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：
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种变压器油中气体检测装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种变压器油中气体检测装置，其特征在于，包括激光单元、光调制单元、fp谐振腔单元、气室单元、pdh频率锁定单元和光谱采集单元，其中：
所述激光单元，用于发出激光；
所述光调制单元，包括半波片和光隔离器；
所述半波片，设置在所述激光单元的出光侧，用于调节所述激光单元所发出的激光的偏振方向，以将所述激光偏振方向调制为可以透过所述光隔离器激光的偏振方向；
所述光隔离器，设置在所述半波片的出光侧，用于对所述激光器发出激光和所述fp谐振腔反馈激光偏振方向进行调制，以降低所述fp谐振腔激光的反馈效率，使所述激光器发出的激光频率锁定所述fp谐振腔单元反馈的激光频率；
所述fp谐振腔单元，设置在所述光调制单元的出光侧，用于提高进入腔内的激光的功率；
所述气室单元，设置在所述fp谐振腔单元的两个高反镜的之间，用于盛放待测气体；所述fp谐振腔内的激光穿过所述气体，并使得所述气体产生拉曼散射光；
所述pdh频率锁定单元，用于监测和处理所述fp谐振腔反馈的激光信号，调节所述fp谐振腔的腔长，以满足所述fp谐振腔激光频率主动锁定所述激光器发出激光频率；
所述光谱采集单元，设置在所述气室单元的一侧，用于对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，用于发出激光；
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。
进一步地，所述fp谐振腔单元包括：
模式匹配透镜，设置在所述光调制单元的出光侧，用于提高所述光调制单元输出的激光与所述fp谐振腔内的激光的模式匹配性；
第一高反镜和第二高反镜，设置在所述模式匹配透镜的出光侧，用于构建fp谐振腔；
进一步地，所述气室单元包括密闭气室，所述密闭气室上设有：
第一窗口镜和第二窗口镜，其中，所述第一窗口镜设有两个位于所述第一高反镜和第二高反镜之间的激光经过的位置，用于激光透射；所述第二窗口镜位于所述光谱采集单元一侧，用于所述拉曼散射光的收集；
进气口和出气口，位于所述密闭气室一侧，用于供待测气体的进出所述密闭气室；
压力表，设置在所述密闭气室内部，用于监测所述密闭气室内的气体压力。
进一步地，所述pdh频率锁定单元包括：
光电探测器，与所述第一高反镜或所述第二高反镜相连接，用于实时监测所述fp谐振腔反馈的激光的强度，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的频率与所述fp谐振腔激光透射信号进行混频比较，输出负反馈控制信号；
压电位移器，与所述第一高反镜或所述第二高反镜相连，用于接收所述负反馈控制信号，驱动所述第一高反镜或第二高反镜位置的移动。
进一步地，所述光谱采集单元包括：
高通滤镜，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，所述光隔离器的中心波长为532nm、调谐范围为522-543nm。
进一步地，所述激光器为倍频激光二极管泵浦nd:yvo4激光器。
进一步地，所述模式匹配透镜为双凸透镜。
进一步地，所述第一高反镜和第二高反镜均为平凹镜片。
基于上述实施例可见，本发明实施例提供的一种变压器油中气体检测装置，通过光调制单元对激光偏振方向的调制，模式匹配透镜的对激光的模式匹配，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谐振腔内的激光主动的匹配。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氢气的拉曼强度图。
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2-光调制单元
21-半波片22-光隔离器
23-第三反射镜24-第四反射镜
3-fp谐振腔单元31-模式匹配透镜
32-第一高反镜33-第二高反镜
4-气室单元41-第一窗口镜
42-第二窗口镜43-进气口
44-出气口45-压力表
5-pdh频率锁定单元51-光电探测器
52-pdh频率锁定器53-压电位移器
6-光谱采集单元61-高通滤镜
62-收集透镜63-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为本发明实施例提供的一种变压器油中气体检测装置图。如图1所示，该检测装置包括激光单元1、光调制单元2、fp谐振腔单元3、气室单元4、pdh频率锁定单元5和光谱采集单元6。其中，激光单元1包括激光器11、准直镜12、第一反射镜13和第二反射镜14；光调制单元2包括半波片21、光隔离器22、第三反射镜23和第四反射镜24；fp谐振腔单元3包括模式匹配透镜31、第一高反镜32和第二高反镜33；气室单元4包括密闭气室，密闭气室安装有窗口镜41、进气口42、出气口43、和压力表44；pdh频率锁定单元5包括光电探测器51、pdh频率锁定器52和压电位移器53；光谱采集单元6包括高通滤镜61、收集透镜62和光谱仪与ccd63。
