专利名称：用于气体光声光谱监测的纵向共振光声池的制作方法
技术领域：
本发明属于电力设备检测/监测技术领域，具体涉及变压器油中溶解气体的检测 技术。
背景技术：
气体的光声光谱检测技术是一种有效的气体检测手段，应用于变压器油中溶解气 体检测具有良好的应用前景，它综合了气相色谱法和传感器阵列法的许多优点，具有灵敏 度高、选择性好、检测范围宽，且容易实现多组分气体实时检测的优良特性。光声池作为光 声信号的产生源，是光声光谱监测系统的核心部分，它的性能直接关系到光声系统的灵敏 度与稳定性。气体光声池分为共振式和非共振式两种，共振式与非共振式相比，实用性、易 制作、灵敏度高，利于信噪比的提高，且能对流动状态的试样进行检测。现有的共振式光声池形状有圆柱形、球形及方形。球形光声池的品质因素很高，但 其驻波分布形式单调，加工困难；方形光声池中声波衰减情况严重。根据驻波分布方式的 不同，圆柱形光声池的共振模式可分为径向、角向、纵向。径向共振模式的粘滞损耗最�。� 质因素最高，但腔体体积和共振频率最大；角向共振模式的品质因素相对较低，一般100左 右，其共振频率比同半径腔体的径向共振模式也几乎小一倍；纵向共振模式的品质因素最 低，10 80之间，腔体体积和共振频率最小。这些所设计制作的共振式光声池存在体积大、 抗干扰能力差、信噪比低等缺点。因此共振式光声池的优化设计是变压器油中溶解气体光 声光谱监测系统构建过程中的重要组成环节。
发明内容
本发明的目的在于提供一个结构简单、体积小、灵敏度高、时间响应快、低背景噪 声、能检测多组分气体，适合于变压器油中溶解气体光声光谱监测系统的纵向共振光声池。本发明具体采用以下技术方案用于变压器油中溶解气体光声光谱监测的纵向共振光声池，所述光声池包括入光 口、出光口、谐振腔、第一缓冲室、第二缓冲室、微音器、温度传感器、压力传感器、进气口、出 气口、第一布鲁斯特窗口、第二布鲁斯特窗口 ；其特征在于所述第一缓冲室和第二缓冲室分别设置在所述光声池的两端；所述入光口依次通过第一缓冲室、谐振腔、第二缓冲室连接到出光口 ；所述第一布鲁斯特窗口、第二布鲁斯特窗口，分别设置在所述入光口、出光口外侧 所述第一缓冲室还与进气口相连，第二缓冲室与出气口相连；在所述光声池的中部安装微音器，微音器的开口连接在谐振腔的侧壁上，且其开 口与谐振腔管壁平齐；在所述第一缓冲室安装温度传感器，在第二缓冲室安装压力传感器，用于实时测 量光声池内的温度和压力变化，光声池的共振频率为IKHz以上。本发明具有以下优点
1、光声池设计为圆柱形腔体，能与轴对称的光束、轴对称的激发声场很好地匹配， 且易于加工。2、光声池工作于一阶纵向共振模式，驻波沿轴向分布，纵向光声池的谐振腔的横 截面半径远小于谐振腔的长度，有利于谐振腔内发生气体的光声效应。3、光声池由热传导系数高、密度大的不锈钢材料加工而成，内表面抛光，提高了光 声池的品质因素，有利于驻波的放大，灵敏度高。4、光声池的共振频率为IKHz以上，随着光声池共振频率的升高，系统的低频噪声 得到良好抑制。5、声场在光声池中呈简正模式分布，气体的进出口设置在声波波节处，减弱气体 流动对声场的干扰，能解决非共振光声池不能检测流动气体的问题。6、光声池体积小，所需气样较小，且与外界隔绝，并采用声学滤波器过滤背景及光 源噪声。7、设置了出气口，将光声池内的废气通过此排除，保证光声池不受污染和干扰，检 测精度高，可靠性好。8、利用光强分布和简正模式之间的耦合关系，可以增强光声信号并抑制噪声信 号，提高系统的信噪比。9、谐振腔两端设置为缓冲室，且缓冲室长度为谐振腔的一半，半径大于谐振腔半 径的3倍，隔离窗口片对光吸收而产生的噪声及气体流动而引起的噪声的性能好。10、微音器使用“0”型橡胶圈包裹，开口刚好与谐振腔管壁平齐，能获得最优的检 测效果，且采用Knowles公司的EK-3024，具有灵敏度高、抗振动、噪声低、体积小、维护方便 等优点。11、根据微音器的频率响应曲线，纵向共振模式光声池的共振频率刚好处于微音 器频率响应曲线较平坦的区间内，稳定性高。
