1 输变电装备技术全国重点实验室（重庆大学电气工程学院），重庆 400044
2 中国石化集团重庆川维化工有限公司，重庆 401254
基于空芯反谐振光纤设计搭建了光纤增强拉曼光谱检测平台，实现了95%的激光耦合效率；提出CCD和小孔协同降噪方法，使信噪比提高约6倍；相比于未使用光纤时，信噪比提高约270倍。基于单一标准浓度气体分析，确定了用于气体定性的特征拉曼谱峰及标定模型并建立了过程气体定量分析模型，实现了CH4裂解制备C2H2过程气体现场样本的同时检测分析，主要成分包含H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H6和C2H4。各气体同时最小检出限分别达到6.3、26.6、1.2、2.2、4.2、3.9、9.1 μL/L?bar，各气体含量分别为560 588.51 μL/L、230 678.21 μL/L、33 107.65 μL/L、56 086.77 μL/L、77 945.56 μL/L、1 307.19 μL/L、1 823.55 μL/L，各气体浓度与色谱仪标定值相符，检测误差低于4.95%。该方法为CH4裂解制备C2H2控制提供了重要的途径。
拉曼光谱 过程气体 空芯反谐振光纤 降噪 Raman spectroscopy Process gases Hollow-core anti-resonance fiber Noise reduction
不论是在科学研究, 食品安全, 医学检测, 还是在安全事故预防等领域, 对多组分混合气体进行快速、 准确的定性定量分析已经成为一种迫切的需求 。 拉曼光谱法是一种强大的气体传感方法, 既能克服传统的非光谱法检测时间长、 重复性差等弱点, 又能弥补吸收光谱法无法直接测量同核双原子分子的缺点, 同时还能使用单一频率的激光器对多组分混合气体进行定性和定量分析。 但由于物质固有的弱拉曼效应, 加之气体的拉曼效应一般远低于固体和液体, 这极大地限制了拉曼光谱法在气体传感领域的应用。 如何提高气体的散射强度是使气体拉曼传感技术得到更广泛应用的关键。 目前最主要的气体拉曼传感增强技术包括腔增强技术和光纤增强技术。 腔增强技术从提高与待测气体作用的激发光强度和作用路径来从源头上增强拉曼散射信号, 包括多次反射腔增强、 F-P腔增强、 激光内腔增强。 光纤增强则从提高球面散射光的收集效率来增强拉曼散射信号, 使绝大部分拉曼散射光都能进入光谱探测器, 包括镀银毛细管增强和空芯光纤增强。 简要介绍了上述两种技术的的增强原理, 汇总了研究进展以及应用现状, 并讨论了它们各自的优势以及局限性, 最后着眼于多组分痕量气体的检测, 展望了气体拉曼传感技术未来的发展趋势。 尽管目前基于吸收效应的光谱分析方法在气体检测领域占据主导地位, 尤其是光声光谱法, 但在不久的将来, 气体拉曼传感技术有望在气体检测领域得到越来越广泛、 越深入的应用。
拉曼光谱 气体传感 腔增强 光纤增强 Raman spectroscopy Gas sensing Cavity enhancement Optical fiber enhancement 光谱学与光谱分析
2022, 42(11): 3345
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 400044
准确诊断油纸绝缘材料的老化程度是保证油纸绝缘设备安全运行的重要技术手段。 拉曼光谱在物质成分分析及状态诊断领域已经普遍应用。 结合实验室搭建的油纸绝缘拉曼光谱分析平台, 根据绝缘纸的平均聚合度将加速热老化实验获得的油纸样本分为四个老化阶段。 通过对不同老化样本拉曼光谱所包含的能量信息分析, 运用小波包能量熵提取特征量, 结合Fisher判别法构造判别函数, 建立基于拉曼光谱老化特征量的油纸绝缘老化诊断模型, 并收集现场变压器油样验证诊断模型的泛化能力。 结果表明, 两个判别函数能区分不同老化阶段的绝缘油样, 对于老化样本的判别正确率达到84.2%。 拉曼光谱结合小波包能量熵和Fisher判别分析法能够有效地对油纸绝缘老化状态进行诊断。
