本申请涉及气体检测技术领域，尤其涉及一种变压器油中气体检测装置。
背景技术：
电力变压器在电力系统中承担电压转换、电能分配等任务，是电力系统中最重要的枢纽设备，其运行可靠性关系到电力系统的安全与稳定。电力变压器一旦在运行时发生故障，不但会导致电力变压器损坏甚至报废，还可能引起大面积停电事故的发生，造成巨大的经济损失。其中，在油浸式电力变压器在发生故障及老化过程中，其油纸绝缘系统会发生裂解并产生各种反映故障类型和老化程度的特征气体(如h2、co、co2、ch4、c2h6、c2h4、c2h2等)，这些特征气体溶解于绝缘油中。因此，对油中溶解气体进行监测是判断油浸式电力变压器早期潜伏性故障最方便、最有效的方法之一。
针对变压器油中溶解气体检测，目前常用的气相色谱法、质谱法、化学传感器法、红外吸收光谱法和光声光谱法等气体检测方法，但是上述方法存在色谱柱易老化、混合气体交叉敏感、稳定性低等问题，且无法实现油中气体原位检测，不能满足电气设备长期稳定在线监测需求。基于上述问题，所以目前通常采用拉曼光谱法对变压器油中溶解气体检测，但是，该检测方式受限于极低的气体拉曼散射强度，导致气体最小检测浓度不能满足实际需求。
因此，亟需提供一种新型的变压器油中溶解气体检测装置，以实现变压器油中溶解气体高灵敏度检测。
技术实现要素：
为了解决目前传统的变压器油中溶解气体检测方法的问题，本发明提出一种变压器油中气体检测装置。
本发明实施例提供了一种变压器油中气体检测装置，该装置包括：
激光单元，用于发出激光；
声电联合调制单元，包括声光调制器，设置在所述激光单元的出光侧，用于对所述激光进行声光调制，增强所述激光的强度；电光调制器，设置在声光调制器的出光侧，用于对所述声光调制器输出的光信号进行相位、幅度、强度以及偏振状态的调制；
气室单元,设置在所述声电联合调制单元的出光侧，用于放置fp谐振腔并填充待测气体；
所述fp谐振腔由第一高反镜和第二高反镜构成，用于提高进入腔内激光的功率，所述fp谐振腔内的激光穿过所述待测气体，并使得所述待测气体产生拉曼散射光；
pdh频率锁定单元，用于根据所述fp谐振腔反馈的激光信号，调节所述fp谐振腔的腔长；
光谱采集单元，用于对所述fp谐振腔发出的所述拉曼散射光进行采集与检测。
进一步地，所述激光单元包括：
激光器，用于发射激光；
准直镜，设置在所述激光器的出光侧，用于将所述激光准直为平行光；
带通滤波镜，设置在所述准直镜的出光侧，用于滤除杂散光，以减小光谱噪声。
进一步地，所述声电联合调制单元还包括：
第一半波片,设置在所述带通滤波镜的出光侧，用于调节所述激光单元出射激光的偏振方向；
第一偏振分束器，设置在所述第一半波片的出光侧，用于对所述激光进行分束，形成正交的两束激光，其中一束所述激光透射过第一偏振分束器后进入所述声光调制器，另一束进入第二半波片；
第一四分之一波片，设置在所述声光调制器的出光侧，用于调节所述激光的偏振态；
第三反射镜，设置在所述第一四分之一波片的出光侧，用于将所述激光反射，使得所述激光再次经过所述第一四分之一波片和所述声光调制器，然后经所述第一偏振分束器到达所述第二半波片；
偏振片，设置在所述第二半波片和所述电光调制器之间，用于提高所述激光的偏振性。
进一步地，所述气室单元还包括一个气室，所述气室安装有：
第一窗口镜，设置在所述声电联合调制单元发出激光侧，用于使所述激光进出所述气室；
第二窗口镜，设置在所述光谱采集单元一侧，用于所述拉曼散射光的收集；
气密数据接口，用于所述pdh频率锁定单元输出的负反馈控制信号进入所述气室内；
进气口和出气口，用于待测气体的进出所述气室。
进一步地，所述pdh频率锁定单元包括：
第二偏振分束器，设置在所述电光调制器的出光侧，用于对所述激光进行分束，形成正交的两束激光，其中一束所述激光透射过第二偏振分束器后进入第二四分之一波片，另一束进入光电探测器；
所述第二四分之一波片，设置在所述第二偏振分束器和所述气室单元之间，用于调节所述激光的偏振态；
所述光电探测器，用于探测所述fp谐振腔反馈的激光强度，并输出fp谐振腔激光透射信号；
pdh频率锁定器，接收所述fp谐振腔激光透射信号，将所述激光器发出激光频率与所述fp谐振腔激光透射信号进行混频比较，输出所述负反馈控制信号；
