一种光程可调的红外检测系统

摘要

一种光程可调的红外检测系统，包括：光源单元、气室单元、检测单元，光源单元，包括光源和准直器，用于使检测用红外光以单一方向入射至气室单元；气室单元，包括内部充有待测气体的气室，气室呈长方体形状，内部侧壁设置有平面镜，底部设置有红外探测器，用于接收来自光源单元的检测用红外光，经过待测气体后输出至红外探测器；检测单元，包括数据处理显示模块，用于将红外探测器检测到的光强转换为检测数据在数据处理显示模块上显示。本发明解决了可以通过设计制造不同光程长度的气室来实现对光程的调节，在测量过程中不需要更换不同光程的气室，并且操作方法简单，成本较低。

说明书

技术领域

本发明属于红外光谱测量领域，更具体地，涉及一种光程可调的红外检测系统。

背景技术

在整个电力系统的运转中运用了大量的气体绝缘设备，以保证电力网络的高效运转。实际运用中广泛用于气体绝缘设备中的SF

在研究对SF

红外光谱的吸收现象和光程呈现正相关，因此在实际的测量过程中需要不同长度的光程来匹配不同浓度的气体，以此得到较准确的结果。当气体的浓度较大时，若光程过长，测量的过程中可能出现饱和现象；当气体浓度较小时，若光程过小，吸收现象不明显，测量结果不准确。目前，在实际测量过程中，改变光程主要是通过改变光在气室内传播的距离体现出来的，而进一步地主要是通过设计制造不同光程长度的气室来实现对光程的调节，因此在实验过程中测量不同浓度气体时需要更换不同光程的气室，操作复杂，且成本高。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种光程可调的红外检测系统，能够实现在测量过程中可以快速高效地改变光程的大小。

本发明采用如下的技术方案。

一种光程可调的红外检测系统，包括：光源单元、气室单元、检测单元，

所述光源单元，包括光源和准直器，用于使检测用红外光以单一方向入射至气室单元；

所述气室单元，包括内部充有待测气体的气室，所述气室呈长方体形状，内部侧壁设置有平面镜，底部设置有红外探测器，用于接收来自光源单元的检测用红外光，经过待测气体后输出至红外探测器；

所述检测单元，包括数据处理显示模块，用于将红外探测器检测到的光强转换为检测数据在数据处理显示模块上显示。

优选地，光源单元还包括光传播空间，光源通过光传播空间进入气室部分到达准直器。

优选地，在测量前调节准直器，以改变所述红外光进入气室时的入射角θ。

优选地，气室的内部设有两块平面镜，所述两块平面镜为与侧壁形状相同的长方形，设置于气室相互平行的两个侧壁上。

优选地，红外探测器在气室的底部且和平面镜m以及平面镜n的底部相接触。

优选地，气室单元还包括进气口、出气口、进气口阀门、出气口阀门、进气口和出气口上分别设有进气口阀门和出气口阀门。

优选地，光入射口设置在光传播空间出口处和气室内的准直器入口处，接收红外光以单一方向入射至气室内。

优选地，进气口与采集待测气体的气袋装置相连，出气口与真空泵相连接。

本发明还提供了一种光程可调的红外检测系统的光程可调的红外检测方法，包括以下步骤：

步骤1：预估待测气体的浓度以确定光的传播路程长度L，

步骤2，根据确定所需的光的传播路程长度L后，选取反射次数n，并确定入射角θ，

步骤3，根据计算得到的入射角θ，调节准直器，使系统中光的入射角和计算结果θ保持一致，

步骤4，将待测气体充入气室内，同时由光源发出的光在气室内经过多次反射达到预设传播距离后射入红外探测器，得到待测气体分析结果。

优选地，以如下公式表示光传播路程长度L和入射角θ的关系，

式中：

n表示光在平面镜之间的反射次数；

a表示平面镜m和平面镜n之间的距离；

θ表示入射光与水平面之间的角度；

l表示准直器的光射入点到平面镜m底端的距离和平面镜n的高度；

L表示光在气室内传播的总路程。

优选地，检测开始时，使用所述采气袋与实验装置相连接，打开气袋阀门和实验装置阀门，使实验后的气体进入气袋以利用所述气袋采集待测气体；

将进气口与装有待测气体的气袋相连，打开气室进气口阀门和气袋的阀门使待测气体进入气室内。

优选地，所述待测气体为经过击穿分解、局部放电和热解实验中一种或多种实验后获得的气体

优选地，检测开始前或测量结束取下采气袋后，将背景气体和气室的进气口相连，气室的出气口和真空泵相连，关闭进气口阀门并打开出气口阀门，以将气室内抽成真空；关闭出气口阀门并开启进气口阀门，将背景气体充入气室，打开出气口阀门，对气室抽真空后关闭出气口阀门，完成一次清洗过程；