拉曼光谱 油纸绝缘 小波包能量熵 Fisher判别分析 老化诊断 Raman spectroscopy Oil-paper insulation Wavelet packet energy entropy Fisher discrimination analysis Ageing diagnosis 光谱学与光谱分析
2018, 38(10): 3117
1 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 400044
2 国网浙江省电力有限公司, 浙江 杭州 310012
为了提高微量气体的拉曼散射强度, 本文设计并搭建了注入锁定腔增强拉曼光谱微量气体检测平台。半导体激光器(波长为638 nm, 功率为15 mW)输出到由三块高反镜组成的V型增强腔中, 结合注入锁定技术, 腔内激光强度达到7.5 W, 实现了500倍的增强效果。利用该实验平台对微量单一气体及其混合气体进行了拉曼检测, 并根据拉曼特征谱峰选取原则及信噪比大于3的原则, 确定了H2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2的特征拉曼谱峰分别为4 156, 2 143, 1 388, 2 918, 2 955, 1 344, 1 975 cm-1, 最小检测极限分别为10.2, 21.7, 9.4, 2.1, 8.9, 4.9, 3.3 Pa。腔增强拉曼光谱法可以实现微量同核双原子气体检测及利用单一波长激光的混合气体同时检测, 具有替代气体检测传统光谱方法的潜力。
拉曼光谱 痕量气体检测 腔增强 注入锁定 Raman spectroscopy trace gas detection cavity enhancement injection locking
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, 重庆市 400044
本文开展了变压器油中溶解糠醛的定量分析研究, 基于实验室搭建的拉曼光谱液体检测平台, 对不同浓度糠醛含量的变压器油样进行光谱信号检测及预处理, 运用主成分分析法对光谱数据进行数据降维并结合支持向量机建立油中溶解糠醛含量拉曼光谱定量分析回归模型, 检测下限为0.625 mg/L。结果表明, 拉曼光谱技术结合支持向量机能有效地对变压器油中溶解糠醛进行定量分析, 为实现油中溶解老化特征物的准确、快速检测提供新的手段。
油纸绝缘 拉曼光谱 糠醛 定量分析 oil-paper insulation Raman spectroscopy furfural quantitative analysis
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 400044
本文利用密度泛函理论研究了糠醛分子的拉曼光谱和Furfural-MX（M＝Ag,Au,Cu）复合物的表面增强拉曼光谱。在单个糠醛分子的拉曼光谱中,计算出各拉曼峰的振动模式,并结合分子电荷密度和静态电势图分析了峰位偏差的具体原因。研究了Furfural-MX复合物的原子数量和种类对糠醛SERS化学增强因子的影响和相应电荷转移的改变。本研究加深了人们对糠醛分子表面增强拉曼散射电荷转移效应的认识。
密度泛函理论 糠醛 化学增强效应 拉曼光谱 density functional theory furfural chemical enhancement factors Raman spectrum
1 重庆大学电气工程学院, 四川 重庆 400044
2 国电南京自动化股份有限公司， 江苏 南京 211153
3 武汉理工大学物理系， 湖北 武汉 430070
4 无锡出入境检验检疫局， 江苏 无锡 214001
5 武汉华工先舰电气股份有限公司， 湖北 武汉 430205
在光声光谱测量中，常用光学斩波器对光源输出信号进行频率调制，但光学斩波器的使用会不可避免地增加系统噪声及系统成本。基于分布反馈激光器的可调谐特性，提出激光器双波长调制方法。利用光声光谱实验平台，结合光学斩波器调制激光系统进行检测甲烷气体灵敏度的实验。结果表明，光学斩波器对甲烷气体的检测灵敏度为52.3×10-6，而双波长调制激光系统的检测灵敏度可达40.2×10-6，该调制方法避免了光学斩波器的使用，减小了系统噪声，提高了系统灵敏度。
