光聲光譜技術(shù)在絕緣油中氣體檢測(cè)的研究

孫微微　宋貴才

摘 要：光聲光譜氣體檢測(cè)技術(shù)是以光聲效應(yīng)為基礎(chǔ)的一種光譜檢測(cè)技術(shù)。文章對(duì)光聲光譜理論模型和光聲光譜氣體檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了概括和總結(jié)，并闡述光聲光譜氣體檢測(cè)技術(shù)在絕緣油中氣體檢測(cè)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光聲光譜；絕緣油；微量氣體檢測(cè)

引言

光聲光譜技術(shù)（PAS）是近些年來發(fā)展起來的一種研究物質(zhì)吸收光譜的新興技術(shù)，是以光聲效應(yīng)原理為基礎(chǔ)的一種微量氣體檢測(cè)技術(shù)，具有較高的靈敏度、較高的選擇性、動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。自2000 年起，英國(guó)凱爾曼（Kelman）公司光聲光譜技術(shù)應(yīng)用于油中氣體及微水檢測(cè)并研發(fā)出便攜式在線檢測(cè)裝置至今，光聲光譜技術(shù)憑借其檢測(cè)靈敏度高，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)檢測(cè)多種微量氣體的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)發(fā)展成為一種新興研究技術(shù)，是國(guó)際上的研究熱點(diǎn)之一。

1 光聲光譜技術(shù)

光聲效應(yīng)是由于周期性強(qiáng)度調(diào)制的光照射物質(zhì)時(shí)，產(chǎn)生聲信號(hào)的現(xiàn)象。在1880年由貝爾第一次發(fā)現(xiàn)光聲效應(yīng)。它的產(chǎn)生機(jī)理是：當(dāng)光照射物質(zhì)時(shí)，因物質(zhì)吸收光能而受激發(fā)，而后在非輻射消除激發(fā)的過程中，使其吸收的光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋Ｈ粽丈涞墓馐ㄟ^周期性的強(qiáng)度調(diào)制，會(huì)在物質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生溫度的周期性變化，使這部分物質(zhì)和其鄰近媒質(zhì)因熱脹冷縮而產(chǎn)生應(yīng)力（或壓力）發(fā)生周期性變化，從而產(chǎn)生聲信號(hào)，這種信號(hào)稱為光聲信號(hào)。當(dāng)光調(diào)制頻率與光聲信號(hào)的頻率相同時(shí)，光聲信號(hào)的強(qiáng)度和相位則是由物質(zhì)的光學(xué)、熱學(xué)、彈性和幾何等特性決定的。

光聲光譜技術(shù)是以光聲效應(yīng)原理為基礎(chǔ)的一種光譜檢測(cè)技術(shù)。由于壓力波溫度與氣體濃度呈一定比例關(guān)系，因此，電磁輻射后所產(chǎn)生的壓力波被檢測(cè)氣體分子吸收后就可以檢測(cè)氣體濃度。光聲光譜法對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)是，吸收光能的大小，反射、散射光等對(duì)其測(cè)量干擾很小，因此提高了對(duì)低體積分?jǐn)?shù)氣體的測(cè)量準(zhǔn)確度。并且光聲室容積一般都比較小，大約2-3ml，有利于提高油氣分離效率。

2 光聲光譜技術(shù)的氣體檢測(cè)技術(shù)的理論模型

光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)光聲信號(hào)檢測(cè)氣體濃度的系統(tǒng)。光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)是光譜氣體檢測(cè)技術(shù)的一種，光譜氣體檢測(cè)技術(shù)從原理上劃分可以分為兩種測(cè)量法：直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。“直接測(cè)量法”是直接測(cè)量特征氣體的吸收譜對(duì)特征氣體的種類、濃度等信息做一個(gè)定量的測(cè)定，直接測(cè)量法一般不對(duì)特征氣體的發(fā)射譜進(jìn)行測(cè)量；“間接測(cè)量法”一般不直接對(duì)特征氣體的吸收譜進(jìn)行測(cè)量，而是將吸收的光能量轉(zhuǎn)換為可測(cè)量再進(jìn)行測(cè)量。

