用于变压器油中气体检测的光声光谱技术
云玉新1,2，刘民1
(1. 山东电力研究院，济南 250002;
2.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400030)
摘 要：光声光谱技术作为一种新型的气体检测技术，将其用于油中溶解气体的在线监测能够克服色谱柱、气敏传感器等传统在线监测技术的取样复杂、交叉敏感等诸多不足，具有良好的应用前景。该文基于光声光谱技术的基本原理，针对变压器早期故障诊断中最受关注的乙炔气体，利用分布反馈半导体激光器构建了一种便携式、可调谐的光声光谱气体检测装置，对乙炔气体的光声光谱检测方法进行了研究。实验结果表明，在低气体浓度、低激光功率条件下，光声信号与气体浓度、激光功率间具有良好的线性关系，该装置对乙炔的最低浓度检测限约为1.4μL/L。
关键词：光声光谱；气体检测；乙炔
引言
近年来，随着电力系统的不断发展及人民生活对供电可靠性要求的日益增高，电气设备的维修方式正从定期维修逐步向状态维修过渡。油中溶解气体的在线监测及建立在此基础上的故障诊断技术能够为变压器类电气设备的状态维修提供重要的数据支持和理论判据，因而成为该类设备实现状态维修的一项必不可少的关键技术[1]。为了实现油中溶解气体的在线监测，人们已提出了多种方法如气相色谱法、气敏传感器法、傅里叶红外光谱法等。但在长期使用中，这些方法存在取样复杂、交叉敏感、长期稳定性差、检测气体组分不够齐全等缺点。当前，一种新型的气体传感技术——光声光谱技术由于具有灵敏度高、选择性好、检测范围宽等优点，而成为微量气体检测领域的研究热点[2]。
在国家标准GB/T 7252-2001[3]认定的甲烷等故障特征气体中，乙炔往往伴随变压器内部放电性故障的出现而产生，是受到格外关注的一种气体。本文基于光声光谱技术的基本原理，利用分布反馈半导体激光器构建一种便携式、可调谐的光声光谱气体检测装置，对乙炔的光声光谱检测方法进行了研究。
1. 实验装置
1.1 概述
光声光谱技术是基于光声效应，通过直接测量物质因吸收光能而产生的热能的一种光谱量热技术[4]。在气体的光声效应中，气体分子吸收经过调制的特定波长红外辐射而被激发到高能态，由于高能态极不稳定，分子随即以无辐射跃迁形式将吸收的光能变为热能而回到基态；由于光能是周期调制的，这使得密闭于气池中的气体分子的热能也呈周期性变化，宏观上表现为压力的变化，即产生声波。由于声波的频率与光源调制频率相同，而其强度则与吸收气体的浓度有关，因此，建立气体浓度与声波强度的定量关系，就可以准确检测出气池中各气体的浓度。据此原理，本文构建的用于检测乙炔气体的光声光谱检测装置如图1所示。激光器发出能被乙炔分子吸收的特定波长红外辐射，经斩波器
SR540调制成一定频率的断续光束后，沿光声池的纵向轴线射入其中，此时，气体受到周期光束的激励而产生光声效应；由微音器EK3024检测到的正弦波信号与斩波器输出的方波信号分别作为待检信号和参考信号送入锁相放大器SR830，经互相关检测，提取出光声信号的强度值，送入计算机进行后续处理。在图1所示的装置中，红外光源的选择与光声池的设计是构建气体光声光谱检测装置的关键。
图1 气体的光声光谱检测装置
1.2 红外光源的选择
按照辐射特性，光源可分为非相干光源和相干的激光光源两类。与非相干光源相比，激光光源具有功率大、单色性及准直性好的特点，能够提高气体的检测灵敏度，降低气体间的交叉吸收干扰，便于光声池的优化设计，因而，本文采用了激光光源。在现有的激光光源中，分布反馈半导体激光器具有可调谐、窄线宽、长寿命、室温工作、操作简便、体积轻巧、价格低廉等优点，适合工业现场的应用要求，本文选用NEL 公司的分布反馈半导体激光器作为光声光谱检测装置的光源。要激发起气体的光声效应，一个必要条件是激光器的工作波长必须
