激光吸收光譜痕量乙炔檢測方法研究

摘 要： 針對現有的正交型鎖相放大器在可調諧激光二極管吸收光譜吸收信號中存在檢測下限差、穩定性差等問題，該文提出基于插值離散傅里葉變換的相位測量與數字鎖相放大器的光譜吸收信號檢測方法，可實現低濃度氣體的高精度檢測。為驗證該方法的有效性，該文選擇1 532.8 nm 作為檢測中心波長，設計適用于變壓器絕緣油中溶解乙炔氣體檢測的可調諧激光二極管吸收光譜系統。結果表明，當測量2 μL/L 乙炔氣體時，該方法比傳統正交型鎖相放大器測量準確性提高26.76%。該測量結果也比傳統方法更穩定，且計算量更小。此外，該文設計系統實現變壓器絕緣油中溶解乙炔檢測時，0.22 μL/L 以上乙炔濃度的測量誤差小于30%，0.12 μL/L 乙炔濃度的測量偏差小于±0.5 μL/L，滿足電力變壓器油中溶解乙炔的檢測需求。

關鍵詞： 可調諧激光二極管吸收光譜; 諧波檢測; 數字鎖相放大器; 插值離散傅里葉變換

中圖分類號： TB9; TM41; O657.7 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2025）03–0075–06

0 引 言

變壓器絕緣油中溶解氣體分析是判斷變壓器早期潛伏性故障最有效的方法之一[1-2]。現有的電化學傳感器和氣相色譜法測量變壓器油中溶解氣體時存在需要消耗載氣、需提前標定等不足[3]。特別是目前應用非常廣泛的氣相色譜法，需在變壓器外殼附近取油樣，進行油氣分離后再開展氣體檢測，氣體從故障點溶解到取樣點耗時長達數小時甚至數十小時，會影響測量準確性[4]。因此亟需一種測量精度高、檢測速度快、靈敏度高的變壓器絕緣油中溶解氣體檢測方法。

可調諧激光二極管吸收光譜（ tunable diodelaser absorption spectroscopy， TDLAS）技術具有穩定性好，不需消耗載氣，靈敏度高以及可實現多組分氣體測量等優點，被廣泛應用于痕量氣體檢測、環境監測等領域[5-6]，近幾年也逐漸引入到變壓器絕緣油中溶解氣體檢測中[7]。

變壓器絕緣油中溶解氣體的體積分數常為微量級，TDLAS 光譜信號經光電探測器后的電信號通常是毫伏級，甚至更低。同時，變壓器運行現場的環境干擾、電路噪聲等因素使得與氣體濃度相關的信號不可避免地夾雜有強噪聲，導致系統對痕量氣體的檢測精度不高，從而缺乏對變壓器早期故障的感知[8-10]。現有研究大多針對基于TDLAS 的氣體濃度檢測系統設計及方案優化，對于低濃度氣體下的弱信號降噪、提高檢測準確性和穩定性的研究較少。文獻[11] 設計了一種正交型模擬鎖相放大器實現二次諧波信號檢測，有效簡化系統結構，但存在穩定性差，不如數字鎖相放大器靈活等不足。文獻[12] 采用正交型鎖相放大器實現光電探測器信號的諧波提取，將二次諧波除以一次諧波的波形峰值點實現氣體濃度反演，但正交型鎖相放大器在低濃度氣體檢測精度方面存在局限性。文獻[13] 采用經驗模態分解（empirical mode decomposition，EMD） 結合Savitzky-Golay 濾波（Filter） 用于TDLAS氣體吸收線二次諧波信號去噪，可以提高氣體檢測下限，但算法計算量大，從而降低檢測實時性。

為提高低濃度氣體的檢測下限，本文提出基于插值離散傅里葉變換（ discrete Fourier transform，DFT）的相位測量結合數字鎖相放大器用于激光吸收光譜的諧波信號檢測方法。該方法采用插值DFT 算法實現光譜吸收信號二次諧波相位測量的基礎上，應用設計的數字鎖相放大器實現諧波檢測。仿真和實驗結果表明，所提出的方法可以提高測量準確性和穩定性。