一种PI空芯光纤SF6传感器及其控制和数据采集处理方法

本发明涉及气体传感，尤其是涉及一种聚酰亚胺（polyimide，pi）空芯光纤六氟化硫（sf6）传感器及其控制和数据采集处理方法。

背景技术：

1、sf6是一种人工合成的无色无臭的惰性气体，因其具有良好的电气绝缘性和优异的高压电弧灭弧性，被广泛应用于国家电网高压电器断路和绝缘产品中。在上述设备的制造和使用过程中，不可避免地会由于产品质量偏差、材料老化等因素造成sf6发生泄漏。sf6的泄漏不仅会在国家电网高压电器断路和绝缘产品中分解产生低氟化合物，损害人体呼吸系统，而且会扩散到大气环境中造成严重的温室效应，对全球气候造成持续的不良影响。目前在电气领域特别是超（特）高压领域sf6应用广泛且暂无可取代。

2、为了实现sf6的有效检测，研究人员提出大量的方法，在众多方法中，基于红外吸收光谱技术的sf6气体传感系统具有结构简单、操作方便及传感性能优越等优点。系统的结构主要包括光源、气室和激光传输通道、信号检测和处理系统，其中，气室和激光传输通道的材料、结构对传感系统的性能有重要影响；信号检测和处理系统的反应速度，数据处理能力对传感系统的实用性有重要影响。

3、目前，可同时用作气室和激光传输通道的结构主要为多通池和空芯光纤，多通池制备简单、功能多样，但体积大、响应时间长。空芯光纤结构简单、光程体积比高、传输损耗低、响应速度快，在气体传感领域有较大的潜力。

4、现在基于红外吸收光谱技术的sf6气体传感系统所用的空芯光纤结构管材料主要有金属、玻璃及塑料。金属结构管具有良好的热学性能及机械性能，但其传输损耗较高且难以弯曲；玻璃管传输损耗较低但易碎且弯曲能力有限，以玻璃管为结构管的空芯光纤在测试时由于弯曲程度受限存在体积大的问题，难以满足在特定空间内气体检测的需求；塑料管具有传输损耗较低，柔韧性好的特点，以塑料管为结构管的空芯光纤可通过弯曲盘绕减小体积，克服空间的限制，具有更强的实用性。

5、现有的基于红外吸收光谱技术的sf6气体传感系统的信号采集和处理方法普遍为人工操作，不仅对检测人员的身体健康造成危害，而且耗费人力物力，严重降低检测效率，因此实现传感系统的程序控制以及信号的自动化采集和处理尤为重要。

6、目前使用的基于红外吸收光谱技术的sf6气体传感器中普遍没有考虑传感器中光源稳定性这一因素以及缺乏对检测结果有效性的分析。但是光源的波动和缺乏检测结果有效性分析均会对传感器的检测精确度有直接影响，可能导致检测出现较大误差，这一误差虽然在对于检测精确度要求不高的场合中可以忽略，但是在一些检测要求较高的场合，如：食品安全检测、生物制药和医疗设备等领域，检测误差可能会威胁到人类健康和安全。因此，通过光源稳定性自检，排除光源本身波动性影响；通过检测结果有效性的分析，排除单次检测误差，进而提高传感器检测精确度，对于满足高检测精确度使用场所的需求至关重要。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种pi空芯光纤sf6传感器及其控制和数据采集处理方法，传感器以耐热性好、柔韧性强的pi管为结构管，制备的pi空芯光纤作为传感器的气室和激光传输通道；传感器控制方法用于实现控制光源和抽气泵工作，光源稳定性自检，控制电磁阀系统，控制传感器进行实时数据采集；传感器数据采集和处理方法用于实时采集功率探测器信号并进行运算，返回待测sf6气体浓度并对浓度结果有效性分析，具有自动化程度高，精确度高，灵敏度高，极限检测浓度低，结构简单，体积精巧、反应速度快以及制造成本低等优点，在保证高压设备正常运行和强化大气监测等方面具有广阔的应用前景。

2、实现本发明目的的具体技术方案是：

3、一种pi空芯光纤sf6传感器，特点是所述传感器包括：光源、入口连接件、电磁阀系统、耦合接头、pi空芯光纤、螺旋形内凹槽光纤固定器、出口连接件、抽气泵、功率探测器及计算机，所述pi空芯光纤置于螺旋形内凹槽光纤固定器内，并在首尾两端连接有耦合接头，首端耦合接头连接三通结构的入口连接件第二通口，尾端耦合接头连接三通结构的出口连接件第一通口，入口连接件的其余两通口分别连接光源和电磁阀系统，出口连接件的其余两通口分别连接抽气泵和对准功率探测器，计算机分别连接光源、电磁阀系统、抽气泵及功率探测器；其中：

4、所述pi空芯光纤用于激光的传输以及作为气体检测气室，其结构管材质为pi，所述结构管内表面有金属镀层，所述金属镀层包括ag、cu、au、ni及zn镀膜，结构管内表面还有金属化合物介质层，所述介质层包括geo2、agi、caf2及ge；

5、所述电磁阀系统由变压器、电磁阀、继电器和三通气管组成，变压器连接继电器，继电器连接电磁阀，三通气管的第一、第二通口分别连接电磁阀，第三通口连接入口连接件；

6、所述变压器将外界电压变为传感器工作所需电压；所述电磁阀选用两个单路电磁阀或一个双路电磁阀；所述继电器选用两个单路继电器或一个双路继电器；所述三通管的第一管口置于背景气体环境中，第二管口置于待测sf6气体环境中，第三管口接入pi空芯光纤。

