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收稿日期:2003-04-22基金项目:河北省自然科学基金资助项目(600227)作者简介:王玉田(1952—),男,辽宁本溪人,教授,博士生导师,主要从事检测技术、精密测量技术和光电传感器方面的教学和科研工作。
文章编号:1000-8829(2003)11-0019-03基于谐波检测技术的光纤甲烷气体传感器的研究A Methane Gas Sensor with Optic Fiber Based on Frequ ency Harmonic Detection Tech nique(燕山大学电气工程学院,河北秦皇岛市 066004) 王玉田,刘 瑾,张景超,杨海马摘要:基于甲烷气体的近红外吸收光谱,研究了一种高灵敏度光谱吸收型光纤甲烷气体传感器。
采用DFB LD 作为光源,通过光源调制实现气体浓度的谐波检测,利用二次谐波与一次谐波的比值来消除由光源的不稳定和变化所引起的检测误差。
建立了谐波检测的数学模型,给出了甲烷气体的测量结果。
关键词:气体传感器;甲烷;调制;谐波检测中图分类号:O439;TP212.2文献标识码:A A bstract :Based on the near infrared spectral absorption of methane ,a system using absorption ty pe optic fiber for hig h sensitivity methane detection is demonstrated .DFB LD is used as a light source and light source modu -lation harmonic measurement is presented .The ratio of the fundamental and second harmonic signal can be used for eliminating the interference owing to light power changing .The mathematical model of gas concentration harmonic measurement is built up .The result of methane concentration is also show n .Key words :gas sensor ;methane ;modulation ;harmonicmeasurement 甲烷是易燃易爆气体,是矿井瓦斯及天然气等多种气体燃料的主要成分。
基于谐波检测技术的多点光纤乙炔气体传感器
刘瑾;杨海马;张菁;王玉田
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2008(000)006
【摘要】基于乙炔气体近红外吸收的机理,研究了一种以DFB LD为光源的高灵敏度光谱吸收型乙炔气体多点检测系统.采用光源调制实现气体浓度的谐波检测,利用二次谐波与一次谐波的比值来消除光路干扰.采用空分复用技术实现多点气体浓度的检测,使多个传感器共用一个光源,降低了成本.建立了谐波检测的数学模型,给出了乙炔气体的测量结果.测试结果表明:系统灵敏度和稳定性高,重复性好,适应性强.【总页数】3页(P5-6,57)
【作者】刘瑾;杨海马;张菁;王玉田
【作者单位】上海工程技术大学电气工程学院,上海,201620;上海理工大学光学与电子信息工程学院,上海,200093;上海工程技术大学电气工程学院,上海,201620;燕山大学电子电气工程学院,河北秦皇岛,066004
【正文语种】中文
【中图分类】TP212
【相关文献】