压电位移器，与所述第一高反镜或第二高反镜相连，用于根据所述负反馈控制信号，驱动所述第一高反镜或第二高反镜移动。
进一步地，所述光谱采集单元包括：
高通滤波镜，设置在所述气室一侧，用于滤除所述拉曼散射光中的杂光信号，以提高所述拉曼散射光的信噪比；
收集透镜，设置在所述高通滤波镜的出光侧，用于将所述气体拉曼散射光聚焦，提高所述气体拉曼散射光的收集效率；
光谱仪与ccd，设置在所述收集透镜的出光测，用于所述气体拉曼散射光的采集。
进一步地，所述声光调制器的工作波长为1064nm、中心频率为25mhz、带宽为1mhz。
进一步地，所述电光调制器的工作波长为1064nm、调制频率为12.5mhz。
进一步地，所述第一高反镜和所述第二高反镜均为平凹镜，曲率半径为1m。
进一步地，所述激光器为光纤激光器。
基于上述实施例可见，本发明实施例提供的变压器油中气体检测装置。该装置通过声光调制器对激光进行声光调制，电光调制器对光信号进行相位、幅度、强度以及偏振状态的调制，以及pdh频率锁定单元对fp谐振腔腔长的调节，实现了入射激光与fp谐振腔内的激光的匹配，经匹配后的激光在fp谐振腔内形成多光束相长干涉，提高腔内激光功率，进而提高了微量气体的拉曼散射信号强度，实现变压器油中溶解气体高灵敏度检测。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种变压器油中气体检测装置图；
图2为本发明实施例提供的一种变压器油中溶解二氧化碳的相对拉曼强度图。
图1标号说明：
1-激光单元11-激光器
12-准直器13-第一反射镜
14-第二反射镜15-带通滤波镜
2-声电联合调制单元21-第一半波片
22-第一偏振分束器23-声光调制器
24-第一四分之一波片25-第三反射镜
26-第四反射镜27-第五反射镜
28-第六反射镜29-第二半波片
210-偏振片211-电光调制器
3-气室单元31-第一高反镜
32-第二高反镜33-第一窗口镜
34-第二窗口镜35-气密数据接口
36-进气口37-出气口
4-pdh频率锁定单元41-第二偏振分束器
42-第二四分之一波片43-第七反射镜
44-电光探测器45-pdh频率锁定器
46-压电位移器5-光谱采集单元
51-高通滤波镜52-收集透镜
53-光谱仪与ccd
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
图1所示为一种基于声电联合调制频率增强拉曼光谱的变压器油中气体检测装置。如图1所示，该装置包括激光单元1、声电联合调制单元2、气室单元3、pdh频率锁定单元4、光谱采集单元5。其中，激光单元1包括激光器11、准直器12、第一反射镜13、第二反射镜14和带通滤波镜15；声电联合调制单元2包括第一半波片21、第一偏振分束器22、声光调制器23、第一四分之一波片24、第三反射镜25、第四反射镜26、第五反射镜27、第六反射镜28、第二半波片29、偏振片210和电光调制器211；气室单元3包括第一高反镜31、第二高反镜32、第一窗口镜33、第二窗口镜34、气密数据接口35、进气口36和出气口37；pdh频率锁定单元4包括第二偏振分束器41、第二四分之一波片42、第七反射镜43、电光探测器44、pdh频率锁定器45和压电位移器；光谱采集单元5包括高通滤波镜51、收集透镜52和光谱仪与ccd53。
具体地，激光单元1用于发出激光。激光器11可以为光纤激光器，发出的激光波长为1064nm，线宽小于5khz，功率为3.7mw，用于提供气体拉曼光谱检测所需的光源。激光器11发出的激光经过准直镜12将发散激光准直为平行激光，其中，选用的准直镜可以为平凸透镜，焦距3.6mm，直径6.35mm，准直镜后激光的光斑为2mm。经准直镜12准直后的激光经过第一反射镜13和第二反射镜14的引导到达带通滤波镜15，其中，选用的第一反射镜13与第二反射镜14可以为平面反射镜，直径25.4mm，用于对激光光路进行引导与调节。带通滤波镜15的中心波长为1064nm，带宽为10nm，镜片直径为25.4mm，用于阻挡激光器发出的980nm的杂散光。激光经过带通滤波镜15后，进入声电联合调制单元2。激光单元1，发出激光并对激光进行准直和滤除杂散光后，为气体拉曼光谱检测提供了优质的光源。
