【摘 要】
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在电力、环保等领域,痕量气体的高精度检测对于生产设备和工作人员的安全至关重要。而基于光声光谱技术的气体检测技术由于其高精度、高选择性、无需载气、可在线检测等优势,在气体检测领域得到了广泛的重视。本文针对变压器故障气体检测分析的需求,开展光声光谱气体传感系统的仿真和实验研究。主要研究工作为:（1）从红外吸收光谱理论出发分析了气体吸收谱线展宽的影响因素,并采用逐线积分模型,计算分析目标气体在红外波长范
【基金项目】
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国家科技部重点研发计划项目《高精度光声光谱检测仪》（项目编号:2018YFF01011800）
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在电力、环保等领域,痕量气体的高精度检测对于生产设备和工作人员的安全至关重要。而基于光声光谱技术的气体检测技术由于其高精度、高选择性、无需载气、可在线检测等优势,在气体检测领域得到了广泛的重视。本文针对变压器故障气体检测分析的需求,开展光声光谱气体传感系统的仿真和实验研究。主要研究工作为:（1）从红外吸收光谱理论出发分析了气体吸收谱线展宽的影响因素,并采用逐线积分模型,计算分析目标气体在红外波长范围内气体吸收系数。从光声效应的产生机理出发,推导用于产生光声信号的圆柱形光声池在谐振式与非谐振式的两种工作模式下光生声压分布与幅值,并进行对比分析,为光声池结构设计和参数优化提供了理论依据。从理论上分析采用波长调制-二次谐波（WM-2f）的谐振式光声光谱检测原理并推导出二次谐波幅值的表达式,为气体浓度检测和后续改进提供了指导。（2）采用光学仿真软件搭建光路模型,对非谐振式光声光谱系统进行仿真模拟和实验研究。研究了反射罩结构参数和不同光声池对系统信噪比性能的影响,提出搭建一种光束匹配型非谐振式光声光谱系统。实验制备不同参数模型的反射罩和光声池并在实际非谐振式气体检测系统上测试,验证了光束匹配型光声光谱系统对信噪比和检测限的提升。（3）基于谐振式光声光谱原理搭建并测试了谐振式乙炔气体传感系统。主要采用近红外DFB激光器和一维纵向圆柱形光声池。采用WM-2f技术对激光器进行调制并采用光纤放大器（EDFA）放大激光功率。调整光声池的孔径与长度设计使系统具备较高的池常数,通过优化调制深度和谐振频率扫描对系统进行改进,获得了109ppb的检测下限。进一步在出射窗口引入反射镜增强光声信号幅值,最终获得了47ppb的最低检测限。
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