目錄
第1章 概論 1
1.1 電氣設備油中溶解氣體檢測技術 1
1.1.1 常規(guī)色譜檢測技術 1
1.1.2 在線監(jiān)測技術 2
1.2 光聲光譜技術在電氣設備油中氣體檢測中的應用 3
1.3 光聲光譜技術的發(fā)展 4
1.3.1 光源 4
1.3.2 光聲池設計 5
1.3.3 微弱光聲信號傳感器 6
第2章 微弱氣體光聲信號的產生及損耗 8
2.1 氣體光聲檢測原理 8
2.1.1 氣體的光聲效應 8
2.1.2 氣體光聲檢測方法 9
2.2 光聲信號的產生機理 10
2.2.1 氣體分子的熱產生過程 10
2.2.2 光聲池中聲場的激發(fā) 11
2.3 光聲信號在光聲池中聲能損耗 17
2.3.1 氣體內部的黏滯與熱傳導-體損耗 17
2.3.2 氣體在邊界處的黏滯與熱傳導-面損耗 18
2.3.3 計及聲能損耗的波動方程 19
2.3.4 品質因數(shù)Q 20
第3章 電氣設備油中溶解氣體的紅外光譜吸收特性 22
3.1 紅外光譜基礎理論 22
3.1.1 紅外光譜概述 22
3.1.2 紅外光譜精細結構與氣體分子振轉能級躍遷 23
3.1.3 譜線的線型及增寬 27
3.2 電氣設備油中溶解氣體的紅外吸收特性 30
3.2.1 氣體紅外吸收特性的逐線積分模型 30
3.2.2 氣體紅外吸收逐線積分模型的有效性分析 32
3.2.3 油中溶解氣體的紅外吸收系數(shù) 32
3.3 壓強、溫度對氣體紅外吸收特性的影響 37
3.3.1 壓強的影響 37
3.3.2 溫度的影響 39
第4章 一維光聲信號傳輸模型及縱向共振光聲池的設計 41
4.1 氣體光聲池的有限元模型 41
4.2 一維光聲信號傳輸模型 44
4.3 一階縱向光聲池的設計 48
4.3.1 光聲池的設計原則 48
4.3.2 光聲池材料和結構的選擇 48
4.3.3 光聲池工作模式的確定 48
4.3.4 一階縱向諧振式光聲池 50
4.3.5 光聲池幾何尺寸的設計 53
4.3.6 光聲池的去噪措施 55
第5章 多組分氣體光聲信號的混沌檢測方法 57
5.1 鎖相放大技術 57
5.1.1 信號通道 57
5.1.2 參考通道 58
5.1.3 相敏檢測器 58
5.1.4 低通濾波器 58
5.2 微弱信號混沌檢測方法及其動力學行為分析 59
5.2.1 混沌檢測系統(tǒng)的建立 59
5.2.2 系統(tǒng)非線性動力學行為 60
5.3 混沌檢測狀態(tài)特性判別 62
5.3.1 混沌判據(jù)與準則 62
5.3.2 時間序列的最大Lyapunov指數(shù)判別混沌方法 63
5.4 基于互相關與混沌相結合的氣體光聲信號檢測 65
5.4.1 氣體光聲信號混沌虛擬檢測系統(tǒng)的建立 65
5.4.2 油中氣體光聲信號檢測實驗分析 66
5.5 基于互相關與雙混沌振子差分結合的光聲信號檢測 69
5.5.1 雙混沌振子差分的混沌狀態(tài)判別方法 69
5.5.2 實驗分析 71
第6章 基于光聲信號特性的法珀干涉解調方法 74
6.1 法珀干涉原理 74
6.1.1 雙光束干涉模型 74
6.1.2 強度解調法 77
6.1.3 相位解調法 78
6.2 光聲信號法珀干涉解調方法 79
6.2.1 法珀干涉解調模塊性能對比 79
6.2.2 Q點自追蹤強度解調模塊 81
6.2.3 主動腔長控制解模塊 83
第7章 石英增強光聲光譜氣體檢測方法 86
7.1 石英音叉的理論模型與壓電特性 86
7.1.1 石英音叉的機械特性及一維諧振子模型 86
7.1.2 石英音叉的電學特性及Butterworth-van Dyke模型 87
7.1.3 石英音叉的壓電特性 88
7.1.4 石英音叉的參數(shù)設計理論 89
7.1.5 定制石英音叉的參數(shù)設計 90
7.2 微型聲學諧振腔理論 91
7.3 QEPAS實驗系統(tǒng)的構建及特性 94
7.3.1 QEPAS實驗系統(tǒng) 94
7.3.2 QEPAS技術的調制振幅特性 95
7.3.3 石英音叉對聲波激勵的位置響應特性 96
7.3.4 QEPAS技術的調制頻率精度 96
7.3.5 QEPAS系統(tǒng)的響應時間 97
7.3.6 QEPAS系統(tǒng)的功率特性 98
7.4 QEPAS系統(tǒng)的參數(shù)校正 98
7.4.1 音叉主要電學參數(shù)的測量及校正 98
7.4.2 頻率響應曲線的新型測量方法 99
7.5 QEPAS系統(tǒng)噪聲分析及性能評估 103
7.5.1 系統(tǒng)噪聲分析 103
7.5.2 系統(tǒng)性能評估 104
第8章 基于膜片式全光解調的光聲光譜氣體檢測方法 106