具体地，激光单元1用于发出激光。激光器11可以为倍频激光二极管泵浦nd:yvo4激光器，发出的激光波长532nm，功率5w，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3.5mm，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的引导进入光调制单元2，其中，选用的第一反射镜13和第二反射镜14直径25.4mm，厚度6.5mm，400-900nm带宽内反射率为98％，用于对光路中的激光进行引导，并且通过多个反射镜可以精细调节光路。
光调制单元2，设置在激光单元1的出光侧，用于对激光单元1发出的激光和fp谐振腔单元3反馈的激光的偏振方向进行调制，以便激光器发出的激光频率锁定fp谐振腔单元反馈的激光频率。激光单元1发出的激光到达光调制单元2，首先经过半波片21对激光的偏振方向进行调制，半波片21将激光偏振方向调制为可以透过光隔离器22激光的偏振方向；其中，选用的半波片21的波长为532nm，安装尺寸25.4mm，通光孔径12.7mm。经半波片21调制后的激光进入光隔离器22，透过光隔离器22的起偏器后再经法拉弟旋磁介质与外磁场一起使激光的偏振方向右旋45度，同样的经第一高反镜32反射回来的激光到达光隔离器22经法拉弟旋磁介质与外磁场一起使激光的偏振方向继续右旋45度，因此反馈的激光不能透过光隔离器22的起偏器，降低了反馈效率，减少了反馈激光对激光器11发出激光的影响，使得激光器11工作状态稳定，同时防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路系统产生的不良影响；其中，选用的光隔离器22中心波长532nm，调谐范围522-543nm，传输效率87％，隔离效率40db，通光孔径2.7mm。经过光隔离器22的激光通过第三反射镜23和第四反射镜24的反射进入fp谐振腔单元3。
激光经过光调制单元2中半波片21和光隔离器22对激光偏振方向的调制后，首先改变了激光器11发射激光的偏振态，更重要的是阻隔了fp谐振腔单元3反馈的激光，降低了反馈效率，减少了对激光器11发出激光的影响，使得激光器11工作状态稳定，进而有助于实现激光器11发出的频率锁定fp谐振腔的频率。
fp谐振腔单元3，设置在光调制单元2的出光侧，用于提高进入腔内的激光功率。由光调制单元2出射的激光进入fp谐振腔单元3，激光首先进入模式匹配透镜31,用以提高激光器11发出的激光与fp谐振腔内激光的模式匹配性，以使得进入fp谐振腔内的激光更好的进行谐振；其中，选用的模式匹配透镜可以为双凸透镜，焦距15cm，直径6.35mm。两块高反镜用于构建fp谐振腔，均可以为平凹镜片，直径25.4mm，532nm波长处反射率98％，曲率半径1m，相对位置距离50cm，激光在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。激光从模式匹配透镜31出射后进入由第一高反镜32和第二高反镜33组成的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。
气室单元4，设置在第一高反镜32和第二高反镜33之间，用于盛放待测气体；fp谐振腔内的激光穿过气体，并使得所述气体产生拉曼散射光。气室单元4包括一个密闭气室用于盛放待测气体，密闭气室上设置有两个第一窗口镜41，使得第一高反镜32和第二高反镜33之间反射的激光可以经过密闭气室，因此两个高反镜间的激光穿过密闭气室盛放的气体，从而使得气体产生拉曼散射光。密闭气室还设有第二窗口镜42，用于拉曼散射光从密闭气室出射至光谱采集单元6；进气口43和出气口44，用于待测气体进出密闭气室；压力表45，用于检测密闭气室内气体压力。其中，选用的密闭气室尺寸可以为40×10×25cm，壁厚5mm，可承受气体压强0.5mpa；第一窗口镜41和第二窗口镜42直径25.4mm，厚度4.2mm，涂有400-900nm波段的增透膜，透过率可达95％；进气口43与气瓶连接，出气口44与真空泵连接，进气口43、出气口44均有密封阀门控制开关；压力表45量程0mpa-1mpa。
pdh频率锁定单元5，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谐振腔激光频率主动锁定所述激光器发出激光频率。光电探测器51，波长范围350-1000nm，带宽12mhz，探测区域可以为3.6mm×3.6mm(13mm2)，可调增益，与高反镜相连接，用于监测fp谐振腔反馈的激光的强度，同时输出fp谐振腔激光透射信号；pdh频率锁定器52，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53；压电位移器53，行程25μm，最小分辨率1nm，与第一高反镜32或者第二高反镜33相连，接收pdh频率锁定器52发出的负反馈控制信号，驱动第一高反镜32或者第二高反镜33移动，从而实现对腔长的精确控制。通过pdh频率锁定单元5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谐振腔激光频率主动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6，设置在气室单元4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42出来的拉曼散射光首先经过高通滤镜61，直径25.4mm，2.2mm，截止波长533nm，用于滤除拉曼散射光中的激光信号、瑞利散射光信号，以提高拉曼散射光的信噪比；然后到达收集透镜62，直径25.4mm，焦距50mm，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ccd63对气体拉曼散射光进行采集。