直接測(cè)量法和間接測(cè)量法實(shí)質(zhì)上都是依據(jù)朗伯-貝爾（Lamb-Beer）定律的。直接測(cè)量法是根據(jù)式（1），采用測(cè)定初始光強(qiáng)和被吸收后的光強(qiáng)的大小，通過二者的“變化量”來反演氣體的濃度。直接測(cè)量法在氣體濃度很高的情況下，效果很好；但在氣體濃度非常低的情況下，I（v）和I0（v）可能就會(huì)非常接近，它們之間的變化相對(duì)于自身來說是一個(gè)十分小的量，往往會(huì)淹沒在探測(cè)器的噪聲或者光功率本身的波動(dòng)之中，因此，這種方法的檢測(cè)極限有限。間接測(cè)量法在測(cè)量的過程中存在一個(gè)能量轉(zhuǎn)換的過程，測(cè)量的是特征氣體吸收特定頻率光子后退激發(fā)過程中產(chǎn)生的一個(gè)“新量”，這是一個(gè)從無到有的過程，產(chǎn)生了就是有，沒有產(chǎn)生就是沒有。因此，通過設(shè)計(jì)針對(duì)這種“新量”的微弱信號(hào)探測(cè)器，優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換過程的效率，理論上可以實(shí)現(xiàn)“無背景”的探測(cè)，因此這種方法非常適用于極低濃度氣體的測(cè)量。

光聲光譜氣體檢測(cè)技術(shù)就是依據(jù)光譜氣體檢測(cè)技術(shù)的間接測(cè)量法的原理發(fā)展而來的。光聲光譜氣體檢測(cè)基本原理是待檢測(cè)氣體被單色可調(diào)制的激光照射，該單色激光的光能被待檢測(cè)氣體吸收，產(chǎn)生激勵(lì)，并且被釋放熱能的方式退激。周圍氣體受到熱能影響產(chǎn)生周期性振蕩，從而形成一定頻率的聲波信號(hào)，其稱為光聲信號(hào)。它的基本原理是氣體光聲效應(yīng)，通過光聲池，巧妙地將吸收的光能轉(zhuǎn)換為聲音信號(hào)（光-熱-聲），再利用微弱聲音信號(hào)探測(cè)器對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而測(cè)定氣體的濃度。圖1是光聲光譜法進(jìn)行氣體檢測(cè)的原理框架圖。該圖對(duì)上述過程進(jìn)行了一個(gè)比較直觀的描述。

3 光聲光譜技術(shù)在絕緣油中氣體檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

變電設(shè)備經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行或內(nèi)部異常放電，內(nèi)部的絕緣油就會(huì)分解、揮發(fā)，產(chǎn)生大量氣體，這些氣體的濃度達(dá)到一定量時(shí)，會(huì)出現(xiàn)變電設(shè)備內(nèi)絕緣事故，甚至引發(fā)變電站全停重大事故。

光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的油中氣體檢測(cè)方法相比要好的多，該檢測(cè)系統(tǒng)即不需要載氣和設(shè)計(jì)復(fù)雜的氣路，也不需要像色譜柱等氣體分離裝置。其檢測(cè)過程變得十分簡(jiǎn)單，受到外界因素影響比較小，檢測(cè)所需時(shí)間也比較短，因此在電力系統(tǒng)應(yīng)用上更容易得到普及。光聲光譜法氣體檢測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中維護(hù)任務(wù)比較少，也不需要定期更換色譜柱，相關(guān)操作相對(duì)簡(jiǎn)單，不容易出現(xiàn)操作失誤等技術(shù)問題，容易被電力部門一線人員掌握。其中待檢測(cè)氣體也可以反復(fù)的使用，氣體檢測(cè)實(shí)驗(yàn)也可重復(fù)進(jìn)行，有利于對(duì)待檢測(cè)氣體與變壓器故障之間的聯(lián)系做進(jìn)一步研究，對(duì)變壓器故障預(yù)示診斷有一定的促進(jìn)作用。

4 光聲光譜技術(shù)的氣體檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

在經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展過程中，光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展體現(xiàn)了人類在物質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域的重大科學(xué)進(jìn)步。隨著光聲光譜技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展及在各個(gè)領(lǐng)域的日益廣泛應(yīng)用，在物質(zhì)檢測(cè)技術(shù)方面有著不可替代的作用。隨著光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)在變壓器絕緣油中氣體的檢測(cè)中的日益廣泛應(yīng)用，這種新興的檢測(cè)技術(shù)也漸漸的進(jìn)入人們的視野，對(duì)變壓器故障診斷和壽命預(yù)測(cè)領(lǐng)域?qū)?huì)有很大的促進(jìn)和發(fā)展。

現(xiàn)在，光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境和工業(yè)等諸多領(lǐng)域，并作為各個(gè)領(lǐng)域中作為重要物質(zhì)檢測(cè)技術(shù)而使用。

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