与气体的特征吸收谱线相一致，因此，激光器工作波长的确定是选择光源的关键问题。由于市场上现有分布反馈半导体激光器的辐射波长均在2μm 以下的近红外区，图2给出乙炔分子在该区域中吸收最强的一段红外光谱。由图2可以看出，相同条件下，为了使乙炔对红外辐射的吸收更强，选择乙炔在该波段具有最强吸收的吸收谱线所对应的波长1520nm 作为激光器的工作波长。
吸收系数/c m -1M P a -1
波数/cm -1
图2 乙炔的近红外光谱
图3 纵向共振光声池的纵剖面
1.3 光声池的设计
根据工作方式的不同，光声池可分为共振式和非共振式两种。所谓共振光声池是指光声池的声学共振频率与入射光束的调制频率相同。相比于非共振光声池，共振光声池具有受低频噪声影响小、信噪比高、可检测流动气体等优点，因而，本文将光
窗口片
进气口出气口
声池设计为共振式。
由于圆柱形光声池能与轴对称的光束、轴对称的激发声场很好地匹配，且易于加工，本文以黄铜为材料，设计制作了圆柱形光声池，光声池内表面抛光，并用透过率大于90%的石英窗片密封两端口，其纵向剖面如图3所示。图中的光声池内腔由谐振腔和缓冲室两部分组成，中部的谐振腔长10cm 、直径1cm ；缓冲室的作用是用来隔离窗口片因光吸收而产生的噪声，理论研究表明，缓冲室的长度为1/2谐振腔长度且半径大于谐振腔半径的3倍时，有较好的隔离效果[5]，因此，缓冲室的长度取5cm ，直径取4cm 。若光束调制频率与光声池的一阶纵向共振模式的声学频率一致时，光声池谐振腔内的声场分布可表示为：
)/sin(c j j L z A P ??=π (1)
式中，P j 为声波强度；A j 为声波振幅；L c 为谐振腔长度；z 为沿谐振腔轴线，以左端点为原点的坐标值。可见，在z=L c /2处，声波最强，将微音器EK3024安置在该处并使其开口刚好与谐振腔管壁平齐，可以获得最好的检测效果；而在z=0，或z=L c 处，声场最弱，将光声池的进、出气口设置在该位置，可以减弱池中气体流动而引起噪声。
2. 实验结果与分析
2.1 激光器的辐射特性
实验中，使用Thorlabs 公司的激光控制器ITC502调节分布反馈半导体激光器的工作温度和注入电流；而用Adventest 公司的光谱分析仪Q8384来记录激光器的辐射波长。图4(a)和图4(b)分别是激光器在不同工作温度和不同注入电流情况下的辐射波长变化曲线，可以看出，激光器随工
作温度或注入电流的升高，其辐射波长以近似线性增大。图4(a)表明，在图示注入电流情况下，工作温度为20～40℃时，激光器的波长调谐范围约为1518.5～1521.6nm ，其温度调谐率约为0.095nm/℃；而图4(b)表明，在图示任一工作温度下，注入电流从20mA 增至100mA 时，激光器的波长增量不超过0.5nm ，其电流调谐率约为0.006nm/mA 。
(a)辐射波长与工作温度的关系
(b)辐射波长与注入电流的关系
图4 激光器辐射波长与工作温度和注入电流的关系
2.2 光声池的品质因数和共振频率
品质因数Q 的实际值要用实验方法来标定，其值定义为[6]：
f
f Q Δ= (2)
式中，f 为共振峰值所对应的频率，Δf 为1/2共振
峰f 处的全线宽，f 和Δf 的具体值可由光声池的频率响应曲线获得。图5是以氮气为背景气体，光声池的一阶纵向共振频率响应曲线，用Lorentz 函数拟合实验结果，可以得到：Hz ，
Hz ，所以。
1403≈f 29≈Δf 48≈Q
频率/Hz
图5 光声池的频率响应曲线
2.3 光声信号与激光功率、乙炔浓度的关系
将浓度为997.8μL/L 的乙炔标准气体充入光声池；调节并保持斩波器的斩波频率至光声池的一阶纵向共振频率1403Hz ；设置锁相放大器的积分时间为1s ；将DFB 激光器设为恒功率工作模式，并设置激光器的输出功率为不同的期望值，这里需注意的是，在调节输出功率时会使激光器的辐射波长偏离乙炔的特征吸收谱线1520nm ，因此，必须对激光器的辐射波长进行校正，校正时可以使用2.1节给出的激光器辐射波长与其工作温度和注入电流的关系曲线，也可采用如下方法：将输出功率设为期望值后，微调激光器的工作温度，当光声信号出现最大值时，可以断定激光器波长被调回至1520nm ；记录激光器不同功率下的光声信号，得到图6所示的光声信号与激光功率的关系曲线。可见，当激光器输出功率为3~15mW 时，光声信号随激光功率以线性规律变化，用一元线性回归方法