7、所述光源用于输出包含sf6特征吸收峰波长的光，包括co2激光器、qcl激光器及波长覆盖中红外范围的宽光谱光源；所述入口连接件和出口连接件内部有窗片和密封圈，所述窗片材质包括znse、ge、zns、nacl及kbr中的一种；所述耦合接头用于将pi空芯光纤耦合到入口连接件和出口连接件，包括sma接头、fc接头、st接头及sc接头中的一种；所述螺旋形内凹槽光纤固定器用于将pi空芯光纤弯曲盘绕并固定到螺旋形内凹槽内，选用能够使pi空芯光纤弯曲盘绕，并维持形状的模型；所述抽气泵用于将pi空芯光纤内的气体抽出，包括旋片泵、旋转螺杆泵、涡旋泵、离心泵、根式泵及液环泵中的一种；所述功率探测器用于接收待测气体吸收后的光信号，并将其转换为电信号储存到计算机，包括热释电探测器、光电二极管探测器、靶材式探测器及光纤功率计中的一种。

8、一种所述pi空芯光纤sf6传感器的控制和数据采集处理方法，所述方法基于计算机实现，具体为，计算机通过单片机和继电器控制光源和抽气泵，通过单片机控制电磁阀系统，通过串行总线的方式与功率探测器通信进行实时数据采集，对采集到的数据进行储存和处理，包括以下具体步骤：

9、s1、控制光源和抽气泵开启；

10、s2、延时预设等待时长；并判断是否达到预设等待时长，若未达到则继续等待，若达到则执行s3；

11、s3、光源稳定性自检；并判断光源稳定性是否达到预设稳定标准，若未达到，则执行s2，若达到则执行s4；

12、s4、控制电磁阀系统中第一电磁阀开启、第二电磁阀关闭，只将背景气体通入，控制功率探测器对信号实时监测并采集，作为第一组信号；并判断电磁阀系统中第一电磁阀的开启时间是否达到第一预设工作时间，若未达到则继续执行s4，若达到则执行s5；

13、s5、控制电磁阀系统中第一电磁阀关闭、第二电磁阀开启，只将待测sf6气体通入，控制功率探测器对信号实时监测并采集，作为第二组信号；并判断电磁阀系统中第二电磁阀的开启时间是否达到第二预设工作时间，若未达到则继续执行s5，若达到则执行s6；

14、s6、将步骤s3、s4和s5作为一个检测周期，循环数次；并判断是否达到预设循环次数，若未达到则继续执行s6，若达到进行数据处理并执行s7；

15、s7、控制光源、抽气泵和电磁阀系统的关闭；其中：

16、所述数据处理：在一次循环中将步骤s4中采集到的第一组信号与步骤s5中采集到的第二组信号先进行吸收度计算，再进行代入吸收度-浓度线性方程的计算，最后，对于一个检测周期内的多次循环得到的结果进行有效性分析，具体为：

17、吸收度a为：

18、，式中：

19、对取常用对数；

20、：在一次循环中步骤s4中采集到的第一组信号的平均值；

21、：在一次循环中步骤s5中采集到的第二组信号的平均值；

22、吸收度a与待测sf6气体浓度c的线性方程为：

23、，式中：

24、a、b为常数；

25、分析结果为：在一个检测周期内，对每次循环返回的浓度结果进行离散程度分析，若离散程度大于预设离散程度，则此次检测无效；若离散程度不大于预设离散程度，则对检测周期内每次循环得到的浓度结果取平均值，将该平均值作为待测sf6气体浓度。

26、步骤s3所述光源稳定性自检，是对功率探测器在预设等待时长内采集到的一组信号进行离散程度的分析，用以表征光源输出光的波动状况，以此判断该时刻光源是否稳定以及是否能够开始检测。

27、在控制电磁阀系统循环通入背景气体和待测sf6气体时，通入背景气体时，控制第一电磁阀打开，控制第二电磁阀关闭，使背景气体经过三通气管的一号管口进入电磁阀系统，并在第三管口处流出至入口连接件进而进入pi空芯光纤；通入待测sf6气体时，控制第二电磁阀打开，控制第一电磁阀关闭，使得待测sf6气体经过三通气管的第二管口进入电磁阀系统，并在第三管口流出至入口连接件进而进入pi空芯光纤。

28、本发明具有以下有益的技术效果和显著进步：

29、（1）由计算机程序控制的电磁阀系统具有反应速度快，可循环开闭且开闭可控等优点，能够实现控制背景气体与sf6交替循环通入pi空芯光纤气室的自动化，显著提高了检测效率；

30、（2）由计算机程序控制的光源自检操作能够有效降低由于光源波动导致的检测误差，提高传感器的精确度；

31、（3）由计算机程序和功率探测器构成的数据采集和处理系统，具有数据采集方便快捷，数据处理自动进行，能够对检测结果有效性进行分析且处理速度快的优良特性；

32、（4）以柔韧性好、耐高温性强、热膨胀系数低的pi管为结构管，通过液相沉积法在pi结构管内表面镀制金属层和介质层形成的pi空芯光纤，具有内表面粗糙度低，传输损耗低，激光传输效率高，可大角度弯曲的优良特性，且金属层和介质层与pi结构管的结合力较强，在弯曲以及小型化操作下，pi空芯光纤仍然保持良好的传输效率；

33、（5）基于pi空芯光纤的高灵敏度小型sf6气体传感检测系统及控制方法和数据采集处理方法具有自动化程度高、精确度高、灵敏度高、极限检测浓度低、结构简单、反应速度快、小型化等优点，在保证高压设备正常运行和强化大气监测等方面具有广阔的应用前景。