基于光纤激光器的乙炔气体近红外光声检测技术研究

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随着我国电力事业的蓬勃发展,工矿企业电气化和用电量不断提高,各种变压器得到日益广泛的应用。在运行过程中,变压器油中可能产生故障特征气体。乙炔作为变压器油中故障特征气体之一,是变压器内部故障类别和严重程度的重要标志。因此,准确监测乙炔气体的浓度对保障生产、生活的安全具有十分重要的意义。随着光纤传感技术和激光光谱检测技术的发展,光纤气体检测技术得到了广泛研究与应用。在此基础上,本文提出了一种基于近红外光源——可调谐掺铒光纤激光器(TEDFL)的乙炔气体光声光谱检测方法。本文应用量子力学和分子光谱理论分析了乙炔分子近红外1.5μm吸收谱带的能级跃迁机理,系统的讨论了该吸收带的强度分布、精细结构以及吸收展宽,为开展乙炔气体的光谱检测提供了理论依据。本文设计并实现了一套近红外气体吸收光谱实验装置,从实验方面对理论分析加以验证,给出了乙炔气体近红外1.5μm吸收带中各吸收线的精确位置以及吸收强度、展宽的变化规律,为下一步设计光声检测系统提供了重要的参考数据。同时该装置可用于检测乙炔气体浓度,极限检测灵敏度可达36ppm。本文设计并实现了一套近红外乙炔气体光声光谱检测系统。首次使用低成本的可调谐掺铒光纤激光器作为光源,取代了造价相对昂贵的可调谐半导体激光器。选择乙炔分子近红外1.5μm泛频吸收带中的P9峰作为待测吸收峰,同时结合波长调制和锁相放大器的二次谐波技术,提高了光声检测的信噪比,在相对较低的光源激发功率下获得了较高的极限检测灵敏度。实验结果表明,在常压下,二次谐波信号与乙炔气体的真实浓度呈现出良好的线性关系,其极限检测灵敏度可达15ppm。本研究为微量气体光谱检测仪器的低成本化和工业应用研究奠定了基础。
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