拟合实验结果，其拟合优度。
9978.02
=R 设置锁相放大器的积分时间为1s ；调节并保持斩波器的斩波频率至光声池的一阶纵向共振频率1403Hz ；将激光器设为恒功率工作模式，并将其输出功率设置为15mW ，调节激光器的工作温度，使其辐射波长为1520nm ；然后对5
种配制的
不同浓度乙炔气体的光声信号进行测量，得到的实验结果如图7所示。显然，在图7所示的浓度范围内，光声信号与乙炔浓度同样遵循线性关系，用一元线性回归方法拟合实验结果，其拟合优度。
9976.02=R
图6 乙炔光声信号与激光功率的关系
光声信号/m V
浓度/(μL/L)
图7光声信号与乙炔浓度的关系
2.4乙炔的最低检测限
光声光谱技术检测气体的最低浓度主要受系统噪声的限制。光声检测系统中的噪声主要来源于斩波器振动与摩擦及窗口片与池内壁的光吸收而引起的相干噪声、电子检测系统的电噪声、气体分
子Brown 运动噪声及环境噪声。为测定本文光声光谱系统的噪声，实验时，将光声池充满纯净氮气，其余实验条件与图7的实验条件相同，以10s 为间隔，对300s 时间段内系统的噪声测量结果进行统计分析，以均值和方差表示的噪声水平是1.8±0.5μV 。当信噪比SNR=1时，由图8给出的1~10000μL/L 范围内不同浓度的乙炔及其光声信号的线性拟合结果可知，在系统现有噪声水平下，装置对乙炔的最低检测限约为1.4μL/L 。
10
10
10
10
10
1010
10
10
10
浓度/μL/L
图8 乙炔浓度的最低检测限
结论
油中溶解气体的在线监测技术虽已历经四十余年的研究，但由于现场运行环境的复杂性，现有技术仍存在无法满足现场要求的诸多不足。本文以乙炔为对象，对在油中溶解气体在线监测中具有良好应用前景的光声光谱技术进行了研究。利用构建的光声光谱装置，对分布反馈半导体激光器的辐射特性研究的结果表明激光器的辐射波长随工作温度或注入电流的升高以近似线性升高；光声信号与激光功率和气体浓度的实验结果表明，在低气体浓度、低激光功率下，光声信号与激光功率、气体浓度遵循线性变化规律；激光功率为15mW 时，该装置对乙炔的最低检测限为1.4μL/L 。
参考文献
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gas
analysis
and
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72(4)：1937-1955.
手稿日期：2009年3月30日
作者简介：
云玉新(1979－)，男，工程师，博士，在山东电力研究院电气所从事高电压与绝缘技术研究工作。
联系电话：0531-********
1.8联系地址：济南市二环南路500号山东电力研究院电气所 E-MAIL: sdzbyyx@https://www.doczj.com/doc/f42787881.html, ；
刘民(1959－)，男，高级工程师，本科，山东电力研究院电气所主任，从事山东电网的技术管理与研究工作。
用于变压器油中气体检测的光声光谱技术
作者：云玉新， 刘民
作者单位：云玉新(山东电力研究院,济南 250002 重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室,重庆
400030)， 刘民(山东电力研究院,济南 250002)
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