中红外LED光声光谱法与微量乙烷气体测量

发布时间：2020-05-07 06:11

【摘要】：由于变压器过热与放电等故障均会产生乙烷(C_2H_6)气体,因此,高灵敏度的定量分析C_2H_6气体含量对于变压器故障的早期预测具有重要的意义。本文针对C_2H_6气体高精度的检测需求和中红外波段缺乏低成本激光器(窄线宽、高功率谱密度)的现状,设计了一套基于中红外发光二极管(LED)光源的光声光谱检测系统,并实验实现了11.2 ppm的C_2H_6气体的浓度测量。论文主要工作包括:首先结合所设计的检测系统结构,建立了气体光声光谱检测系统的传感模型,为实验验证和数据分析做准备。然后基于四端网络法对一维纵向共振圆柱形光声气室的声学特性进行了理论建模与仿真计算,分析了谐振腔与缓冲腔的几何参数对光声气室性能的影响,为光声气室参数的设计与优化提供了理论依据。论文所研究检测系统的核心问题之一是实现LED光源与系统的良好匹配,包括LED输出光束发散角、光路孔径、损耗等光学整形系统设计和LED的驱动方式、温控等电路设计。针对中红外LED光源发散角大而光声气室需小型化的问题,专门设计了中红外LED光源的光束整形、滤波和增透系统,系统透射率优于65%,获得光束直径18 mm、输出功率为0.17 mW的LED输出信号。在此基础上结合所设计的光声气室和信号采集与处理单元,搭建了基于中红外LED的C_2H_6气体光声光谱检测系统。针对中红外LED输出功率较低的问题,为了提高系统的检测灵敏度,从LED工作模式出发,分析了光源调制信号类型、调制深度以及占空比这三个参数对光声信号幅值的影响,得到采用方波调制、调制深度最大且占空比为0.4时,所得到的光声信号幅值最大,为提高系统检测灵敏度提供了新的思路。论文对优化后的C_2H_6气体光声光谱检测系统进行了进一步的实验验证。在实验数据分析中,着重讨论了光声气室尺寸以及外界温度对光声性能的影响,分析了光声信号饱和机理。对不同浓度C_2H_6气体检测的结果显示,系统可实现10 ppm左右的C_2H_6气体的浓度测量,基于最小二乘回归法对实验测量结果校准的平均误差为3.075%,验证了该系统的可行性。
【图文】：

光声,赫姆霍兹,气室,结构示意图

表 2-1 三种共振模式的主要参数对比模式腔体体积共振频率品质因素径向最大最大最大角向中等中等中等纵向最小最小最小共振式光声气室根据声波放大的方式又可以分成两类：赫姆霍兹光声空腔式光声气室[72]15。赫姆霍兹光声气室基于赫姆霍兹(Helmholtz)共振原理，，使用共振腔放大应激发出来的声波，其结构如图 2-5 所示[73]。当入射光入射到光声气室中气体的光声效应，位于顶端的声传感器便可检测出相应的声压信号[76]15。圆柱形管道的优化设计，便可获得合适的共振条件和高品质因素[72]16，然霍兹光声气室对光声信号的放大能力有限，并不适合浓度较低的气体检测

示意图,四端,矩阵,管端

压 U 和电流 I 在管端 x=0 和 x=l 的表达式u =M a+vu=N a+v*, = exp()exp(exp()exp,112222ββ βZββZβNZZ2-35)可得到 u 和 u*的关系，如下图 2-7 所示。u =T u+w*wvTvMT =N = ,1 0
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O657.3;O623.11

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