光声光谱技术在绝缘油中气体检测的研究

孙微微　宋贵才

摘 要：光声光谱气体检测技术是以光声效应为基础的一种光谱检测技术。文章对光声光谱理论模型和光声光谱气体检测技术进行了概括和总结，并阐述光声光谱气体检测技术在绝缘油中气体检测的应用。

关键词：光声光谱；绝缘油；微量气体检测

引言

光声光谱技术（PAS）是近些年来发展起来的一种研究物质吸收光谱的新兴技术，是以光声效应原理为基础的一种微量气体检测技术，具有较高的灵敏度、较高的选择性、动态检测范围大等优点。自2000 年起，英国凯尔曼（Kelman）公司光声光谱技术应用于油中气体及微水检测并研发出便携式在线检测装置至今，光声光谱技术凭借其检测灵敏度高，可以实现同时检测多种微量气体的优势，已经发展成为一种新兴研究技术，是国际上的研究热点之一。

1 光声光谱技术

光声效应是由于周期性强度调制的光照射物质时，产生声信号的现象。在1880年由贝尔第一次发现光声效应。它的产生机理是：当光照射物质时，因物质吸收光能而受激发，而后在非辐射消除激发的过程中，使其吸收的光能转变为热能。若照射的光束通过周期性的强度调制，会在物质内产生温度的周期性变化，使这部分物质和其邻近媒质因热胀冷缩而产生应力（或压力）发生周期性变化，从而产生声信号，这种信号称为光声信号。当光调制频率与光声信号的频率相同时，光声信号的强度和相位则是由物质的光学、热学、弹性和几何等特性决定的。

光声光谱技术是以光声效应原理为基础的一种光谱检测技术。由于压力波温度与气体浓度呈一定比例关系，因此，电磁辐射后所产生的压力波被检测气体分子吸收后就可以检测气体浓度。光声光谱法对样品进行检测是，吸收光能的大小，反射、散射光等对其测量干扰很小，因此提高了对低体积分数气体的测量准确度。并且光声室容积一般都比较小，大约2-3ml，有利于提高油气分离效率。

2 光声光谱技术的气体检测技术的理论模型

光声光谱检测系统根据光声信号检测气体浓度的系统。光声光谱气体检测系统是光谱气体检测技术的一种，光谱气体检测技术从原理上划分可以分为两种测量法：直接测量法和间接测量法。“直接测量法”是直接测量特征气体的吸收谱对特征气体的种类、浓度等信息做一个定量的测定，直接测量法一般不对特征气体的发射谱进行测量；“间接测量法”一般不直接对特征气体的吸收谱进行测量，而是将吸收的光能量转换为可测量再进行测量。

直接测量法和间接测量法实质上都是依据朗伯-贝尔（Lamb-Beer）定律的。直接测量法是根据式（1），采用测定初始光强和被吸收后的光强的大小，通过二者的“变化量”来反演气体的浓度。直接测量法在气体浓度很高的情况下，效果很好；但在气体浓度非常低的情况下，I（v）和I0（v）可能就会非常接近，它们之间的变化相对于自身来说是一个十分小的量，往往会淹没在探测器的噪声或者光功率本身的波动之中，因此，这种方法的检测极限有限。间接测量法在测量的过程中存在一个能量转换的过程，测量的是特征气体吸收特定频率光子后退激发过程中产生的一个“新量”，这是一个从无到有的过程，产生了就是有，没有产生就是没有。因此，通过设计针对这种“新量”的微弱信号探测器，优化能量转换过程的效率，理论上可以实现“无背景”的探测，因此这种方法非常适用于极低浓度气体的测量。

光声光谱气体检测技术就是依据光谱气体检测技术的间接测量法的原理发展而来的。光声光谱气体检测基本原理是待检测气体被单色可调制的激光照射，该单色激光的光能被待检测气体吸收，产生激励，并且被释放热能的方式退激。周围气体受到热能影响产生周期性振荡，从而形成一定频率的声波信号，其称为光声信号。它的基本原理是气体光声效应，通过光声池，巧妙地将吸收的光能转换为声音信号（光-热-声），再利用微弱声音信号探测器对声音信号进行检测，进而测定气体的浓度。图1是光声光谱法进行气體检测的原理框架图。该图对上述过程进行了一个比较直观的描述。

3 光声光谱技术在绝缘油中气体检测技术的应用

变电设备经过长期运行或内部异常放电，内部的绝缘油就会分解、挥发，产生大量气体，这些气体的浓度达到一定量时，会出现变电设备内绝缘事故，甚至引发变电站全停重大事故。

光声光谱气体检测系统与传统的油中气体检测方法相比要好的多，该检测系统即不需要载气和设计复杂的气路，也不需要像色谱柱等气体分离装置。其检测过程变得十分简单，受到外界因素影响比较小，检测所需时间也比较短，因此在电力系统应用上更容易得到普及。光声光谱法气体检测系统在实际应用过程中维护任务比较少，也不需要定期更换色谱柱，相关操作相对简单，不容易出现操作失误等技术问题，容易被电力部门一线人员掌握。其中待检测气体也可以反复的使用，气体检测实验也可重复进行，有利于对待检测气体与变压器故障之间的联系做进一步研究，对变压器故障预示诊断有一定的促进作用。

4 光声光谱技术的气体检测技术研究现状

在经历了漫长的发展过程中，光声光谱气体检测系统的发展体现了人类在物质检测领域的重大科学进步。随着光声光谱技术进一步发展及在各个领域的日益广泛应用，在物质检测技术方面有着不可替代的作用。随着光声光谱气体检测系统在变压器绝缘油中气体的检测中的日益广泛应用，这种新兴的检测技术也渐渐的进入人们的视野，对变压器故障诊断和寿命预测领域将会有很大的促进和发展。

现在，光声光谱气体检测系统已经广泛应用到农业、医学、环境和工业等诸多领域，并作为各个领域中作为重要物质检测技术而使用。

参考文献

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