流动采样光声气体检测的噪声抑制方法研究

摘要

采用光声光谱法进行气体检测具有灵敏度高、选择性好、检测的动态范围大等特点，尤其是对变压器油中溶解气体的检测，其极限检测灵敏度达到ppm、ppb量级，可以实时监测变压器的工作情况，避免变压器故障引起的事故和重大损失。 为了能够在线实时监测变压器系统的运行状态、监测有毒有害气体是否发生泄漏等现象需要对气体进行连续流动采样分析，流动采样能够实现对气体的浓度进行实时检测，经数据处理后能够及时、有效地反馈系统的运行状态，能够有效地保障我们的生命财产安全。那么系统的光声池则需要选择共振式且需设有进出气口，随之而来的问题是外界环境的噪声会进入到光声池当中影响系统的信噪比和最低检测极限，尤其是与光声池共振频率相近的频范围内的噪声，严重限制了系统的极限检测灵敏度，为解决这一问题在光声池的进、出气口设计一消声器来进行噪声抑制，通过理论的推导与设计，并考虑到消声器的结构要简单、体积要小等设计要求，将消声器设计为两个接管长度分别为8.5mm与9.5mm相并联的亥姆赫兹消声器与内插管长度56mm、扩张室长度60mm、扩张室直径18mm、进出口直径为4mm的内插管消声器并联的结构，经声学分析，理论上消声量在光声池共振频率处可达到80dB。 通过实验对消声器传递损失的实验测量值与理论模拟值进行了对比，对实际测量值与理论模拟值存在的差距进行了误差分析。测得质量流量分别为10、30、40SCCM下的声波损耗曲线，声波损耗的值最大达到25dB，说明其对光声检测系统的噪声抑制效果，并对乙炔气体进行流动测量，通过计算发现在光声池的进出气口安装消声器与未安装消声器相比极限检测灵敏度提高了一倍。这种设计方案为基于流动测量的光声光谱系统的噪声抑制提供了有效的设计参考。

目录

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 光声气体检测技术的发展

1.2.1 国外发展历程

1.2.2 国内发展历程

1.3 光声池发展现状

1.4 抗性消声器研究简介

1.5 选题的意义

1.6 论文的内容及结构

1.7 小结

2 光声信号的产生原理

2.1 光声信号的产生

2.2 光声信号产生的理论推导

2.2.1 气体对光的吸收

2.2.2 声音信号的形成

2.3 光声光谱技术中的噪声抑制

2.3.1 相关噪声抑制方法

2.3.2 非相关噪声抑制方法

2.4 小结

3 消声器原理及设计

3.1 消声器基本理论及设计要求

3.1.1 消声器基本理论

3.1.2 消声器设计要点

3.1.3 声学性能评价

3.2 简单扩张式消声器设计与模拟分析

3.2.1 传递损失推导

3.2.2 单节扩张式消声器模拟分析

3.2.3 多节串联扩张式消声器模拟分析

3.3 光声池进出气口的内插管消声器的设计

3.3.1 插入管长度的确定

3.3.2 内插管壁厚的确定

3.3.3 流动采样对消声器传递损失的影响

3.4 光声池进出气口的Helmholtz消声器设计

3.4.1 Helmholtz 消声器基本原理及模拟分析

3.4.2 Helmholtz消声器与内插管消声器的组合设计

3.4.3 流动采样对组合消声器传递损失的影响

3.5 组合消声器的工程图以及制作

3.6 小结

4 流动采样光声气体检测噪声抑制实验分析

4.1 光声气体检测的噪声抑制实验系统组成

4.2 传递损失的实验测量

4.3 声波损耗的实验测量

4.4 流动检测乙炔气体实验与分析

4.4.1 未安装消声器流动检测乙炔气体实验与分析

4.4.2 安装消声器流动检测乙炔气体实验与分析

4.5 小结

结论

参考文献

致谢