基于高分辨率可调谐二极管激光吸收光谱仪(TDLAS)和长程怀特吸收池搭建了一套高分辨率、光程可调吸收光谱测量系统,采用直接吸收光谱技术测量了1.51 μm 波段(6608～6624.3 cm-1) 水分子室温下的吸收光谱。利用非线性拟合程序,获得了57条水分子吸收谱线的线位置、线强和自展宽系数,并与HITRAN 2016数据库中的相应数据进行了比较,结果表明整体实验数据与HITRAN 2016符合较好,证明该光谱测量系统适用于水分子吸收谱线参数研究。

利用宽带光源设计了用于探测甲烷浓度的光声光谱系统,在22 Hz最佳调制频率下对甲烷浓度进行了探测,利用Allan方差分析了系统的稳定性,评估了系统的最低探测浓度。研究结果表明,系统对甲烷浓度(体积比)的探测极限能达到1×10 ^-6。利用宽带光声光谱系统及基于分布反馈式二极管激光光源和长光程吸收池的直接吸收光谱探测系统同时对甲烷浓度进行探测,得到宽带光声光谱系统对甲烷浓度探测的误差约为8%。

乙炔气体作为判断变压器运行状态的一种故障气体, 其浓度的高低反映了变压器的运行状况, 因此对其浓度的探测在变压器的维护中具有重要意义。 为了准确探测变压器运行过程中产生的乙炔气体浓度, 为变压器的维护提供技术参数, 针对基于DFB激光器的共振型光声光谱技术痕量乙炔气体检测技术开展研究, 对传统的光声光谱探测系统进行改进。 根据光声光谱技术的理论可知, 光声信号的强度与入射激光的功率成正比, 所以在光声池的出射窗口采用一个平面反射镜将红外光再次反射到光声池中以增加入射光功率, 增强光声信号强度, 进一步提高了光声系统的探测灵敏度。 通过一定浓度的乙炔气体在不同调制频率和不同调制深度下光声信号强度的变化, 确定光声探测系统的最佳调制频率和最佳调制深度为767 Hz和0.3 mV。 利用不同浓度乙炔气体对系统进行标定, 然后采用最小二乘法对光声信号与气体浓度进行拟合, 二者具有很好的线性度。 通过Allan方差计算可知, 系统在平均时间达到200 s时, 能够达到最低探测极限浓度。 实验表明, 在一个大气压下, 积分时间为10 ms时, 改进后的共振型光声光谱探测系统对乙炔气体的最低探测极限浓度达到了0.3 μL·L-1。 还将小波去噪技术引入到低浓度下乙炔气体的光声信号处理中, 有效消除了低浓度气体光声信号中的噪声, 提高了信噪比。 设计的共振型光声光谱探测系统操作简单, 最低探测浓度符合国标中对变压器维护过程中对乙炔气体的探测需求, 在变压器维护领域具有广阔的应用前景。

CO和CH4气体作为判断变压器运行状态的故障气体，对其浓度的探测在变压器维护中具有重要意义.为了准确探测变压器运行过程中产生的CH4和CO气体浓度，本文利用光声光谱技术，设计了一套基于宽带光源的多组分气体探测系统，和共振型光声系统相比，该系统中所用的非共振型光声池体积小，易加工，池内各处信号强度相同，降低了对声学信号探测器的安装要求.系统的性能通过对CO和CH4气体的探测进行评估.首先，从理论上分析了信号强度与调制频率呈反比，然后根据宽带光声系统在不同调制频率下的响应，确定系统的最佳调制频率为22 Hz.在最佳调制频率下，根据温度与待测气体光声信号的关系，对光声信号进行温度补偿，消除温度变化对光声信号的影响，进一步提高了系统的稳定性.最后，通过不同浓度的CH4和CO气体对系统进行标定.实验表明，温度补偿前后，光声信号随温度的漂移分别为0.023 23V/℃和 8.383 48×10－5 V/℃，通过对不同浓度CH4和CO气体的探测，系统的线性度分别达到 0.995和0.998 4.在一个大气压下，积分时间为1s时，宽带光声探测系统对CO和CH4气体的探测极限浓度能够达到1μL/L.该系统成本低，线性度好，探测灵敏度符合国标对变压器维护过程中CO和CH4气体的探测要求.