表面微孔修饰光纤增强拉曼光谱及其对六氟化硫分解气体检测研究

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SF6分解气体(SO2F2、SO2、CF4、COS、CO2、CO)含量是反映气体绝缘设备故障及老化状态的重要特征量,开展多组分特征气体低检出限、高准确检测方法研究对于气体绝缘设备安全可靠运行具有重要的意义。拉曼光谱法基于单波长可实现多组分气体的同时检测,选择性高,不易老化。但气体的弱拉曼散射效应限制了其在微量气体检测中的应用。论文开展表面微孔修饰光纤增强拉曼光谱及其对六氟化硫分解气体检测研究:获取了表面微孔参数对光纤内外气体平衡时间的影响规律,构建了最优微孔参数;设计并搭建了表面微孔修饰光纤增强拉曼光谱气体检测平台,实现了SF6分解气体拉曼光谱同时检测;获得了气体分压、激光功率、温度等因素对SF6分解气体拉曼谱峰特性的影响规律。本论文具体的研究成果如下:(1)建立了表面微孔修饰的空芯反谐振光纤仿真模型,研究了微孔布局、微孔直径、微孔数量等因素对气体平衡时间的影响规律,确定了最优微孔参数。对比了聚焦离子束曝光和飞秒激光加工技术对空芯反谐振光纤表面微孔修饰的效果,最终实现空芯反谐振光纤的表面微孔修饰。(2)设计并搭建了表面微孔修饰的光纤增强拉曼光谱多组分气体检测平台。优化了耦合透镜、空间滤波等参数,结合光纤端面添加反射镜的方法使气体拉曼信号强度和信噪比提升40倍以上;研究了光纤长度对气体拉曼信号强度和信噪比的影响规律。开展了0.5 MPa压强下气体自由扩散实验,确定各个气体平衡时间;在0.1MPa压强、0.3 m光纤和60 s积分时间下,SO2F2、SO2、CF4、COS、CO2、CO的检出限分别为:48.4、12.3、41.9、25.3、18.9、57.1μL/L。(3)研究了SO2F2、SO2、CF4、COS、CO2、CO及内标气体(SF6)特征拉曼峰的气体分压特性、激光功率特性和温度特性。各气体特征拉曼谱峰峰高和峰面积均随气体分压、激光功率的升高而线性增加,随温度升高近似线性减少。建立了基于SF6内标的多因素校正拉曼光谱气体定量分析方法。研究了光纤增强拉曼光谱气体检测特性(准确度、重复性等),各气体准确度高于95%,重复性偏差小于5%。论文研究为SF6分解气体拉曼光谱在线监测奠定了基础,同时促进了光纤增强拉曼光谱在微量气体检测领域的应用。
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