变压器油中微弱乙炔气体的光声光谱检测特性研究

摘要

变压器油中溶解乙炔(C2H2)气体是用来表征变压器故障类型的重要特征量之一，乙炔气体的含量分析可判断油纸绝缘中是否发生局部放电或有电弧的产生，因此，微弱C2H2气体含量的检测对变压器运行状态的在线评估和变压器寿命的预测具有重要的意义。气体光声光谱是基于光声效应的一种微量气体检测技术，它具有不消耗被测气体、高灵敏度、高选择性、大动态检测范围等优点，在变压器油中溶解气体在线监测中有着广阔的应用前景。
　　 论文首先分析了变压器油中溶解气体光声光谱检测的原理及气体的光声信号产生机理，推导了气体浓度与光声信号的关系；设计搭建了基于DFB半导体激光器的实验室变压器油中溶解气体光声光谱检测平台，分析了气体光声系统中的噪声源。
　　 光声池作为光声信号的信号源，是光声光谱检测系统中最为重要的部分。论文利用COMSOL Multiphysics3.2，有限元模拟分析了光声池内光声信号的分布及腔体的谐振特性，对原有的传输线理论进行了简化改进，建立了一维光声信号传输模型，分析讨论了不同几何结构参数以及温度对光声池特性参数的影响，基于模型设计制作了一维纵向谐振光声池。
　　 论文详细分析了乙炔气体的红外吸收特性理论，选择中心波长为6578.576cm-1(=1520.09nm)处的谱线作为C2H2的特征吸收谱线；从光源辐射特性、光声池分析和光声系统噪声三方面对气体光声检测系统的性能进行了分析；利用DFB半导体激光器的窄线宽及其波长调谐特性研究了近红外1.5μm附近乙炔分子高分辨率光声光谱；实验研究了光声信号与激光功率和气体浓度的关系，在不考虑气体吸收饱和效应的情况下，光声信号随激光功率和乙炔气体浓度的增加而线性增大；分析了温度和压力对乙炔气体光声检测的影响，在290～320K范围下，光声信号最大值随温度的升高而略微减小，在同一谐振频率下的光声信号随温度的升高而变化较大，在0.1MPa以下，随着气体压力的增加，乙炔气体的光声信号增强；提出了一种基于最小二乘回归的乙炔气体光声定量分析方法，并与气相色谱分析结果进行比较，验证了该方法的有效性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1变压器油中溶解乙炔气体光声光谱检测的目的意义

1.2气体光声光谱检测技术概述

1.2.1气体光声光谱检测技术特点

1.2.2气体光声光谱检测技术的国内外研究现状

1.3论文的主要研究内容

1.4小结

2气体光声光谱检测原理及方法

2.1气体光声光谱检测原理

2.1.1气体光声信号产生机理

2.1.2气体光声信号检测方法

2.2气体光声光谱检测平台

2.2.1光源

2.2.2光声池

2.2.3其他组件

2.3气体光声系统中的噪声源

2.4小结

3一维光声信号传输模型及纵向光声池的设计

3.1引言

3.2气体光声传感器光声池的有限元模拟

3.3一维光声信号传输模型的建立及模拟分析

3.3.1一维光声信号传输模型

3.3.2模拟结果及分析

3.4一维纵向光声池的设计与制作

3.4.1光声池的设计原则

3.4.2光声池几何结构与参数的设置

3.4.3光声池的相应去噪措施

3.5小结

4变压器油中微弱乙炔气体的光声光谱检测特性

4.1引言

4.2乙炔气体的红外吸收特性

4.2.1 C2H2的吸收系数

4.2.2压强、温度对乙炔气体红外吸收特性的影响

4.3气体光声检测系统性能分析

4.3.1 DFB半导体激光器的辐射特性

4.3.2光声池分析

4.3.3系统的噪声及气体检测灵敏度

4.4乙炔气体的光声光谱检测特性

4.4.1光声信号与激光功率和气体浓度的关系

4.4.2温度、压力对乙炔气体光声检测的影响

4.5乙炔气体光声定量分析

4.5.1最小二乘回归方法

4.5.2光声定量分析

4.6小结

5结论

致 　谢

参考文献

附 录