光聲光譜技術在絕緣油中氣體檢測的研究

孫微微　宋貴才

摘 要：光聲光譜氣體檢測技術是以光聲效應為基礎的一種光譜檢測技術。文章對光聲光譜理論模型和光聲光譜氣體檢測技術進行了概括和總結，并闡述光聲光譜氣體檢測技術在絕緣油中氣體檢測的應用。

關鍵詞：光聲光譜；絕緣油；微量氣體檢測

引言

光聲光譜技術（PAS）是近些年來發展起來的一種研究物質吸收光譜的新興技術，是以光聲效應原理為基礎的一種微量氣體檢測技術，具有較高的靈敏度、較高的選擇性、動態檢測范圍大等優點。自2000 年起，英國凱爾曼（Kelman）公司光聲光譜技術應用于油中氣體及微水檢測并研發出便攜式在線檢測裝置至今，光聲光譜技術憑借其檢測靈敏度高，可以實現同時檢測多種微量氣體的優勢，已經發展成為一種新興研究技術，是國際上的研究熱點之一。

1 光聲光譜技術

光聲效應是由于周期性強度調制的光照射物質時，產生聲信號的現象。在1880年由貝爾第一次發現光聲效應。它的產生機理是：當光照射物質時，因物質吸收光能而受激發，而后在非輻射消除激發的過程中，使其吸收的光能轉變為熱能。若照射的光束通過周期性的強度調制，會在物質內產生溫度的周期性變化，使這部分物質和其鄰近媒質因熱脹冷縮而產生應力（或壓力）發生周期性變化，從而產生聲信號，這種信號稱為光聲信號。當光調制頻率與光聲信號的頻率相同時，光聲信號的強度和相位則是由物質的光學、熱學、彈性和幾何等特性決定的。

光聲光譜技術是以光聲效應原理為基礎的一種光譜檢測技術。由于壓力波溫度與氣體濃度呈一定比例關系，因此，電磁輻射后所產生的壓力波被檢測氣體分子吸收后就可以檢測氣體濃度。光聲光譜法對樣品進行檢測是，吸收光能的大小，反射、散射光等對其測量干擾很小，因此提高了對低體積分數氣體的測量準確度。并且光聲室容積一般都比較小，大約2-3ml，有利于提高油氣分離效率。

2 光聲光譜技術的氣體檢測技術的理論模型

光聲光譜檢測系統根據光聲信號檢測氣體濃度的系統。光聲光譜氣體檢測系統是光譜氣體檢測技術的一種，光譜氣體檢測技術從原理上劃分可以分為兩種測量法：直接測量法和間接測量法。“直接測量法”是直接測量特征氣體的吸收譜對特征氣體的種類、濃度等信息做一個定量的測定，直接測量法一般不對特征氣體的發射譜進行測量；“間接測量法”一般不直接對特征氣體的吸收譜進行測量，而是將吸收的光能量轉換為可測量再進行測量。

直接測量法和間接測量法實質上都是依據朗伯-貝爾（Lamb-Beer）定律的。直接測量法是根據式（1），采用測定初始光強和被吸收后的光強的大小，通過二者的“變化量”來反演氣體的濃度。直接測量法在氣體濃度很高的情況下，效果很好；但在氣體濃度非常低的情況下，I（v）和I0（v）可能就會非常接近，它們之間的變化相對于自身來說是一個十分小的量，往往會淹沒在探測器的噪聲或者光功率本身的波動之中，因此，這種方法的檢測極限有限。間接測量法在測量的過程中存在一個能量轉換的過程，測量的是特征氣體吸收特定頻率光子后退激發過程中產生的一個“新量”，這是一個從無到有的過程，產生了就是有，沒有產生就是沒有。因此，通過設計針對這種“新量”的微弱信號探測器，優化能量轉換過程的效率，理論上可以實現“無背景”的探測，因此這種方法非常適用于極低濃度氣體的測量。

光聲光譜氣體檢測技術就是依據光譜氣體檢測技術的間接測量法的原理發展而來的。光聲光譜氣體檢測基本原理是待檢測氣體被單色可調制的激光照射，該單色激光的光能被待檢測氣體吸收，產生激勵，并且被釋放熱能的方式退激。周圍氣體受到熱能影響產生周期性振蕩，從而形成一定頻率的聲波信號，其稱為光聲信號。它的基本原理是氣體光聲效應，通過光聲池，巧妙地將吸收的光能轉換為聲音信號（光-熱-聲），再利用微弱聲音信號探測器對聲音信號進行檢測，進而測定氣體的濃度。圖1是光聲光譜法進行氣體檢測的原理框架圖。該圖對上述過程進行了一個比較直觀的描述。

3 光聲光譜技術在絕緣油中氣體檢測技術的應用

變電設備經過長期運行或內部異常放電，內部的絕緣油就會分解、揮發，產生大量氣體，這些氣體的濃度達到一定量時，會出現變電設備內絕緣事故，甚至引發變電站全停重大事故。

光聲光譜氣體檢測系統與傳統的油中氣體檢測方法相比要好的多，該檢測系統即不需要載氣和設計復雜的氣路，也不需要像色譜柱等氣體分離裝置。其檢測過程變得十分簡單，受到外界因素影響比較小，檢測所需時間也比較短，因此在電力系統應用上更容易得到普及。光聲光譜法氣體檢測系統在實際應用過程中維護任務比較少，也不需要定期更換色譜柱，相關操作相對簡單，不容易出現操作失誤等技術問題，容易被電力部門一線人員掌握。其中待檢測氣體也可以反復的使用，氣體檢測實驗也可重復進行，有利于對待檢測氣體與變壓器故障之間的聯系做進一步研究，對變壓器故障預示診斷有一定的促進作用。

4 光聲光譜技術的氣體檢測技術研究現狀

在經歷了漫長的發展過程中，光聲光譜氣體檢測系統的發展體現了人類在物質檢測領域的重大科學進步。隨著光聲光譜技術進一步發展及在各個領域的日益廣泛應用，在物質檢測技術方面有著不可替代的作用。隨著光聲光譜氣體檢測系統在變壓器絕緣油中氣體的檢測中的日益廣泛應用，這種新興的檢測技術也漸漸的進入人們的視野，對變壓器故障診斷和壽命預測領域將會有很大的促進和發展。

現在，光聲光譜氣體檢測系統已經廣泛應用到農業、醫學、環境和工業等諸多領域，并作為各個領域中作為重要物質檢測技術而使用。

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