激光吸收光譜痕量乙炔檢測(cè)方法研究

摘 要： 針對(duì)現(xiàn)有的正交型鎖相放大器在可調(diào)諧激光二極管吸收光譜吸收信號(hào)中存在檢測(cè)下限差、穩(wěn)定性差等問(wèn)題，該文提出基于插值離散傅里葉變換的相位測(cè)量與數(shù)字鎖相放大器的光譜吸收信號(hào)檢測(cè)方法，可實(shí)現(xiàn)低濃度氣體的高精度檢測(cè)。為驗(yàn)證該方法的有效性，該文選擇1 532.8 nm 作為檢測(cè)中心波長(zhǎng)，設(shè)計(jì)適用于變壓器絕緣油中溶解乙炔氣體檢測(cè)的可調(diào)諧激光二極管吸收光譜系統(tǒng)。結(jié)果表明，當(dāng)測(cè)量2 μL/L 乙炔氣體時(shí)，該方法比傳統(tǒng)正交型鎖相放大器測(cè)量準(zhǔn)確性提高26.76%。該測(cè)量結(jié)果也比傳統(tǒng)方法更穩(wěn)定，且計(jì)算量更小。此外，該文設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變壓器絕緣油中溶解乙炔檢測(cè)時(shí)，0.22 μL/L 以上乙炔濃度的測(cè)量誤差小于30%，0.12 μL/L 乙炔濃度的測(cè)量偏差小于±0.5 μL/L，滿足電力變壓器油中溶解乙炔的檢測(cè)需求。

關(guān)鍵詞： 可調(diào)諧激光二極管吸收光譜; 諧波檢測(cè); 數(shù)字鎖相放大器; 插值離散傅里葉變換

中圖分類號(hào)： TB9; TM41; O657.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1674–5124（2025）03–0075–06

0 引 言

變壓器絕緣油中溶解氣體分析是判斷變壓器早期潛伏性故障最有效的方法之一[1-2]?，F(xiàn)有的電化學(xué)傳感器和氣相色譜法測(cè)量變壓器油中溶解氣體時(shí)存在需要消耗載氣、需提前標(biāo)定等不足[3]。特別是目前應(yīng)用非常廣泛的氣相色譜法，需在變壓器外殼附近取油樣，進(jìn)行油氣分離后再開(kāi)展氣體檢測(cè)，氣體從故障點(diǎn)溶解到取樣點(diǎn)耗時(shí)長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)十小時(shí)，會(huì)影響測(cè)量準(zhǔn)確性[4]。因此亟需一種測(cè)量精度高、檢測(cè)速度快、靈敏度高的變壓器絕緣油中溶解氣體檢測(cè)方法。

可調(diào)諧激光二極管吸收光譜（ tunable diodelaser absorption spectroscopy， TDLAS）技術(shù)具有穩(wěn)定性好，不需消耗載氣，靈敏度高以及可實(shí)現(xiàn)多組分氣體測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于痕量氣體檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[5-6]，近幾年也逐漸引入到變壓器絕緣油中溶解氣體檢測(cè)中[7]。

變壓器絕緣油中溶解氣體的體積分?jǐn)?shù)常為微量級(jí)，TDLAS 光譜信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器后的電信號(hào)通常是毫伏級(jí)，甚至更低。同時(shí)，變壓器運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境干擾、電路噪聲等因素使得與氣體濃度相關(guān)的信號(hào)不可避免地夾雜有強(qiáng)噪聲，導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)痕量氣體的檢測(cè)精度不高，從而缺乏對(duì)變壓器早期故障的感知[8-10]。現(xiàn)有研究大多針對(duì)基于TDLAS 的氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及方案優(yōu)化，對(duì)于低濃度氣體下的弱信號(hào)降噪、提高檢測(cè)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的研究較少。文獻(xiàn)[11] 設(shè)計(jì)了一種正交型模擬鎖相放大器實(shí)現(xiàn)二次諧波信號(hào)檢測(cè)，有效簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但存在穩(wěn)定性差，不如數(shù)字鎖相放大器靈活等不足。文獻(xiàn)[12] 采用正交型鎖相放大器實(shí)現(xiàn)光電探測(cè)器信號(hào)的諧波提取，將二次諧波除以一次諧波的波形峰值點(diǎn)實(shí)現(xiàn)氣體濃度反演，但正交型鎖相放大器在低濃度氣體檢測(cè)精度方面存在局限性。文獻(xiàn)[13] 采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（empirical mode decomposition，EMD） 結(jié)合Savitzky-Golay 濾波（Filter） 用于TDLAS氣體吸收線二次諧波信號(hào)去噪，可以提高氣體檢測(cè)下限，但算法計(jì)算量大，從而降低檢測(cè)實(shí)時(shí)性。

為提高低濃度氣體的檢測(cè)下限，本文提出基于插值離散傅里葉變換（ discrete Fourier transform，DFT）的相位測(cè)量結(jié)合數(shù)字鎖相放大器用于激光吸收光譜的諧波信號(hào)檢測(cè)方法。該方法采用插值DFT 算法實(shí)現(xiàn)光譜吸收信號(hào)二次諧波相位測(cè)量的基礎(chǔ)上，應(yīng)用設(shè)計(jì)的數(shù)字鎖相放大器實(shí)現(xiàn)諧波檢測(cè)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的方法可以提高測(cè)量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。