重复所述清洗过程2或3次后关闭进气口阀门和出气口阀门。

优选地，所述背景气体选取二氧化碳、氮气或氦气中的一种。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明提供一种光程可调的红外检测系统，在测量过程中测量不同浓度气体时不需要更换不同光程的气室，实现在测量过程中可以快速高效地改变光程，操作简单，且成本较低，可以通过设计制造不同光程长度的气室来实现对光程的调节。

附图说明

图1为本发明的一个实施例中光程可调的红外检测系统的示意图；

图2为本发明的一个实施例中光程可调的红外检测系统的光在气室内传播的轨迹示意图；

图3为本发明的一个实施例中光程可调的红外检测方法的流程图；

1-光源；

2-光传播空间；

3-准直器；

4-气室；

5-红外探测器；

6-数据处理显示模块；

7-进气口；

8-出气口；

9-进气口阀门；

10-出气口阀门；

11-光入射口；

12-平面镜m；

13-平面镜n。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

如图1-2所示，本发明提供了一种光程可调的红外检测系统，包括：光源单元、气室单元、检测单元。

光源单元包括：光源1、光传播空间2和准直器3，光源1发射用于气体检测的红外光，该红外光通过光传播空间2进入气室4到达准直器3。

光源1用于发射出气体检测过程中所需的红外光，光源1发出红外光，在光传播空间2内经过短暂传播后形成光束从出口射出并从光入射口进入气室到达准直器3。

光传播空间2可以使光在其内部传播并形成光束射出。

准直器3设置在气室4的内部，位于光入射口11处，该装置可以使射出的光束从光传播空间2射出后最大效率的通过光入射口11耦合进入气室4内，并且在测量前可以通过调节准直器3的入射角来改变光束进入气室4的入射角度。

气室单元包括：气室4、进气口7、出气口8、进气口阀门9、出气口阀门10、光入射口11、平面镜m12和平面镜n13，两块平面镜分别设置于气室4相互平行的两个侧壁上。

气室4用于装载测量过程中的待测气体。

平面镜m12和平面镜n13用于反射进入气室4的光源1，可以使射入的光束在平面镜之间来回反射，最后射入红外探测器5，在测量前可以根据混合气体的浓度范围确定光在气室内传播的路程，并通过调节入射光的角度来改变光在气室内传播的轨迹，以此达到改变光在气室内传播路程的目的。

进气口7设置在气室4上端并且配有控制阀门进气口阀门9，进气口7一般与采集待测气体的气袋或是其它装有待测气体的装置相连，用于收集气体并替换气室4内的气体。

出气口8设置在气室4上端并且配有控制阀门出气口阀门10，出气口8一般与真空泵相连，用于对气室进行洗气和检测完成后对气室抽真空。

进气口阀门9设置在进气口右侧，用于控制进气口7的打开与闭合。

出气口阀门10设置在出气口右侧，用于控制出气口8的打开与闭合。

光入射口11设置在光传播空间2出口处，接收平行光束到达准直器3，同时进入气室4内，用于在检测过程中使光射入气室4中，由于光在平面镜之间的来回反射是对称的，因此光在气室4内经过多次反射后射入红外探测器5的角度和光进入气室4的角度是相等的。

检测单元包括：红外探测器5和数据处理显示模块6，红外探测器5安装于气室4内的底部，数据处理显示模块6与红外探测器5相连接。

红外探测器5用于对多次反射后射入的光信号进行探测，并把探测到的光信号转化为电信号传送给数据处理显示模块6。

数据处理显示模块6用于接收红外探测器5传送的电信号，并可以在显示界面观察到波形动态。

可以理解的是，在测量开始之前或测量结束之后，首先搭建气路清洗气室，将背景气体利用管路和气室4的进气口7相连，出气口8和真空泵相连，打开出气口阀门10将气室4内抽成真空后关闭出气口阀门10，进一步地打开进气口阀门9使背景气体进入气室4并再次抽真空，即洗气。

可以理解的是，所述背景气体至少包括氦气、氮气、二氧化碳，每次测量前利用背景气体对气室清洗2～3次以减少对后续测量结果产生的误差。

洗气完成后将进气口8与装有待测气体的气袋或其他装置相连，打开装置阀门和气室进气口阀门9，将待测气体通入到气室4内，准备开始测量。

为进一步清楚地介绍本发明的光程可调的红外检测系统，如图3所示，在本实施例中还提供了一种光程可调的红外检测系统的光程可调的红外检测方法，包括如下步骤：

步骤1：预估待测气体的浓度以确定光的传播路程长度L。

利用所述气袋采集实验结束后的混合气体，即本系统中使用的待测气体，根据上述所充入待测气体的浓度并结合实验经验预估反应之后气体浓度的大致范围，确定所需用到的光的传播路程长度L。