1.基于谐波检测技术的光纤甲烷气体传感器的研究 [J], 王玉田;刘瑾;张景超;杨海马
2.用LED作光源的光纤乙炔气体传感器的研究 [J], 张操;罗荣辉;刘小玲;郭小伟;楚
广勇
3.新型光纤乙炔气体传感器的研究 [J], 刘瑾;杨海马;王玉田
4.一种基于谐波检测技术的光纤甲烷气体传感器 [J], 王书涛;刘瑾;车仁生;王玉田
5.吸收式光纤乙炔气体传感器的研究 [J], 孟宗
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《谐波诊断技术在电厂电气设备状态诊断中的应用》篇一一、引言随着电力工业的快速发展，电厂电气设备状态的诊断与维护显得尤为重要。
谐波诊断技术作为一种先进的诊断手段，在电厂电气设备状态诊断中发挥着重要作用。
本文将探讨谐波诊断技术的原理、应用及在电厂电气设备状态诊断中的实际作用。
二、谐波诊断技术概述谐波诊断技术是基于电力系统中的谐波成分进行分析与诊断的技术。
在电力系统中，由于非线性负载的存在，会产生谐波干扰，这些谐波会影响电力系统的正常运行。
谐波诊断技术通过检测、分析和处理电力系统中的谐波成分，可以有效地判断电气设备的运行状态，及时发现潜在故障。
三、谐波诊断技术的原理谐波诊断技术的原理主要基于电力系统中谐波的传播特性和电气设备的谐波响应。
通过对电力系统中的谐波成分进行实时监测，分析其频率、幅值、相位等参数，可以判断电气设备的运行状态。
此外，通过对比正常状态与故障状态的谐波特征，可以识别电气设备的故障类型和位置。
四、谐波诊断技术在电厂电气设备状态诊断中的应用1. 发电机状态诊断：发电机是电厂的核心设备，其运行状态直接影响到整个电力系统的稳定性。
通过谐波诊断技术，可以实时监测发电机的谐波成分，判断其运行状态，及时发现发电机内部的故障，如定子绕组短路、转子偏心等。
2. 变压器状态诊断：变压器是电力系统中的重要设备，其运行状态对电力系统的安全运行至关重要。
谐波诊断技术可以检测变压器中的谐波成分，分析其变化趋势，判断变压器的绝缘状况、绕组变形等情况。
3. 电机设备状态诊断：电机设备在电厂中广泛应用，其运行状态直接影响着电厂的生产效率。
通过谐波诊断技术，可以实时监测电机设备的谐波成分，判断其负载情况、转子状态等，及时发现电机设备的故障。
4. 电力滤波器应用：电力滤波器是抑制电力系统中的谐波的重要设备。
通过谐波诊断技术，可以实时监测电力滤波器的运行状态，分析其滤波效果，及时发现并处理电力滤波器中的故障。
五、实际应用案例分析以某电厂为例，该电厂采用了谐波诊断技术对电气设备进行状态诊断。
基于可调谐光纤激光器的C2H2气体光声光谱检测彭勇;于清旭【期刊名称】《光谱学与光谱分析》【年(卷),期】2009(029)008【摘要】研制了基于可调谐掺Er光纤激光器的共振式光声光谱乙炔气体检测系统,结合波长调制和锁相放大器的二次谐波信号检测技术,有效地消除了光声池窗片和池壁吸收入射光而引起的背景噪声,通过对该系统的光学、声学和电子检测系统的优化,实现了低浓度乙炔气体的流动式检测.实验结果证明,当气体浓度较低时,二次谐波振幅与气体浓度成正比,其线性响应相关度达到0.999 53.在常温常压和3.5 mW 平均光功率以及100 ms锁相积分时间条件下,乙炔气体的极限检测灵敏度达到了0.3 ppm(1 ppm=1μg·mL-1)(SNR=1时),系统用可调谐掺Er光纤激光器代替半导体激光器作光源,降低了成本,为发展低成本、实用、便携式微量气体光谱榆测仪器奠定了基础.若采用多光程光声池,或者采用EDFA提高激光功率,可大幅度提高信噪比,将极限检测灵敏度提高至ppb(1 ppb=1 ng·mL-1)量级.