声电联合调制单元2，设置在激光单元1的出光侧，用于对激光单元1产生的激光进行调制，以便实现谐振腔的频率锁定。激光单元1发出的激光到达声电联合调制单元2，首先经过第一半波片21对激光的偏振方向进行调制，第一半波片21将激光偏振方向调制为可以透射过第一偏振分束器22激光的偏振方向；其中，选用的第一半波片21工作波长为1064nm，镜片直径为25.4mm。经第一半波片21调制后的激光进入第一偏振分束器22，第一偏振分束器22工作波长为1064nm，形状可以为正方体，边长可以为30mm，用于对激光进行分束，形成正交的两束激光；其中一束激光透射过第一偏振分束器22后进入声光调制器23，另一束激光到达第二半波片29。其中，声光调制器23工作波长为1064nm，中心频率为25mhz，带宽为1mhz，用于对激光进行声光调制，增强激光的强度。从声光调制器23出射的激光穿过第一四分之一波片24到达第三反射镜25，经第三反射镜25的反射使得激光再次经过第一四分之一波片24和声光调制器23，然后经第一偏振分束器22到达第二半波片29。其中，第一四分之一波片24工作波长为1064nm，镜片直径为25.4mm，用于调节激光的偏振态；第三反射镜25工作波长均为1064nm，镜片直径为25.4mm，用于将激光反射，使得激光再次经过第一四分之一波片24和声光调制器23。两次经过声光调制器23使得使用一个声光调制器23对激光进行了两次声光调制，使得在节省元件的使用量同时也加强了对激光的调制作用；两次经过第一四分之一波片24使得激光的偏振方向发生两次变化，偏振方向变化后的激光再次经过第一偏振分束器21时只能改变传输方向到达第二半波片29，而不能透射经过第一偏振分束器21返回激光单元1，从而避免了激光反射对激光器11发出激光的影响。另外，在第一偏振分束器22和第二半波片29之间设置有第四反射镜26、第五反射镜27和第六反射镜28，工作波长均为1064nm，镜片直径为25.4mm，用于对激光进行引导，通过多个反射镜可以精细调节光路。第二半波片29工作波长为1064nm，镜片直径为25.4mm，用于对激光的偏振方向再次进行调制，使得出射激光可以更好地匹配偏振片210。激光经过第二半波片29调制后到达匹配偏振片210，所用偏振片210工作波长为1064nm，消光比大于10000，镜片直径为25.4mm，用于进一步提高激光的偏振性。激光经过偏振片210后，到达电光调制器211，所用电光调制器211工作波长为1064nm，调制频率为12.5mhz，用于对激光进行相位、幅度、强度以及偏振状态的调制。电光调制器211出射的激光经过第二偏振分束器41分束后，形成两束正交的激光，透射经过第二偏振分束器41的激光进入气室单元3，另一束进入pdh频率锁定单元4。
声电联合调制单元2，经过声光调制器23和电光调制器211对激光的相位、幅度、强度进行调制，以及半波片、四分之一波片和偏振片对激光的偏振方向和偏振态等的调制后，使得激光进入fp谐振腔时能够更好的实现频率的锁定。
激光从第二偏振分束器41出射后在进入气室单元3之前还经过第二四分之一波片42，其中，第二偏振分束器41工作波长为1064nm，形状可以为正方体，边长可以为30mm；第二四分之一波片42工作波长为1064nm，镜片直径为25.4mm，用于调节激光的偏振态。然后激光透过气室单元3的气室上设有的第一窗口镜33进入到气室内。进入到气室内的激光首先到达第一高反镜31，部分激光透射经过第一高反镜31进入到由第一高反镜31和第二高反镜32构成的fp谐振腔，激光在fp谐振腔内多次反射并形成多光束相长干涉，从而提高腔内激光功率。气室内盛装有待测气体，fp谐振腔内的激光穿过待测气体，从而使得气体产生拉曼散射光。气室上还设有第二窗口镜34，用于拉曼散射光从气室出射至光谱采集单元5；气密数据接口35，用于pdh频率锁定单元4输出的负反馈控制信号进入气室内；进气口36和出气口37，用于待测气体进出气室。其中，第一窗口镜33和第二窗口镜34均为平面镜，镜片直径25.4mm，且表面镀有适合波长1000nm–1600nm的激光透过的增透膜，以增加激光的透射率。第一高反镜和第二高反镜均可以为平凹镜，曲率半径为1m，1064nm波长处镜片反射率为99.98％，镜片直径为25.4mm；第一高反镜和第二高反镜平行放置，相距50cm。