图1为本发明的纵向共振光电池的结构示意图。其中1为入光口，2为出光口，3为谐振腔，4为第一缓冲室，4‘为第二缓冲室，5为 微音器，6为温度传感器，7为压力传感器，8为声学滤波器，9为进气口，10为出气口，11为 第一布鲁斯特窗口，11'为第二布鲁斯特窗口。
具体实施例方式下面根据说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。如图1所示为本发明的纵向共振光声池的结构示意图。本发明的纵向共振光声池 用于变压器油中溶解气体光声光谱监测，所述光声池包括入光口 1、出光口 2、谐振腔3、第 一缓冲室4、第二缓冲室4'、微音器5、温度传感器6、压力传感器7、进气口 9、出气口 10、第 一布鲁斯特窗口 11、第二布鲁斯特窗口 11'。所述第一缓冲室4和第二缓冲室4'分别设 置在所述光声池的两端；所述入光口 1依次通过第一缓冲室4、谐振腔3、第二缓冲室4'连 接到出光口 2 ；所述第一缓冲室4还与进气口 9相连，第二缓冲室4'与出气口 10相连；在 所述光声池的中部安装微音器5，使其开口与谐振腔3管壁平齐；在所述第一缓冲室4安装温度传感器6，在第二缓冲室4'安装压力传感器7，用于实时测量光声池内的温度和压力 变化。光声池的共振频率为IKHz以上。激光光束经过第一布鲁斯特窗口 11，从入光口 1进入光声池内，谐振腔3内的气体 吸收光能发生光声效应产生压力波，位于谐振腔3中部内壁上的高灵敏度微音器5检测压 力波，并转换成电信号。通过入光口 1与进气口 9、出光口 2与出气口 10之间的第一缓冲室 4内设置了声学滤波器，过滤背景和光源噪声。气体经过进气口 9进入光声池内，从出气口 10排除池内，排除了池内的废气和进行了气体清洗，保障了池内气体的纯度，且形成了流动 气体，确保了检测的精度和准确度。谐振腔3两端的第一缓冲室4内分别安装温度传感器 6和压力传感器7，实时测量光声池内的温度和压力变化，使实施人员了解光声池的实际工 作环境情况。采用光声光谱监测变压器油中溶解气体，即把样气通过进气口注入光声池内，出 气口排除池内气体，在光声池内形成流动气体，激光光束辐射光声池内的样气，气体吸收调 制光，产生压力波，即声波(调制频率在声频范围内)，通过高灵敏度的微音器将光声池内 的微小压力变化转变为电信号，送外电路检测。本发明通过合理设计光声池，使光声效应产 生的声波在光声池内形成驻波，利用驻波放大作用使光声信号得到共振加强。该设计的光声池，激光光束经呈布鲁斯特角、透过率大于90%的石英窗片，沿光声 池的纵向轴线射入其中，光声池采用热传导系数好且防腐蚀强的不锈钢制作而成。圆柱形 的光声池能与轴对称的光束、轴对称的激发声场很好地匹配，且易于加工，因而设计为圆柱 形光声池。中部的谐振腔是长为120mm、半径为3mm的圆柱形腔体，工作于纵向共振模式，即 光声池中的驻波沿轴向分布，腔内表面抛光处理以提高谐振腔的品质因素，有利于驻波的 放大。为隔离窗口片对光吸收而产生的噪声，谐振腔两端分别设置缓冲室，作为声阻尼器； 两个缓冲室各自安装温度传感器和压力传感器，以便实施人员实时了解光声池内的工作温 度及内部压强；理论研究表明，缓冲室长度为谐振腔的一半且半径大于谐振腔半径的3倍 时，隔离效果最好，因此，缓冲室的长度取为60mm、半径为30mm。