【总页数】4页(P2030-2033)【作者】彭勇;于清旭【作者单位】大连理工大学光电工程学院,辽宁,大连,116023;大连海事大学物理系,辽宁,大连,116026;大连理工大学光电工程学院,辽宁,大连,116023【正文语种】中文【中图分类】TH744.1【相关文献】1.基于长度可调T形光声腔和掺铒光纤激光器的光声光谱气体浓度测量系统 [J], 郑德忠;赵南2.基于光纤F-P可调谐滤波器的有害气体检测方法 [J], 于国良;刘波;刘伟伟;连航;陆星;石俊峰;张宇涵;龚欣;沈贺;徐圣奇;赵佳宇3.基于中红外分布反馈量子级联激光器的光声光谱技术用于痕量甲烷气体检测 [J], 谭松;刘万峰;王利军;张锦川;李路;刘俊岐;刘峰奇;王占国4.基于偏振依赖多模-单模-多模光纤滤波器的波长间隔可调谐双波长掺铒光纤激光器 [J], 彭万敬;刘鹏5.基于半导体激光器的乙炔气体光声光谱检测及其定量分析 [J], 陈伟根;周恒逸;黄会贤;唐炬因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
《谐波诊断技术及其在矿山大型电气设备中应用》篇一谐波诊断技术及其在矿山大型电气设备中的应用一、引言随着现代工业的快速发展，矿山作为国家重要的能源和资源基地，其大型电气设备的运行稳定性和能效性显得尤为重要。
然而，电气设备的正常运行中往往伴随着各种复杂的电气现象，其中谐波问题尤为突出。
谐波问题不仅影响电气设备的正常运行，还可能对电网造成污染，甚至引发安全事故。
因此，谐波诊断技术的研发和应用成为了矿山电气设备管理的重要课题。
本文将详细介绍谐波诊断技术及其在矿山大型电气设备中的应用。
二、谐波诊断技术概述1. 谐波定义及产生原因谐波是指电力系统中频率为基波频率整数倍的电量或磁量。
在电力系统中，非线性负载设备如整流器、变频器等设备运行时会产生谐波。
这些谐波会干扰电网的正常运行，影响电气设备的性能和寿命。
2. 谐波诊断技术原理谐波诊断技术主要通过测量和分析电力系统中的谐波成分，判断电气设备的运行状态和电网的污染程度。
常用的诊断方法包括频谱分析、波形分析、谐波含量计算等。
通过这些方法，可以准确地判断出电气设备中的谐波问题及其产生的原因。
三、矿山大型电气设备中的谐波问题矿山大型电气设备如变压器、电动机、变频器等设备在运行过程中会产生大量的谐波。
这些谐波会严重影响电气设备的正常运行，降低设备的使用寿命，甚至可能引发安全事故。
因此，对矿山大型电气设备进行谐波诊断具有重要的意义。
四、谐波诊断技术在矿山大型电气设备中的应用1. 诊断设备的选择与安装在矿山大型电气设备中应用谐波诊断技术，需要选择合适的诊断设备并进行正确安装。
常用的诊断设备包括功率分析仪、谐波测试仪等。
这些设备应具备高精度、高灵敏度的特点，能够准确地测量和分析电力系统中的谐波成分。
2. 诊断流程及实施谐波诊断的实施流程包括数据采集、数据分析、问题诊断和措施制定等步骤。
首先，通过诊断设备采集电气设备的运行数据；然后，对采集的数据进行频谱分析、波形分析等处理；最后，根据分析结果判断电气设备的运行状态和电网的污染程度，并制定相应的解决措施。
一种基于谐波检测技术的光纤甲烷气体传感器
王书涛;刘瑾;车仁生;王玉田
【期刊名称】《应用光学》
【年(卷),期】2004(025)002
【摘要】甲烷是易燃易爆气体,是矿井瓦斯及天然气等多种气体燃料的主要成分.气体爆炸一直是困扰煤矿安全生产的重大难题,因此现场实时检测甲烷气体浓度对于工矿安全运行,人身安全有着至关重要的作用.基于甲烷气体近红外吸收的机理,研究了一种以DFB LD为光源的高灵敏度光谱吸收型光纤甲烷气体传感器.利用光源调制实现气体浓度的谐波检测,用二次谐波与一次谐波的比值来消除光路干扰.建立了谐波检测的数学模型,给出了甲烷气体的测量结果.利用光纤作为传光通道,使得探头可以与测量电路实现完全电隔离,增强了系统的安全性.
