基于光纤声波传感的光声光谱微量气体分析仪

摘要

随着国民经济的持续高速发展，各行业对电力的需求量不断增加，电力系统正在向大容量、超高压和智能化的方向发展。对电气设备进行连续的在线监测，可以及时掌握变压器设备内部绝缘状况并发现设备运行中的事故隐患，尽早地防止变压器潜伏性故障的发展。光声光谱技术是一种高灵敏度、高分辨率的检测技术，近年来成为电力系统变压器在线监测的首选技术方案。针对在光声光谱检测系统中，传统的电容式微音器频率响应与光声池不匹配、易受电磁干扰等缺点，本文重点研究了基于光纤声波传感的光声光谱微量气体分析系统。
　　在对光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot，F-P)声波传感器的相关理论研究的基础上，针对共振式光声检测系统，制作了悬臂梁结构的光纤F-P声波传感器。实验结果表明，在1400Hz的声波频率下，该传感器的灵敏度达到256.7mV/Pa，最低声波检测极限为8.5μPa/Hz1/2。针对非共振式光声检测系统对高灵敏度低频声波传感器的需求，利用聚一氯对二甲苯(Parylene-C)薄膜致密性好和杨氏模量小的特点，研究制备了Parylene-C膜光纤F-P低频声波传感器，在30Hz的声波频率下，该传感器的灵敏度高达1044mV/Pa，最低声波检测极限为9.5μPa/Hz1/2。相比于传统光声光谱仪中的电容式微音器，光纤声波传感器具有尺寸小、灵敏度高、不受电磁干扰等优势。
　　利用光纤声波传感器作为声波探测单元，建立了一阶纵向共振光声系统，主要包括分布反馈式半导体激光器、光纤放大器、共振式光声池、光纤F-P声波传感器和信号采集处理单元。通过优化系统结构和运行参数，该系统对于乙炔气体的检测极限灵敏度达到0.84ppb。根据电力系统在线监测应用时气样量小、响应快的要求，提出了一种半开腔式纵向共振光声池设计结构，在不增加共振管长度的情况下，有效地降低了共振频率，提高了系统响应速度，减少了进样气量，同时提高了光声信号的强度，对乙炔气体的测量实验结果表明，该系统最低检测下限达到0.81ppb。
　　将Parylene-C膜光纤F-P低频声波传感器与基于红外热辐射光源和非共振式光声池的光声光谱分析系统结合，研制了多组分变压器油中溶解气体检测系统，对乙炔、甲烷、乙烷、乙烯、一氧化碳和二氧化碳等六种气体检测极限灵敏度分别为0.11ppm，0.21ppm，0.13ppm，0.16ppm，0.14ppm和0.48ppm。将六种气体混合同时测量，测量平均误差不超过5％。该光声光谱气体检测系统使用光纤声波传感器作为光声信号探测单元，为光纤传感技术在电力系统中的推广应用奠定了理论和实验基础。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1研究背景与意义

1．2变压器油中溶解气体分析技术

1．2．1 变压器油中溶解气分析概述

1．2．2变压器DGA监测方法分类

1．3光声光谱气体检测技术

1．3．1光声光谱气体检测技术研究进展

1．3．2基于光声光谱技术的变压器DGA监测设备研究进展

1．4基于光纤声波传感的光声光谱气体检测技术

1．4．1 光纤F-P声波传感器研究进展

1．4．2基于光纤声波传感的光声光谱气体检测技术研究进展

1．5本文主要研究思路

2气体光声光谱技术

2．1气体红外吸收光谱

2．1．1红外吸收光谱理论

2．1．2谱线加宽原理

2．2气体光声光谱技术原理

2．2．1理论模型

2．2．2光声信号的产生机理

2．3本章小结

3 光纤F-P声波传感器设计

3．1 F-P干涉仪原理

3．2膜片振动理论

3．2．1膜片形变理论

3．2．2膜片频响特性

3．3银膜光纤F-P声波传感器

3．3．1银膜的制备原理

3．3．2银膜光纤F-P声波传感器的制作过程

3．3．3银膜光纤F-P声波传感器的ANSYS理论分析

3．3．4银膜光纤F-P声波传感器的性能测试

3．4悬臂梁结构光纤F-P声波传感器

3．4．1 悬臂梁结构光纤声波传感器概述

3．4．2悬臂梁结构光纤F-P声波传感器的制作过程

3．4．3悬臂梁共振频率和频率响应理论分析

3．4．4悬臂梁光纤F-P声波传感器的ANSYS理论分析

3．4．5悬臂梁结构光纤F-P声波传感器的性能测试

3．5聚一氯对二甲苯(Parylene-C)膜光纤F-P低频声波传感器

3．5．2 Parylene-C膜光纤F-P低频声波传感器的制作过程

3．5．3 Parylene-C膜光纤F-P声波传感器的ANSYS理论分析

3．5．4 Parylene-C膜光纤F-P低频声波传感器的性能测试

3．6本章小结

4基于近红外激光光源的共振式光声光谱微量气体分析仪

4．1 共振式光声光谱检测系统的组成

4．1．1激励光源

4．1．2一阶纵向共振光声池

4．2 C2H2气体光声光谱检测实验与分析

4．2．1光声池共振频率的测量

4．2．2 C2H2气体检测结果与分析

4．3半开腔式一阶纵向共振光声系统设计

4．3．1半开腔式一阶纵向共振光声池结构设计

4．3．2半开腔式一阶纵向共振光声池理论分析

4．3．3半开腔式一阶纵向共振光声池共振频率的测量

4．3．4悬臂梁结构光纤F-P声波传感器的优化

4．3．5 C2H2气体检测结果与分析

4．3．6系统响应时间对比

4．4本章小结

5 基于红外热辐射光源的非共振式光声光谱微量气体分析仪

5．1 非共振式光声光谱DGA系统的组成

5．2滤光片的选择

5．2．1 变压器油中溶解气吸收光谱理论

5．2．2滤光片中心波长和带宽的选择

5．2．3 多组分气体交叉敏感机理分析

5．3光源反射镜的模拟分析

5．3．1球面反射镜的模拟分析

5．3．2椭球面反射镜的模拟分析

5．3．3抛物面反射镜的模拟分析

5．4其他组件的选择

5．4．1激励光源

5．4．2非共振式光声池

5．5多组分气体光声光谱检测结果与分析

5．6实验结果讨论

5．7本章小结

6结论与展望

6．1 结论

6．2创新点

6．3展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介