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摘 要

变压器油中溶解的乙炔（C₂H₂）是判断油浸式设备早期电气故障的重要特征气体之一，快速又准确得检测变压器油中的痕量乙炔浓度可以判别变压器中发生的故障类别和程度，从而进行预防和及时治理，以大大减少由此带来的损失。作为一种基于光声效应而研发出的用于检测痕量气体的光谱技术，光声光谱检测技术以其独特的高灵敏度、宽检测范围等优点被广泛应用于痕量气体检测中，并且在工业、农业、医疗卫生等诸多生产生活领域有着优异的应用前景。近年来，愈来愈多学者致力于提高光声光谱检测装置的灵敏度和准确度等，在将检测系统微型化的同时而又优化条件参数以提高检测范围和检测限。本文首先概述了光声光谱气体检测技术的基本原理及各部分的功能和选择标准，设计搭建了一种用于检测乙炔气体的基于C₂H₂气体吸收可调谐DFB激光器的光声光谱气体检测装置，研究了调制电压、时间常数、气体浓度、激光波长与气体光声信号之间的对应关系，分析了时间常数对于光声信号和系统响应时间的影响，得到了不同浓度乙炔气体的标准曲线图。据此优化了光声光谱检测系统的各种条件参数，从而提高了检测范围和检测限，可以达到最佳的实时在线监测效果。

关键词：油气检测；光声光谱；锁相放大；乙炔；痕量气体检测

Trace Acetylene Detection and Condition Optimization Based on Photoacoustic Spectroscopy

Abstract

The dissolved acetylene (C2H2) in transformer oil is one of the most important characteristics of early-stage electrical faults in oil-immersed equipment. Rapid and accurate detection of the trace acetylene concentration in the transformer oil can discriminate the type and degree of faults that occur in the transformer, thus preventing and timely remediation, so as to greatly reduce the losses caused thereby. Photoacoustic spectroscopy technology as a new micro-gas detection technology based on photoacoustic effect is widely used in trace gas detection with its unique high sensitivity, wide detection range, etc., in addition, it has excellent application prospects in many fields of production and life such as industry, agriculture, and health care. In recent years, more and more scholars have devoted themselves to improving the sensitivity and accuracy of the photoacoustic spectroscopic detection apparatus. While miniaturizing the detection system, the conditions have been optimized to improve the detection range and detection limit. In this paper, the basic principle of photoacoustic spectroscopy gas detection technology and the functions and selection criteria of each part are firstly outlined. A photoacoustic spectroscopy gas detection device based on C₂H₂ gas absorption tunable DFB laser for the detection of acetylene gas is designed. The correspondence between the modulation voltage, time constant, gas concentration, laser wavelength and the gas photoacoustic signal was analyzed. The influence of the time constant on the photoacoustic signal and the response time of the system was analyzed. Standard curves of different concentrations of acetylene gas were obtained. All kinds of condition parameters of the photoacoustic spectroscopy detection system are optimized accordingly, thereby improving the detection range and detection limit, and achieving the best real-time online monitoring effect.

Key Words: Oil and Gas Detection； Photoacoustic Spectroscopy；Lock-in Amplification Acetylene；Trace Gas Detection

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1 引言 1

1.2 光声光谱检测技术的发展进程及研究现状 2

第二章 气体光声光谱检测技术 4

2.1 气体光声光谱检测原理 4

2.2 气体光声光谱检测系统设计 5

2.2.1 光源的选择 5

2.2.2 光声池的设计 6

2.2.3 声信号检测器 8

2.2.4 锁相放大器 9

第三章 光声光谱痕量乙炔检测实验结果与分析 11

3.1 实验仪器 11

3.2 光声光谱痕量乙炔检测实验 12

3.2.1 C₂H₂气体吸收可调谐DFB激光工作波长的选择 12

3.2.2光源调制频率对光声信号的影响 12

3.2.3 调制电压对光声信号的影响 13

3.2.4 时间常数对光声信号的影响 15

3.2.5 乙炔气体标准曲线 16

第四章 结论与展望 17

参考文献 18

致谢 21

第一章 文献综述

1.1 引言

变压器等油浸式设备在运行过程中总是会因为一些原因而发生电气故障，对生产和生活的安全造成危害。在长期运行过程中，油浸变压器等电气设备中的绝缘油纸会因为局部放电或过热等种种原因发生裂解，产生甲烷、乙烯、乙炔等气体，这些气体部分或全部溶解于变压器油中。因此对油中溶解的诸多气体的实时在线监测在实际的生产和生活领域中起到至关重要的作用，及时准确的检测到这些气体可以有效地预防和处理电力设备隐患，直接关系到人们的人身和财产安全。变压器油中溶解的乙炔（C₂H₂）是判断油浸式设备早期电气故障的重要特征气体之一，快速又准确得检测变压器油中的痕量乙炔浓度可以判别变压器中发生的故障类别和程度，从而进行预防和及时治理，以大大减少由此带来的损失^[1]。

几十年来，危险工作环境中轻微气体泄漏的检测一直是一个具有挑战性的研究问题，因为它涉及许多健康、安全和环境风险方面的问题。虽然有许多技术可用于检测较小的气体泄漏，但光学技术已被证明优于传统的电化学泄漏检测方法，而且光学方法不需要电火花因而无风险。此外，光学技术是非侵入式的，并且可以在原位使用而无需采用探测式采样方法。光声光谱法（PAS）是近些年发展起来的一种基于光声效应（PA）的高灵敏度和专一性的新型微量气体检测技术，由于激光技术的发展得以迅速成为光谱学中研究和应用的重要部分。传统的常用气体检测技术如气相色谱法、差分吸收光谱法、气敏法、荧光光谱法、傅里叶变换红外光谱法等，与光声光谱法相比较起来，在检测微量气体时总是存在取样复杂、灵敏度低、对样品造成消耗等诸多方面的问题和不足。光声光谱法已被证明是用于鉴定和定量测定气体混合物中痕量组分的最佳分析技术之一，因此它自然成为气体泄漏检测的极佳选择。光声光谱检测系统的重要特点是^[2]：多组分气体混合检测，不会对待检测气体产生破坏；:可以检测极低浓度（ppb）的气体的高灵敏度；可以对多组分混合物中存在的不同物质进行区分的高选择性；可以检测从低浓度（ppb）到高浓度（几千ppm）的大动态范围；具有良好的时间分辨率，响应时间较短；可以实现在线监测和现场测量的便携性。

1.2 光声光谱检测技术的发展进程及研究现状

光声光谱技术的起源被认为是美国科学家贝尔在1880年偶然在固体中首次发现的光声效应，随后，1881年他又和Tyndall及Rontgen在液体及气体中发现了同样的效应^[3]。但是由于当时缺乏对这种效应的合理的理论解释以及研究光声效应的适合的检测设备，不能进行定量实验研究，光声光谱法在长达50年时间里一直未能得到足够的发展，处于停滞状态。前苏联学者文格洛夫在1938年应用光声效应首次成功的研制出了光声光谱气体检测设备，成功测定了多组分气体中各组分气体含量和浓度。这一实验结果再次引发了众多学者对光声光谱技术的研究兴趣。然而在随后的几十年，光声光谱技术虽然得到缓慢发展，然而因为缺乏理想的强激光光源、高灵敏微音器和对定量分析检测实验结果的方法，光声光谱技术却没有得到实质性的发展。

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