激光器 光声光谱 分布反馈激光器 气体检测 双波长调制 激光与光电子学进展
2017, 54(11): 111404
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 400044
乙酸是变压器油纸绝缘老化所生成酸类物质的主要成分; 分析变压器油中溶解乙酸含量对准确评估运行变压器的老化状态具有重要意义。 拉曼光谱技术是基于拉曼效应的一种分子分析技术, 能很好地用于物质的非接触式原位检测。 论文开展了变压器油中溶解乙酸含量拉曼光谱检测方法研究: 利用Gaussian 09W软件分析了乙酸分子的拉曼振动特性, 对实测乙酸拉曼谱峰的振动模式进行了指认; 基于实验室搭建的激光拉曼光谱液体检测平台, 对不同乙酸含量的变压器油样进行了原位检测; 选定891 cm-1作为变压器油中溶解乙酸分子的拉曼特征峰, 基于乙酸891 cm-1与变压器油932 cm-1特征峰面积比值和最小二乘法建立了乙酸的定量分析方法, 检测限可达0.08 mg·mL-1。 实验结果表明: 激光拉曼光谱可应用于油中溶解乙酸含量原位检测并具有良好的检测稳定性和重复性, 为变压器油中溶解乙酸含量的快速、 无损检测提供了一种新方法。
乙酸 原位检测 拉曼光谱 定量分析 Acetic acid In-situ detection Raman spectroscopy Quantitative analysis 光谱学与光谱分析
2017, 37(9): 2774
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400044
乙烷是电力变压器油中溶解的主要故障特征气体之一, 其高精度、 高灵敏度检测是进行油中溶解气体分析的关键。 基于光反馈原理及腔增强吸收光谱技术, 结合量子级联激光器, 建立了一套变压器油中溶解乙烷气体检测系统。 基于腔内单腔模对称理论, 通过LabVIEW编程来实现反馈光与腔谐振的相位匹配。 研究并实现了光学反馈效应(激光将在延迟一定的时间后, 返回激光腔并锁定腔模式共振频率)、 偶数和奇数模式效应(交替出现强度较大和较小的腔模式)、 激光器阈值电流降低效应(约1.2 mA)。 利用腔衰荡光谱检测技术测得的系统有效反射率、 腔品质因素分别为99.978%和7138.4, 系统光谱分辨率达到0.005 2 cm-1。 标准大气压、 温度20 ℃下, 1 s的积分时间内, 对乙烷PQ3吸收线进行检测, 系统检测准确率及检测极限分别达到95.72%±0.17%和(1.97±0.06)×10-3 μL·L-1, 满足了变压器油中溶解乙烷气体检测的需要。
腔增强吸收光谱技术 光学反馈 乙烷 溶解气体分析 Cavity-enhanced absorption spectroscopy Optical feedback Ethane Dissolved gas analysis 光谱学与光谱分析
2015, 35(10): 2792
1 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 400044
2 国网重庆市电力公司电力科学研究院，重庆 401123
论文基于光反馈原理及V型增强腔技术，结合量子串级激光器，搭建了CO吸收光谱检测系统.研究并实现了光反馈效应（反馈相位自动可调）、偶数和奇数腔模式效应、激光器阈值电流降低效应.系统有效反射率达到99.979%，在物理长度为47 cm的光腔内实现了4.48 km有效吸收路径.通过自动调节V型腔长，使光谱分辨率从0.005 3 cm-1提高到0.001 1 cm-1.通过阿伦方差分析，确定了最高信噪比的积分时间为53 s.气体压强40 torr，温度20 °C时，系统对CO (R(6)吸收线) 检测准确度及检测极限分别达到(97.79±0.07)%和(0.49±0.04) ppb.也分析和证明了气体压强对CO的峰值吸收强度、检测准确度及检测极限的影响.
腔增强吸收光谱 光学反馈 一氧化碳 cavity-enhanced absorption spectroscopy optical feedback carbon monoxide 红外与毫米波学报
2015, 34(6): 0744