8.1 基于膜片式全光解調的光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)的整體結構 106
8.1.1 激光光源的選擇 106
8.1.2 諧振式光聲池 108
8.1.3 微音器 108
8.1.4 其他組件 109
8.2 基于膜片式全光解調的光聲光譜氣體檢測的性能分析 112
8.2.1 光聲系統(tǒng)噪聲分析 112
8.2.2 光聲池分析 114
8.2.3 背景氣體的影響 117
8.3 基于膜片式全光解調的光聲光譜氣體檢測特性及定量分析 119
8.3.1 基于膜片式全光解調的光聲光譜氣體檢測特性 119
8.3.2 基于偏最小二乘回歸的光聲定量分析 124
第9章 基于懸臂梁全光解調的諧振式光聲光譜氣體檢測方法 130
9.1 懸臂梁法珀光纖聲傳感器 130
9.1.1 懸臂梁振動理論 130
9.1.2 懸臂梁物理特性仿真分析 132
9.1.3 懸臂梁光纖聲傳感器探頭的制備 136
9.1.4 懸臂梁光纖聲傳感器的性能測試 138
9.2 基于懸臂梁全光解調的諧振式光聲光譜氣體檢測 140
9.2.1 一維縱向諧振式光聲池的設計與制作 140
9.2.2 摻鉺光纖放大器功率增強技術 140
9.2.3 波長調制與諧波檢測技術 142
9.2.4 諧振式光聲光譜氣體檢測平臺的結構及搭建 143
9.3 基于懸臂梁全光解調的諧振式光聲光譜氣體檢測實驗 144
9.3.1 氣體吸收譜線的選擇 144
9.3.2 光聲池諧振頻率的測量 145
9.3.3 電氣設備故障特征氣體的檢測結果與分析 147
第10章 基于膜片式全光解調的多光程光聲光譜氣體檢測方法 151
10.1 膜片式法珀光纖聲傳感器 151
10.1.1 膜片振動理論 151
10.1.2 膜片物理特性仿真分析 153
10.1.3 膜片式光纖聲傳感器探頭的制備 155
10.1.4 膜片式光纖聲傳感器的性能測試 156
10.2 基于膜片式全光解調的多光程光聲光譜氣體檢測 157
10.2.1 多光程光聲信號增強技術 157
10.2.2 多光程環(huán)形多反腔的理論分析及實驗驗證 159
10.2.3 環(huán)形多反腔微型光聲池的設計與制作 166
10.2.4 抗振動與噪聲干擾屏蔽箱的設計與制作 167
10.2.5 多光程光聲光譜氣體檢測平臺的結構及搭建 168
10.3 基于膜片式全光解調的多光程光聲光譜氣體檢測實驗 169
10.3.1 振動、噪聲干擾性測試 169
10.3.2 電氣設備故障特征氣體的檢測結果與分析 170
10.3.3 多光聲光譜檢測模塊分時分布檢測實驗 172
第11章 基于組合光源的電氣設備油中溶解氣體光聲光譜檢測系統(tǒng) 174
11.1 電氣設備油中溶解氣體光聲光譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計原則 174
11.1.1 系統(tǒng)的選擇性、檢測靈敏度及檢測濃度范圍 174
11.1.2 氣體需求量 175
11.1.3 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性 175
11.1.4 環(huán)境適應性 175
11.1.5 系統(tǒng)造價 175
11.2 組合光源與六種氣體特征吸收譜線的選取 176
11.2.1 基于組合光源的電氣設備故障特征氣體光聲光譜檢測的必要性 176
11.2.2 組合光源的選取 180
11.2.3 六種氣體特征吸收譜線的選取 181
11.3 基于組合光源的光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 182
11.3.1 基于組合光源的光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)的設計原理 182
11.3.2 光聲光譜模塊的設計 183
11.3.3 油氣分離模塊的設計 189
11.3.4 恒溫控制模塊的設計 190
11.3.5 基于組合光源的光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)整體結構 191
11.4 基于組合光源的光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)氣體檢測特性 192
11.4.1 基于組合光源的光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)抗干擾性能分析 193
11.4.2 光聲信號強度與氣體濃度的關系 195
11.4.3 光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)氣體檢測特性介紹 196
參考文獻 203