摘 要

光声光谱技术是近年来非常受欢迎的新光谱技术，该技术不消耗气样、无需分离气体就可直接测量、灵敏度高、检测时间短、便于现场检测。尤其对于浓度很低的样品气体，仍然可以获得较高的灵敏度，是最好的气体检测方法之一。但是在气体的光声光谱检测中，当光声光声信号十分弱小时，常受噪声影响并被湮没，所以针对弱信号进行处理显得尤其重要。论文以工程应用中的问题—变压器绝缘油中微量气体的高精度检测为研究课题，基于光声光谱法应用于微量气体检测的优势展开理论上的分析和讨论。首先，利用四端网络法对一维纵向气室进行仿真分析，设计了合理尺寸的光声气室。然后，借助光声光谱气体检测平台，测量了甲烷气体的浓度；重点运用labview设计了共振频率测量、频谱测量、锁相放大等多种弱信号处理功能，系统检测精度达到19.1ppm。增大激光器功率可使该系统最小检测精度可达到1ppm以下。

关键词：光声光谱；微量气体；弱信号处理；labview

Abstract

In recent years, photoacoustic spectroscopy is becoming more and more popular which has dozens of advantages. It does not consume gas samples, at the same time, does not need to separate the gas directly. Because of the high sensitivity and short detection time, it is a good way for on-site testing. Especially for very low concentration of sample gas, still can get a higher sensitivity, is one of the best gas detection. However, in the photoacoustic spectrum detection of gas, when the photoacoustic and acoustic signals are very weak, often affected by noise and annihilation, so for weak signal processing is particularly important. In this paper, based on the high-precision gas detection of oil and gas in the real problem, in the background of photoacoustic spectroscopy, the one-dimensional longitudinal chamber is simulated by four-point network method and a reasonable size photoacoustic chamber is designed. Then, the photoacoustic spectrum gas detection platform was built, the methane was measured and the resonant frequency measurement, spectrum measurement and phase lock amplification were designed by using labview. The system detection accuracy was 19.1ppm. Increasing the laser power allows the minimum detection accuracy of the system to reach 1 ppm or less

Key words： Photoacoustic spectroscopy; trace gas; weak signal processing; labview目 录

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 弱信号处理技术 1

1.3 微弱气体检测的光声光谱法 2

1.4 本文的主要研究工作与内容安排 2

第2章 光声光谱微量气体检测原理 4

2.1 气体光声信号产生机理 4

2.2 气体检测技术 5

2.3 光声气室设计理论与结构 6

2.3.1 光声气室几何参数 6

2.3.2 光声气室几何结构 7

2.3.3 一维纵向光声气室四端网络仿真模型 7

2.4 一维纵向光声气室的仿真 10

2.4.1 光声气室声学特性仿真结果 10

2.4.2 光声气室尺寸与声压幅值关系 11

2.5 本章小结 13

第3章 甲烷气体的光声光谱检测平台 14

3.1 实验系统参数与搭建 14

3.2 光声光谱信号处理 16

3.2.1 频率测量 16

3.2.2 频谱测量 17

3.2.3 锁相放大 18

3.3 光声信号与CH4气体浓度之间的关系 19

3.4 本章小结 20

第4章 总结与展望 22

4.1 论文总结 22

4.2 展望 22

参考文献 24

致 谢 26

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

变压器自诞生以来，就一直是电力系统中的重要电气设备组成^[1]，人们逐渐开始关注如何排除在变压器运行中产生的故障问题。而在预防和处理的过程中，老化产生的绝缘性故障造成了许多大型电气设备运行不稳定的问题。检测油气中的微量气体和实时监控，一直是有待解决的难点。像光声光谱与红外吸收技术为代表的光学气体传感器成为了研究热点。光声光谱有着许多的优点，该技术不消耗气体，且具有高灵敏度，较短的检测时长，可用于实时检测，变压油中气体测量中光声光谱精度很高，因此受到了广泛的关注。尤其对于浓度很低的样品气体，仍然可以获得较高的灵敏度。

在气体的光声光谱检测中，光声信号十分弱小，同时常受噪声影响并被湮没，所以提高检测系统的信噪比十分重要。设计光声光谱检测系统时，可通过使用大功率的激光光源、设计性能优良的光声池等方法来提高系统的信噪比。然而不管采取何种方法，光声光谱检测系统中的噪声总是存在的，不能被彻底消除，所以如何从噪声中提取信号对于提高系统检测极限十分重要。

1.2 弱信号处理技术

微弱信号说明信号本身的幅度较小，而且经常被环境噪声覆盖^[2]。为了检测出足够弱小的信号，科学家进行了长期的研究，发现了小信号与环境信号的不同之处，再将这部分的信号加以放大，使得信噪比获得了很大的提升。为了在复杂的背景噪声中识别检测出有用信号，通过信息的统计，电脑处理技术，越来越多的技术和产品问世，以满足不同场所所需要的弱信号检测。目前在国内工程与实验上，常用的弱信号处理与检测方法包括锁相放大、窄带滤波、频谱变换、低噪声前级放大等。

1962年，微弱信号检测技术出现了标志性的突破，美国EGamp;G PARC发明了第一台锁相放大器。锁定放大是根据互相关原理，使微弱的待检测信号与本地参考信号进行互相关的操作以达到噪声抑制的目的，从而能够检测到足够微弱的待测信号的一种方法，故该放大器可以改善检测时的信噪比并且大幅度地抑制无用噪声，并且与其他方法相比有较高的灵敏度。同时又具有抗干扰能力强，过程简单等优点，测量精度很高，已在专业领域被国内外广泛应用^[3]。