光声池工作于-阶纵向共 振模式，池中声场的分布为P」(z) = sin (k π z/L)，因而，在ζ = L/2处，声场最强，为驻波的 波幅，将使用“0”型橡胶圈包裹的微音器安置在此处，并使其开口刚好与谐振腔管壁平齐， 可获得最大的信号幅度，微音器选用电容式驻极体型微音器，为Knowles公司的EK-3024， 其灵敏度为22mV/Pa ；而在z = 0或ζ = L处，声场最弱，为驻波的波节，将光声池的进、出 气口设置在该处，避免池中气体流动而引起的噪声。在入光口与进气口、出光口与出气口之 间的缓冲室内设置声学滤波器，用来滤掉背景噪声，提高系统检测精度。本装置采用热传导系数高、密度大、抗腐蚀能力强的不锈钢为材料制作的圆柱型 纵向光声池，具有结构简单、体积小、灵敏度高、时间响应快、低背景噪声、能检测多组分气 体等优点，良好的适用于变压器油中溶解气体的光声光谱监测系统。
权利要求
一种用于变压器油中溶解气体光声光谱监测的纵向共振光声池，所述光声池包括入光口(1)、出光口(2)、谐振腔(3)、第一缓冲室(4)、第二缓冲室(4′)、微音器(5)、温度传感器(6)、压力传感器(7)、进气口(9)、出气口(10)、第一布鲁斯特窗口(11)、第二布鲁斯特窗口(11′)；其特征在于所述第一缓冲室(4)和第二缓冲室(4′)分别设置在所述光声池的两端，两者之间连接谐振腔(3)；所述入光口(1)依次通过第一缓冲室(4)、谐振腔(3)、第二缓冲室(4′)连接到出光口(2)；所述第一布鲁斯特窗口(11)、第二布鲁斯特窗口(11′)，分别设置在所述入光口(1)、出光口(2)外侧；所述第一缓冲室(4)还与进气口(9)相连，第二缓冲室(4′)与出气口(10)相连；在所述光声池的中部安装微音器(5)，微音器(5)的开口连接在谐振腔(3)的侧壁上，且其开口与谐振腔(3)管壁平齐；在所述第一缓冲室(4)安装温度传感器(6)，在第二缓冲室(4′)安装压力传感器(7)，用于实时测量光声池内的温度和压力变化。
2.根据权利要求1所述的纵向共振光声池，其特征在于在所述第一缓冲室(4)、第二 缓冲室(4')分别设置声学滤波器(8)，用于过滤背景和光源噪声。
3.根据权利要求1或2所述的纵向共振光声池，其特征在于所述光声池的共振频率 为IKHz以上。
4.根据权利要求1或2所述的纵向共振光声池，其特征在于所述光声池的外形优选 为圆柱形，其材料优选为不锈钢。
5.根据权利要求4所述的纵向共振光声池，其特征在于所述第一、第二缓冲室(4， 4')的长度为所述谐振腔(3)长度的一半，且半径大于所述谐振腔(3)半径的3倍。
6.根据权利要求1或5所述的纵向共振光声池，其特征在于所述微音器(5)优选为 电容式驻极体型微音器。
全文摘要
本发明公开了一种基于光声光谱原理应用于变压器油中溶解气体监测的纵向共振光声池，主要包括谐振腔、缓冲室、布鲁斯特窗口、进出气口、微音器，第一缓冲室、第二缓冲室分别设置在光声池的两端，并与进气口、出气口分别相连；入光口依次通过第一缓冲室、谐振腔、第二缓冲室连接到出光口；光声池为圆柱形腔体，微音器固定在谐振腔中部，并使其开口与谐振腔管壁平齐；第一缓冲室内安装温度传感器，在第二缓冲室中安置压力传感器。本发明结构简单、体积小、灵敏度高、时间响应快、低背景噪声、能检测多组分气体，可良好地应用于光声光谱监测变压器油中溶解气体。
文档编号G01N21/01GK101949821SQ20101025148
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月12日 优先权日2010年8月12日
发明者刘冰洁, 周湶, 唐炬, 廖瑞金, 杜林 , 王有元, 陈伟根 申请人:重庆大学
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