可以理解的是，所属领域技术人员可以任意选择可以测量待测气体浓度的实验方法，作为一种优选但非限制性的实施方式为，待测气体可以是通过击穿分解实验、局部放电实验、热解实验后得到的气体，但不仅限于上述三种实验，由于实验前的气体浓度已知，根据初始浓度可大致判断混合气体通过实验反应之后的气体浓度范围。

步骤2，根据确定所需的光的传播路程长度L后，选取反射次数n的值，并确定入射角θ，

如图3所示，根据以下公式确定入射角θ，

式中：

n表示光在平面镜之间的反射次数；

a表示平面镜m12和平面镜n13之间的距离；

θ表示入射光与水平线之间的角度；

l表示准直器3的光射入点到平面镜m12底端的距离和平面镜n13的高度；

L表示光在气室内传播的总路程。

具体地，如图3所示，在本实施例中，光在气室中传播轨迹的入射角记为θ(θ﹤90°)，具体可表示为：

b＝a tanθ (2)

式中：

c表示光从一块平面镜射到另一块平面镜的距离；

b表示两个反射点之间的距离的

进一步的，具体表示为：

h＝l-nb (3)

L＝nc+d (5)

式中：

h表示光在气室中传播时的最后一个反射点到红外探测器5的垂直距离；

d表示光从最后一个反射点到红外探测器5的距离。

值得注意的是，红外探测器5在气室4的底部且和两块平面镜的底部相接触，可以保证光的射入角度θ(θ﹤90°)为任意值时，经气室内的气体吸收后均可以被红外探测器5探测到。

在实际测量过程中，根据待测气体的浓度范围确定L值后可选定n值，最后根据上述式(1)-(5)可得到光传播路程L和入射角θ的关系如下：

值得注意的是，在本实施例的测量过程中，若需更换不同浓度的待测气体进行测量，可首先根据待测气体浓度范围重新确定光在气室中的传播路程L，然后利用上述式(6)解出入射角θ。可以理解的是，一种优选但非限制性的实施方式为，只需调节准直器3的角度即可改变L，方便快捷且成本低。

值得注意的是，所属领域技术人员可以根据需要任意选择测量光程(光的传播路程)大小的方法，一种优选但非限制性的实施方式为，调节光程的大小可以通过改变光在气室4内传播的路程来实现。在本发明中即通过改变入射光的角度来实现改变光在气室4内的传播轨迹，从而满足在实际测量过程中用不同光程长度来匹配不同浓度待测气体的需求。进一步的，光在气室4内传播的路程可以提前根据待测气体浓度范围来大致确定，从而可以进一步根据光在气室4内传播的路程和入射角的关系求解出入射角的大小。

步骤3，根据计算得到的入射角θ，调节准直器3，使系统中光的入射角和计算结果θ保持一致。

步骤4，将待测气体充入气室4内，同时由光源1发出的光在气室4内经过多次反射达到预设传播距离后射入红外探测器5，得到待测气体分析结果。

清洗气室4，将气室4的进气口7与背景气体相连，出气口8与真空泵相连，关闭进气口阀门9并打开出气口阀门10，将气室4内抽成真空，关闭出气口阀门10，此为一次清洗过程，重复该过程2～3次后关闭进气口阀门9和出气口阀门10。

将待测气体充入气室4内，同时由光源1发出的光在气室4内经过多次反射达到预设传播距离后射入红外探测器5，得到待测气体分析结果。

值得注意的是，可以基于测试目的选择向气室内充入待测气体，本实施例采用SF

具体地，清洗完成后将进气口7与装有待测气体的气袋相连，打开气室4进气口阀门9和气袋的阀门使待测气体进入气室4内，同时由光源1发出的光在气室4内经过多次反射达到预设传播距离后射入红外探测器5，得到待测气体的定性定量分析结果。

可以理解的是，所述红外探测器5把探测到的光信号转化为电信号后传送给数据处理显示模块6，可以在数据处理显示模块6得到待测气体的定性定量分析结果。

选择更换不同浓度的待测气体进行测量时，可首先根据待测气体浓度范围重新确定光在气室4中的传播路程L和反射次数n，然后利用以下公式解出入射角θ，其次，只需调节准直器3的角度即可改变L，方便快捷。最后调节完成后重新清洗气室4并将待测气体充入气室4内即可完成对所更换的气体的检测。

待测气体检测完成后，使用氮气或氦气等惰性气体对气室4清洗，清洗完成后可以向气室4内充入所选惰性气体，即在最后一次清洗后不抽真空，可防止水分的干扰，同时起到保护气室4的作用。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明提供一种光程可调的红外检测系统，在实验过程中测量不同浓度气体时不需要更换不同光程的气室，实现在测量过程中可以快速高效地改变光程，操作简单，且成本较低，解决了可以通过不同光程长度的气室对光程的调节。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。