3內(nèi)部的集成的熱敏電阻和外接電阻組成的電橋、電壓比較、溫控芯片及MOS管電路組成，其中電橋連接到電壓比較器的輸入端，電壓比較器的輸出端連接到溫控芯片，溫控芯片和MOS管電路相連接，MOS管電路的輸出端和封裝在激光器上的半導(dǎo)體制冷器(Tec)相連接；所述的放大電路6為集成雙運(yùn)放芯片0PA2604 ；所述的電流驅(qū)動(dòng)電路I由微處理器的DA與集成運(yùn)放LM358芯片連接而成；所述的參考電路8由微處理器的DA與集成雙運(yùn)放芯片0PA2604連接而成。所述的光電探測(cè)器5是PIN光電探測(cè)器。所述的差分電路7為精密儀表運(yùn)放8221芯片。所述的濾波電路9為通用有源濾波器芯片UAF42，是低通濾波器結(jié)構(gòu)。所述的微處理器10為L(zhǎng)PC1758芯片。所述的DFB 激光器 3 是 WSLS-137010C1424-20 蝶型封裝(Distributed FeedbackLaser)分布式反饋激光器,波長(zhǎng)為1370±2nm。所述的數(shù)字電位器·11為maxin生產(chǎn)的max5388，256位，50K歐量程數(shù)字電位器。
權(quán)利要求1.一種紅外氣體檢測(cè)系統(tǒng)，包括溫控電路、電流驅(qū)動(dòng)電路、DFB激光器、氣室、光電探測(cè)器、參考電路、放大電路、數(shù)字電位器、差分電路、濾波電路和微處理器；其特征在于DFB激光器位于氣室之前，氣室另一端接光電探測(cè)器的輸入端，光電探測(cè)器的輸出端與放大電路連接，放大電路的輸出端與參考電路的輸出端分別連接到差分電路的輸入端，差分電路的輸出端連接濾波電路的輸入端，濾波電路的輸出端連接微處理器，溫控電路連接到DFB激光器，電流驅(qū)動(dòng)電路一邊連接微處理器，另一邊連接DFB激光器，電流驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由微處理器發(fā)出，利用溫控電路與電流驅(qū)動(dòng)電路對(duì)DFB激光器進(jìn)行電流驅(qū)動(dòng)及溫度驅(qū)動(dòng)；數(shù)字電位器的輸入端連接微處理器，數(shù)字電位器的輸出端連接到放大電路的負(fù)反饋增益控制端，通過(guò)微處理器動(dòng)態(tài)控制調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的電阻值來(lái)改變放大電路的負(fù)反饋增益，從而控制放大電路的放大倍數(shù)； 所述的溫控電路是由設(shè)置在DFB激光器內(nèi)部的集成的熱敏電阻和外接電阻組成的電橋、電壓比較、溫控芯片及MOS管電路組成，其中電橋連接到電壓比較器的輸入端，電壓比較器的輸出端連接到溫控芯片，溫控芯片和MOS管電路相連接，MOS管電路的輸出端和封裝在DFB激光器上的半導(dǎo)體制冷器相連接； 所述的放大電路為集成雙運(yùn)放芯片0PA2604 ； 所述的電流驅(qū)動(dòng)電路由微處理器的DA與集成運(yùn)放LM358芯片連接而成； 所述的參考電路由微處理器的DA與集成雙運(yùn)放芯片0PA2604連接而成。
2.如權(quán)利要求1所述的一種紅外氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的光電探測(cè)器是PIN光電探測(cè)器 。
專利摘要一種紅外氣體檢測(cè)系統(tǒng)，屬于氣體檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。包括溫控電路、電流驅(qū)動(dòng)電路、DFB激光器、氣室、光電探測(cè)器、參考電路、放大電路、數(shù)字電位器、差分電路、濾波電路、微處理器。其特征在于利用數(shù)字電位器作為放大電路的增益電阻，通過(guò)微處理器采集到的最終波形的變化經(jīng)過(guò)軟件處理后，反饋調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的阻值來(lái)改變傳輸光路電信號(hào)的放大倍數(shù)，達(dá)到自動(dòng)補(bǔ)償由于環(huán)境因素(除氣體吸收以外)帶來(lái)的通過(guò)氣室的傳輸光光功率波動(dòng)的目的，克服了由此帶來(lái)的系統(tǒng)測(cè)量誤差。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性高，對(duì)系統(tǒng)環(huán)境變化不敏感的特點(diǎn)，可以廣泛的應(yīng)用于自由光路與光纖氣體檢測(cè)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01N21/35GK203148842SQ20132009323
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)明者朱存光, 常軍, 王朋朋, 王強(qiáng), 劉永寧, 魏巍, 高婷, 王福鵬 申請(qǐng)人:山東大學(xué)