该变压器油中气体检测装置，通过光调制单元对激光单元发出的激光和fp谐振腔单元反馈的激光的偏振方向的调制，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氢气的拉曼强度图。该变压器油中溶解氢气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250w，对应激光强度增强倍数为50倍。以变压器油中溶解的氢气为例，本装置测得的拉曼光谱图如图2所示。本装置对氢气的检测下限为10ppm。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、光调制单元、fp谐振腔单元、气室单元、pdh频率锁定单元和光谱采集单元，其中：
所述激光单元，用于发出激光；
所述光调制单元，包括半波片和光隔离器；
所述半波片，设置在所述激光单元的出光侧，用于调节所述激光单元所发出的激光的偏振方向，以将所述激光偏振方向调制为可以透过所述光隔离器激光的偏振方向；
所述光隔离器，设置在所述半波片的出光侧，用于对所述激光器发出激光和所述fp谐振腔反馈激光偏振方向进行调制，以降低所述fp谐振腔激光的反馈效率，使所述激光器发出的激光频率锁定所述fp谐振腔单元反馈的激光频率；
所述fp谐振腔单元，设置在所述光调制单元的出光侧，用于提高进入腔内的激光的功率；
所述气室单元，设置在所述fp谐振腔单元的两个高反镜的之间，用于盛放待测气体；所述fp谐振腔内的激光穿过所述气体，并使得所述气体产生拉曼散射光；
所述pdh频率锁定单元，用于监测和处理所述fp谐振腔反馈的激光信号，调节所述fp谐振腔的腔长，以满足所述fp谐振腔激光频率主动锁定所述激光器发出激光频率；
所述光谱采集单元，设置在所述气室单元的一侧，用于对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，所述激光单元包括：
激光器，用于发出激光；
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。
3.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fp谐振腔单元包括：
模式匹配透镜，设置在所述光调制单元的出光侧，用于提高所述光调制单元输出的激光与所述fp谐振腔内的激光的模式匹配性；
第一高反镜和第二高反镜，设置在所述模式匹配透镜的出光侧，用于构建fp谐振腔。
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，所述气室单元包括密闭气室，所述密闭气室上设有：
第一窗口镜和第二窗口镜，其中，所述第一窗口镜设有两个位于所述第一高反镜和第二高反镜之间的激光经过的位置，用于激光透射；所述第二窗口镜位于所述光谱采集单元一侧，用于所述拉曼散射光的收集；
进气口和出气口，位于所述密闭气室一侧，用于供待测气体的进出所述密闭气室；
压力表，设置在所述密闭气室内部，用于监测所述密闭气室内的气体压力。
5.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pdh频率锁定单元包括：
光电探测器，与所述第一高反镜或所述第二高反镜相连接，用于实时监测所述fp谐振腔反馈的激光的强度，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的频率与所述fp谐振腔激光透射信号进行混频比较，输出负反馈控制信号；
压电位移器，与所述第一高反镜或所述第二高反镜相连，用于接收所述负反馈控制信号，驱动所述第一高反镜或第二高反镜位置的移动。
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，所述光谱采集单元包括：
高通滤镜，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。
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，所述光隔离器的中心波长为532nm、调谐范围为522-543nm。
8.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，所述激光器为倍频激光二极管泵浦nd:yvo4激光器。
9.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，所述模式匹配透镜为双凸透镜。
10.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，所述第一高反镜和第二高反镜均为平凹镜片。
技术总结