【总页数】4页(P44-47)
【作者】王书涛;刘瑾;车仁生;王玉田
【作者单位】哈尔滨工业大学,黑龙江,哈尔滨,150001;燕山大学,电气工程学院,河北,秦皇岛,150001;哈尔滨工业大学,黑龙江,哈尔滨,150001;燕山大学,电气工程学院,河北,秦皇岛,150001
【正文语种】中文
【中图分类】TN253
【相关文献】
1.基于一次谐波的光谱吸收式甲烷气体传感器设计 [J], 石建中;曹家年;王琢;张可可;杨蕊;陈少勇
2.基于谐波检测技术的光纤甲烷气体传感器的研究 [J], 王玉田;刘瑾;张景超;杨海马
3.基于谐波检测技术的多点光纤乙炔气体传感器 [J], 刘瑾;杨海马;张菁;王玉田
4.基于光纤传感器的甲烷气体浓度信号采集方法 [J], 孙超;丁建军;章盛
5.基于表面等离子体共振的光子晶体光纤甲烷气体传感器 [J], 魏方皓;张祥军;唐守锋
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《谐波诊断技术及其在矿山大型电气设备中应用》篇一一、引言随着矿山生产规模的扩大和电气设备的高效运行，电气设备的稳定性和安全性成为了矿山生产的重要保障。
然而，矿山大型电气设备在运行过程中，由于各种原因，会产生大量的谐波干扰，影响设备的正常运行和电能质量。
因此，谐波诊断技术的应用和在矿山大型电气设备中的应用研究变得尤为重要。
本文将详细介绍谐波诊断技术的原理、特点和应用，以及其在矿山大型电气设备中的应用情况。
二、谐波诊断技术概述1. 谐波诊断技术原理谐波诊断技术是通过分析电力系统中谐波的频率、幅度和相位等参数，诊断电气设备产生的谐波干扰程度及影响范围的技术。
谐波是电气设备运行过程中产生的非基波频率的正弦波分量，其产生的原因主要包括设备非线性负载、电网电压波动等。
2. 谐波诊断技术特点（1）准确性高：谐波诊断技术能够准确测量和分析谐波的频率、幅度和相位等参数，为设备故障诊断提供可靠依据。
（2）实时性强：谐波诊断技术可以实时监测电气设备的运行状态，及时发现设备产生的谐波干扰。
（3）应用范围广：谐波诊断技术适用于各种类型的电气设备，包括电机、变压器、电容器等。
三、矿山大型电气设备中谐波诊断技术的应用1. 矿山大型电气设备的特点矿山大型电气设备具有功率大、运行时间长、负载复杂等特点，其运行过程中容易产生大量的谐波干扰。
因此，对矿山大型电气设备的谐波诊断具有重要意义。
2. 谐波诊断技术在矿山大型电气设备中的应用（1）监测与诊断：通过谐波诊断技术实时监测矿山大型电气设备的运行状态，及时发现设备产生的谐波干扰，为设备故障诊断提供依据。
（2）优化运行：根据谐波诊断结果，对电气设备的运行参数进行优化调整，降低设备产生的谐波干扰，提高设备的运行效率和电能质量。
（3）预防性维护：通过谐波诊断技术对设备进行定期检测和维护，预防设备故障的发生，延长设备的使用寿命。
四、案例分析以某矿山的大型电动机为例，采用谐波诊断技术对其进行了实时监测和诊断。
基于光学吸收法的变压器油中乙炔浓度监测方法研究
田云;王荣;干克艳;刘显财
【期刊名称】《江西电力》
【年(卷),期】2024(48)1
【摘要】油浸式变压器是电力系统的重要设备,其非预期停运将严重影响电力系统的运行,有必要对其采用先进的监测手段。
乙炔气体是变压器内部严重局部放电、严重电弧放电或者严重过热的标志性产物,对乙炔气体进行监测,可有效辨识变压器内部故障。
鉴于此,文中提出了一种基于光学吸收法的巨型变压器油中乙炔浓度监测方法,研究了光学吸收法检测气体的基本理论,选择了适配于乙炔浓度检测的蝶形激光器,设计了油气分离装置、光学气体检测装置,研制了巨型变压器油中乙炔气体浓度在线监测系统,实现了变压器油中乙炔浓度的高精度测量。
目前,系统已应用于现场,成效良好。
【总页数】4页(P80-83)
【作者】田云;王荣;干克艳;刘显财
【作者单位】贵州金元遵义水电开发有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TM411
【相关文献】
1.可调谐二极管激光吸收光谱法监测大气痕量气体中的浓度标定方法研究
2.差分光学吸收光谱法在线监测烟气中SO2浓度的非线性补偿研究
3.基于红外光吸收法的
大气环境污染物浓度自动监测方法研究4.基于变压器油中乙炔气体的MEMS传感器研究5.变压器油中乙炔含量分析方法优化改进的研究