pdh频率锁定单元4，用于实时监测和处理fp谐振腔反馈的激光信号，调节fp谐振腔的腔长，以满足fp谐振腔激光频率锁定激光器发出激光频率，进而有利于腔内功率的提高。fp谐振腔内经第一高反镜31透射出来的激光和高反镜反射的激光再次经过第二四分之一波片42，激光经第二四分之一波片42再次调节偏振态后到达第二偏振分束器41。经两次调节偏振态的激光经过第二偏振分束器41时无法透射返回，只能进入pdh频率锁定单元4，从而实现了激光器发出激光与fp谐振腔透射的激光都可以进入到pdh频率锁定单元4。进入到pdh频率锁定单元4的激光首先经过光电探测器44，光电探测器44用于探测fp腔的激光反射强度，同时输出fp谐振腔激光透射信号给pdh频率锁定器。pdh频率锁定器45，接收fp谐振腔激光透射信号，将激光器11发出激光的频率与获得的fp谐振腔激光透射信号进行混频比较，经滤波放大后获得误差信号，该误差信号经过比例－积分处理后得到负反馈控制信号并作用于压电位移器46；压电位移器46，与第一高反镜31或者第二高反镜32相连，接收pdh频率锁定器45发出的负反馈控制信号，驱动第一高反镜31或者第二高反镜32移动，从而实现对腔长的精确控制。通过pdh频率锁定单元4对fp谐振腔反馈的激光信号的监控与处理，和对fp谐振腔腔长的调节，使得fp谐振腔激光频率锁定激光器发出激光频率，进而提高了fp谐振腔内激光的谐振性能。
光谱采集单元5，设置在气室单元3的一侧，用于对拉曼散射光进行采集与检测。从密闭气室第二窗口镜34出来的拉曼散射光首先经过高通滤波镜51，高通滤波镜51的截止波长为1065nm，小于该波长的激光会被反射，大于该波长的激光被透射，用于滤除杂光以提高拉曼散射光的信噪比；然后到达收集透镜52，收集透镜52焦距为50.4mm，镜片直径为25.4mm，用于将光路中的气体拉曼散射光聚焦到光谱仪狭缝中，提高气体拉曼散射光的收集效率；最后使用光谱仪与ccd53对气体拉曼散射光进行采集。光谱仪与ccd53的工作波长为1000nm-2000nm。
该变压器油中气体检测装置，通过声电联合调制单元对激光单元发出的激光进行激光的相位、幅度、强度和偏振态进行调制，以及pdh频率锁定单元对fp谐振腔腔长的精准控制，实现了激光器发出的激光频率与fp谐振腔单元反馈的激光频率的锁定，进而增强了fp谐振腔内激光的谐振性；具有较强谐振性的激光在fp谐振腔内多次反射并形成多光束相长干涉，从而提高腔内激光功率。最终提高了微量气体的拉曼散射强度，实现了变压器油中溶解气体高灵敏度检测。
图2为本发明实施例提供的一种变压器油中溶解二氧化碳的相对拉曼强度图。该变压器油中溶解二氧化碳的拉曼散射强度是应用本实施例提供的变压器油中气体检测装置检测获得。本发明装置可使腔内激光强度到达22w，对应激光强度增强倍数为5900倍。以变压器油中溶解的二氧化碳为例，本装置测得的拉曼光谱图如图2所示。本装置对二氧化碳的检测下限为5ppm。证明了该检测装置对变压器油中溶解气体检测具有较高的灵敏度。
本说明书中的实施例采用递进的方式描述。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，对于相关领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的电路结构、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素，在没有更多限制的情况下，有语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或顺序。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
1.一种变压器油中气体检测装置，其特征在于，包括：
激光单元(1)，用于发出激光；
声电联合调制单元(2)，包括声光调制器(23)，设置在所述激光单元(1)的出光侧，用于对所述激光进行声光调制，增强所述激光的强度；电光调制器(211)，设置在声光调制器(23)的出光侧，用于对所述声光调制器(23)输出的光信号进行相位、幅度、强度以及偏振状态的调制；
气室单元(3),设置在所述声电联合调制单元(2)的出光侧，用于放置fp谐振腔并填充待测气体；
