波长调制光声检测系统的光声池优化设计

摘要

大型电力变压器的正常运作是保证居民日常生活、工业生产用电的关键。所以，变压器安全性的在线检测十分重要。目前，监测充油式变压器运行状态的最有效的方法是对变压器油中溶解气体的浓度和成分进行在线测量，据此判断变压器的运行状态、故障类型等，避免不必要的人力、财力损失，防止电力故障给人们生活带来不便。
　　利用光声光谱技术检测气体浓度的方案，具有分辨率高、灵敏度高和动态范围大等优势，还能够实现多种气体同时测量。光声池设计是光声光谱技术的重要组成部分，是吸收气体产生光声效应的载体，其结构和尺寸直接影响气体检测灵敏度。本论文从光声信号的产生原理出发，从理论上建立声压信号的幅值与气体浓度之间的关系，为共振和非共振式光声池的结构设计提供了依据。
　　针对波长调制和光声信号二次谐波检测工作方式的噪声特性和激发光源的光束特性，基于光声池设计理论，详细阐述了共振和非共振式光声池的结构、尺寸、材料与光声信号幅度的关系，用MATLAB软件对共振光声池的共振频率、品质因数和池常数与谐振腔尺寸的关系进行模拟，从而确定了纵向一阶共振光声池谐振腔的长度为120mm，半径为2mm;缓冲室的长为60mm，半径为6mm;确定了非共振光声池的长度为40mm，半径为3mm。并使用Inventor软件对两种光声池进行三维模型设计和零部件工程图的绘制。
　　通过与针对强度调制方式设计的光声池(谐振腔长为100mm，半径为5mm;缓冲室长为50mm，半径为15mm)的池常数和实验测量结果的对比，理论预测优化设计的光声池对C2H2气体的极限检测灵敏度可提高一倍以上，同时大幅度减少了待测气体的采样量，有效的提高了波长调制式光声系统的整体性能。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 国内外研究近况

1．2．1 国外光声光谱法检测气体的研究

1．2．2 国内光声光谱法检测气体的研究

1．3 光声池的国内外研究

1．4 选题的意义

1．5 论文主要内容及其结构

1．6 小结

2 光声光谱法检测气体

2．1 气体的光声检测

2．2 光声信号产生的机理

2．2．1 光声池中热的产生

2．2．2 光声池中光的吸收

2．3 波长调制—二次谐波检测的原理与特点

2．3．1 波长调制技术

2．3．2 谐波检测原理

2．3．3 二次谐波分析的理论依据

2．4 小结

3 光声池的设计原理

3．1 光声池设计的原则

3．2 光声池结构和材料的选择

3．3 非共振光声池

3．3．1 非共振光声池的基本原理

3．3．2 非共振光声池的设计

3．4 共振光声池

3．4．1 一阶共振光声池的基本原理

3．4．2 池壁处的粘滞损耗与热传导损耗-面损耗

3．4．3 一阶纵向共振光声池结构和几何参数

3．4．4 共振光声池的设计

3．5 共振光声池和非共振光声池的比较

3．6 共振光声池的降噪

3．7 小结

4 光声光谱气体浓度检测系统装置及其气体灵敏度验证

4．1 光声光谱气体浓度检测系统结构

4．1．1 光源的选择

4．2 优化后共振光声池的气体灵敏度分析验证

4．3 小结

结论

参考文献

致谢