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基于谐波检测技术的乙炔气体浓度测量系统
(工程光学:郝蕴绮)
王翔宇
摘要：基于乙炔气体近红外吸收的机理，研究了一种以DFBLD为光源的高灵敏度光谱吸收型乙炔气体多点检测系统。
采用光源调制实现气体浓度的谐波检测，利用二次谐波与一次谐波的比值来消除光路干扰。
采用空分复用技术实现多点气体浓度的检测，使多个传感器共用一个光源，降低了成本。
建立了谐波检测的数学模型，给出了乙炔气体的测量结果。
测试结果表明：系统灵敏度和稳定性高，重复性好，适应性强。
关键词：气体传感器；乙炔；多点检测；谐波检测
引言
光纤气体传感器灵敏度高，动态范围大，防电磁干扰，防燃防爆，不易中毒，适合于长距离在线测量。
但由于光源造价一般很高，限制了它的大规模使用。
乙炔()是变压器油中的故障特征气体，实时、准确地监测气体浓度对保障生产、生活的安全十分重要。
基于空分复用技术，将气体传感器组成网络，实现对气体浓度的多点测量，使多个传感器共用一个光源，降低了成本。
采用分布反馈式半导体激光器(DFBLD)作为光源，通过对光源的调制实现对气体的二次谐波检测，通过二次谐波与一次谐波的比值作为系统的输出，克服了现有仪器受光路干扰较大的缺点，并且比以往采用LED作为光源的差分检测方式具有更高的灵敏度。
l基本原理
当一束光强为的输入平行光通过图1所示的气室时，如果光源光谱覆盖1
个或多个气体吸收线，光通过气体时发生衰减，根据Beer—Lambert定律，输出光强与输入光强和气体浓度之间的关系为
（1）
式中为气体吸收系数，即气体在一定频率处的吸收线型；L为吸收路径的长度；c为气体浓度。
为了产生谐波信号，在激光器的直流工作电流上叠加1个角频率为的正弦信号。
由于可调谐激光器的输出频率是注入电流的函数，所以注入电流经正弦调制之后，激光器的输出频率和输出光强也将受到相应的调制变成了随频率矿而变化的时变参数
（2）
（3）
式中：为光源未经调制时的中心频率；为频率调制幅度；为光强调制系数，,为电流调制频率。
将式(2)、式(3)代入式(1)，在近红外波段，气体的吸收数很小，满足，光强的调制幅度也很小，即，＜＜1;这样就可以运用近似公式，并且可以忽略高阶小项，则可为
（4）
气体压力接近101．325kPa时，可以用Lorenz曲线描分子的吸收谱线型
（5）
式中：为纯气体在吸收线中心的吸收系数；和分别为对应吸收峰的中心频率和吸收线半宽。
当光源输出中心波长被精确地锁定在气体吸收峰上时，=，式(4)变为
（6）
定义，将式(6)展开为傅里叶级数序列，它的一次谐波（f）和二次谐波(2f)的系数分别为
（7）
（8）
式中：（9）
可知，二次谐波和一次谐波的比值不含有项，这样用其作为系统的输出可以消除光强波动等因素带来的干扰
（10）
可见，检测二次谐波可以获得气体浓度信息，一次谐波分量主要由强度调制引起，幅度正比于光源的平均功率，和气体浓度没有关系。
用二次谐波和一次谐波的比值作为系统的输出，可以消除光源波动等共模噪声。
2系统的设计
为线性对称分子，在红外光谱中共表现出5种基本简正振动，吸收基频为矿。
一蚝，都不在光纤低损耗范围之内，并受到其他因素如光源和探测器等条件的限制，所以选择吸收
强度不如基频吸收强烈的振动泛频吸收峰进行检测。
石英光纤在1．55xnm内为低损耗窗口，在1．525xnm处由简正振动和形成的振动泛频吸收(+)，在1．525xｎｍ附近的能级跃迁主要是C—H键对称伸缩振动模式，和C—H键弯曲振动模式组合频带的跃迁，转动跃迁对吸收谱线的作用是次要的。
由于分子中偶极矩的转动而使吸收谱具有精细结构，根据转动量子数的正负可以将吸收峰分为P支R支，并用转动量子数编号，因此P支和R支的吸收峰的个数相同，相
对变化的规律也相同，但是由于分子的非简谐振动而使它们不对称，所以在短波长的P支和R支的稠密度不同。
图2是的近红外光谱。
光源选择分布反馈式半导体激光器，中心波长为1．52xnm．分布反馈式半导体激光器(DFBLD)是一种内含介质光栅结构，具有优良选频特性的单纵模激光器，所用光源采用高精度的自动功率控制(APC)和自动温度控制(ATC)技术，有很高的短期稳定度和长期稳定度并具有连续光、内调制和外凋制3种工作方式。
输出光功率≥1mW，短期稳定度(15dB.min)和长期稳定度(8～dB·h。
)分别为±0．005和±0.03.
