一阶纵向光声池及多组分气体光声光谱检测特性研究

论文摘要

变压器油中溶解气体是表征电力变压器早期潜伏性故障的重要特征量之一,实时分析油中溶解气体的成分和比例,判断变压器潜伏性故障的类型、程度及发展趋势,对确保变压器安全运行具有重要意义。气体光声光谱检测技术是一种高灵敏度检测微量气体的光学检测技术,具有不消耗和分离气体、选择性好、大动态检测范围等优点,在变压器油中溶解气体检测中具有良好的应用前景。结合多组分气体光声光谱检测技术的研究现状及光声池结构特性的分析,论文从气体分子光谱理论入手,深入剖析气体光声光谱检测光的吸收和光声信号的激发原理;建立了共振光声池中光声信号与光源强度、气体分子吸收系数的对应关系;理论分析结果为多组分气体光声光谱检测和光声池的优化设计奠定了基础。根据光源的辐射特性及气体吸收谱线的选择原则,选择了C2H2、CH4和CO3种特征气体的特征吸收谱线的中心波长,搭建了基于3只DFB半导体激光器形成激光器阵列光源的气体光声光谱实验平台。从材料、工作模式、几何大小和抗噪措施等影响光声池性能的因素分析,设计制作了一阶纵向谐振式光声池,且对DFB半导体激光器的波长调制、光声池的响应特性以及检测系统中的噪声进行理论与实验分析。分析了压强、温度对C2H2、CO和CH4气体红外吸收特性的影响,表明气体的峰值吸收系数和谱线线宽与压强、温度紧密相关。实验研究了C2H2、CH4和CO气体光声光谱检测特性;研究了气体浓度、激光功率与气体光声信号的对应关系;在气体不发生饱和吸收的情况下,光声信号随气体浓度、激光功率的增加而线性增大。并根据DFB半导体激光器的窄线宽及可调谐特性研究了C2H2、CH4和CO 3种气体分别在1520.09nm、1653.72nm、1567.32nm附近的高分辨光声光谱。通过3组分气体在对应选择的特征吸收谱线间不存在交叉吸收干扰的实验分析,建立了基于偏最小二乘回归的气体光声定量分析模型,运用该模型计算了多组分气体浓度,实验分析表明模型的计算结果与常规气相色谱分析的结果相吻合,可以用于多组分气体光声光谱检测的光声定量分析。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 纵向光声池原理及多组分气体光声光谱检测研究的目的和意义
• 1.2 纵向光声池原理及多组分气体光声光谱检测的研究现状
• 1.2.1 光声池的结构特性
• 1.2.2 多组分气体光声光谱检测的研究现状
• 1.3 论文的主要研究内容
• 1.4 小结
• 2 气体光声光谱基本原理
• 2.1 引言
• 2.2 气体分子光谱理论
• 2.2.1 气体分子的红外光谱
• 2.2.2 气体分子的吸收谱线线型和增宽
• 2.2.3 气体分子的吸收系数
• 2.3 气体光声光谱检测原理
• 2.3.1 气体的光声效应
• 2.3.2 光的吸收
• 2.3.3 光声信号的激发
• 2.4 小结
• 3 一阶纵向光声池设计原理及特性
• 3.1 光声光谱检测系统的整体结构
• 3.1.1 光源及波长的确定
• 3.1.2 激光器的波长调制
• 3.1.3 光声检测系统的噪声源
• 3.2 一阶纵向光声池的设计
• 3.2.1 光声池设计的原则
• 3.2.2 光声池材料和结构的选择
• 3.2.3 光声池工作模式的确定
• 3.2.4 一阶纵向谐振式光声池
• 3.2.5 光声池性能的特性参数及几何尺寸的设计
• 3.2.6 光声池的去噪措施
• 3.3 一阶纵向光声池的响应特性
• 3.3.1 一阶纵向光声池的响应特性
• 3.3.2 光声检测系统噪声的实验分析
• 3.4 小结
• 4 变压器油中多组分气体的光声光谱检测特性及光声定量分析
• 4.1 压强、温度对气体红外吸收特性的影响
• 4.1.1 压强的影响
• 4.1.2 温度的影响
• 4.2 多组分气体的光声光谱检测特性
• 4.2.1 光声信号与气体浓度的关系
• 4.2.2 光声信号与激光功率的关系
• 4.2.3 气体光声信号的饱和特性
• 4.2.4 多组分气体在特征吸收谱线的光声光谱
• 4.3 多组分气体的光声定量分析
• 4.3.1 多组分气体交叉影响的实验分析
• 4.3.2 偏最小二乘回归的基本原理
• 4.3.3 基于偏最小二乘回归的光声定量分析方法
• 4.4 小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录