所述fp谐振腔由第一高反镜(31)和第二高反镜(32)构成，用于提高进入腔内激光的功率，所述fp谐振腔内的激光穿过所述待测气体，并使得所述待测气体产生拉曼散射光；
pdh频率锁定单元(4)，用于根据所述fp谐振腔反馈的激光信号，调节所述fp谐振腔的腔长；
光谱采集单元(5)，用于对所述fp谐振腔发出的所述拉曼散射光进行采集与检测。
2.根据权利要求1所述的变压器油中气体检测装置，其特征在于，所述激光单元(1)包括：
激光器(11)，用于发射激光；
准直镜(12)，设置在所述激光器(11)的出光侧，用于将所述激光准直为平行光；
带通滤波镜(15)，设置在所述准直镜(12)的出光侧，用于滤除杂散光，以减小光谱噪声。
3.根据权利要求2所述的变压器油中气体检测装置，其特征在于，所述声电联合调制单元(2)还包括：
第一半波片(21),设置在所述带通滤波镜(15)的出光侧，用于调节所述激光单元(1)出射激光的偏振方向；
第一偏振分束器(22)，设置在所述第一半波片(21)的出光侧，用于对所述激光进行分束，形成正交的两束激光，其中一束所述激光透射过第一偏振分束器(22)后进入所述声光调制器(23)，另一束进入第二半波片(29)；
第一四分之一波片(24)，设置在所述声光调制器(23)的出光侧，用于调节所述激光的偏振态；
第三反射镜(25)，设置在所述第一四分之一波片(24)的出光侧，用于将所述激光反射，使得所述激光再次经过所述第一四分之一波片(24)和所述声光调制器(23)，然后经所述第一偏振分束器(22)到达所述第二半波片(29)；
偏振片(210)，设置在所述第二半波片(29)和所述电光调制器(211)之间，用于提高所述激光的偏振性。
4.根据权利要求3所述的变压器油中气体检测装置，其特征在于，所述气室单元(3)还包括一个气室，所述气室安装有：
第一窗口镜(33)，设置在所述声电联合调制单元(2)发出激光侧，用于使所述激光进出所述气室；
第二窗口镜(34)，设置在所述光谱采集单元(5)一侧，用于所述拉曼散射光的收集；
气密数据接口(35)，用于所述pdh频率锁定单元(4)输出的负反馈控制信号进入所述气室内；
进气口(36)和出气口(37)，用于待测气体的进出所述气室。
5.根据权利要求4所述的变压器油中气体检测装置，其特征在于，所述pdh频率锁定单元(4)包括：
第二偏振分束器(41)，设置在所述电光调制器(211)的出光侧，用于对所述激光进行分束，形成正交的两束激光，其中一束所述激光透射过第二偏振分束器(41)后进入第二四分之一波片(42)，另一束进入光电探测器(44)；
所述第二四分之一波片(42)，设置在所述第二偏振分束器(41)和所述气室单元(3)之间，用于调节所述激光的偏振态；
所述光电探测器(44)，用于探测所述fp谐振腔反馈的激光强度，并输出fp谐振腔激光透射信号；
pdh频率锁定器(45)，接收所述fp谐振腔激光透射信号，将所述激光器发出激光频率与所述fp谐振腔激光透射信号进行混频比较，输出所述负反馈控制信号；
压电位移器(46)，与所述第一高反镜(31)或第二高反镜(32)相连，用于根据所述负反馈控制信号，驱动所述第一高反镜(31)或第二高反镜(32)移动。
6.根据权利要求4所述的变压器油中气体检测装置，其特征在于，所述光谱采集单元(5)包括：
高通滤波镜(51)，设置在所述气室一侧，用于滤除所述拉曼散射光中的杂光信号，以提高所述拉曼散射光的信噪比；
收集透镜(52)，设置在所述高通滤波镜(51)的出光侧，用于将所述气体拉曼散射光聚焦，提高所述气体拉曼散射光的收集效率；
光谱仪与ccd(53)，设置在所述收集透镜(52)的出光测，用于所述气体拉曼散射光的采集。
7.根据权利要求1所述的变压器油中气体检测装置，其特征在于，所述声光调制器(23)的工作波长为1064nm、中心频率为25mhz、带宽为1mhz。
8.根据权利要求1所述的变压器油中气体检测装置，其特征在于，所述电光调制器(211)的工作波长为1064nm、调制频率为12.5mhz。
9.根据权利要求1所述的变压器油中气体检测装置，其特征在于，所述第一高反镜(31)和所述第二高反镜(32)均为平凹镜，曲率半径为1m。
10.根据权利要求2所述的变压器油中气体检测装置，其特征在于，所述激光器(11)为光纤激光器。
技术总结