系统中，气室是敏感元件，由输入／输出透镜组成。
光纤中出射的光，经输入透镜准直变为平行光，穿过气室，由另一透镜耦合到输出光纤中。
气室设计的主要原则是吸收光程尽可能大，气室中光路的耦合损耗小，耦合状态稳定。
如图1(a)所示波气室结构，入射光先要经过透镜准直，然后通过气体路径，经过聚焦透镜，再回到光纤，因为光路不可能绝对准直，光纤的数值孔径有一定的范围，光信号在这里要损失一部分，并且给系统带来干扰。
由于涉到光纤和分立光学元件的耦合问题，准直复杂，温度稳定性、抗震性能也不是最佳。
所以选择小型渐变炉折射率透镜如图1(b)所示，这种透镜器件和光纤匹配性好，可选择带尾纤的变折射率透镜，将传输光纤和透镜尾纤直接熔接在一起，改善了耦合的稳定性。
用于多点气体检测的传感器网络系统如图3所示。
一定数量Ⅳ的光纤气体传感器，其中每个均和各自的输入和返回光纤连线构成1个传感通道。
可以通过使它们共用1个光源和1个多路探测器阵列或使之共用1个公共探测器和1个多路光源来复用，组成1个结构简单的网络，或者不使用多路探测器阵列或多路光源，而使用单探测器或单光源与光纤开关或光纤多路耦合器(1xN路耦合器)。
系统中采用的DFBLD前后两面均发射激光，利用后向激光穿过参考气室，参考气室内装有已知浓度的气体，检测一次谐波作为反馈信号对激光器进行温度控制精确锁定其波长于气体吸收峰上。
DFBLD前向发出经过调制的光经光纤传输到测量气室，单路测量的原理框图如图4所示，光能与气体发生相互作用，然后将携带有用信息的光信号传输到PIN光探测器转换成电信号，送入锁相放大器。
检出2个调制频率的一次和二次谐波分量。
二次谐波分量含有浓度信息，一次谐波分量主要由强度调制引起，幅度大小正比于光源的平均功率。
用二次谐波和一次谐波的比值作为系统的输出，消除了激光器光强波动等共模噪声和其它同性干扰的影响，单值的表征被测气体浓度。
再经过低噪声、高灵敏度的低通滤波电路，消除背景光的交流漂移和PIN的暗电流，并滤除信号中的高频噪声。
经过上述处理的反映气体浓度的信号被送入A／D转换器，转换成数字量后，送入计算机进行处理、显示及打印。
3实验及结果
采用图3所示的系统进行实验，采用2路传感器，气室长度为50cm，选择低噪声、高灵敏度的PIN光电二极管作为光电探测器，其波长响应范围为—1．7×nm.当气室中没有待测气体时，二次频输出信号为零，基频输出1个固定不变的电雎值，此时二次谐波与一次谐波的比值为零。
采用和的混合气体进行实验，实验结果如下表l所示。
经多次测试，其重复性、稳定性良好。
理论与实验表明，采用DFBLD调制技术实现气体浓度的谐波检测，灵敏度和稳定性明显提高，只要更换光源或相应的探测器，此系统即可应用于其他气体的检测，具有较强的适应性。
参考文献：
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[4]YAMAMOTOK．TAIH，UCHIDAM．Longtionofmethaneanddiodelasersincombinationwith acetylenebyusingopticalfibers．CalifProceedingsofEishthOpticalFiberSen sorsConfer-ence．1092：333—336．
[5]王玉田，郭增军，王莉田．新型光纤甲烷传感器的研究．光学技术，2001，27(4)：342—343．。
