【摘要】：由于變壓器過熱與放電等故障均會(huì)產(chǎn)生乙烷(C_2H_6)氣體,因此,高靈敏度的定量分析C_2H_6氣體含量對(duì)于變壓器故障的早期預(yù)測(cè)具有重要的意義。本文針對(duì)C_2H_6氣體高精度的檢測(cè)需求和中紅外波段缺乏低成本激光器(窄線寬、高功率譜密度)的現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)了一套基于中紅外發(fā)光二極管(LED)光源的光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng),并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了11.2 ppm的C_2H_6氣體的濃度測(cè)量。論文主要工作包括:首先結(jié)合所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),建立了氣體光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng)的傳感模型,為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)分析做準(zhǔn)備。然后基于四端網(wǎng)絡(luò)法對(duì)一維縱向共振圓柱形光聲氣室的聲學(xué)特性進(jìn)行了理論建模與仿真計(jì)算,分析了諧振腔與緩沖腔的幾何參數(shù)對(duì)光聲氣室性能的影響,為光聲氣室參數(shù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了理論依據(jù)。論文所研究檢測(cè)系統(tǒng)的核心問題之一是實(shí)現(xiàn)LED光源與系統(tǒng)的良好匹配,包括LED輸出光束發(fā)散角、光路孔徑、損耗等光學(xué)整形系統(tǒng)設(shè)計(jì)和LED的驅(qū)動(dòng)方式、溫控等電路設(shè)計(jì)。針對(duì)中紅外LED光源發(fā)散角大而光聲氣室需小型化的問題,專門設(shè)計(jì)了中紅外LED光源的光束整形、濾波和增透系統(tǒng),系統(tǒng)透射率優(yōu)于65%,獲得光束直徑18 mm、輸出功率為0.17 mW的LED輸出信號(hào)。在此基礎(chǔ)上結(jié)合所設(shè)計(jì)的光聲氣室和信號(hào)采集與處理單元,搭建了基于中紅外LED的C_2H_6氣體光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng)。針對(duì)中紅外LED輸出功率較低的問題,為了提高系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度,從LED工作模式出發(fā),分析了光源調(diào)制信號(hào)類型、調(diào)制深度以及占空比這三個(gè)參數(shù)對(duì)光聲信號(hào)幅值的影響,得到采用方波調(diào)制、調(diào)制深度最大且占空比為0.4時(shí),所得到的光聲信號(hào)幅值最大,為提高系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度提供了新的思路。論文對(duì)優(yōu)化后的C_2H_6氣體光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中,著重討論了光聲氣室尺寸以及外界溫度對(duì)光聲性能的影響,分析了光聲信號(hào)飽和機(jī)理。對(duì)不同濃度C_2H_6氣體檢測(cè)的結(jié)果顯示,系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)10 ppm左右的C_2H_6氣體的濃度測(cè)量,基于最小二乘回歸法對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果校準(zhǔn)的平均誤差為3.075%,驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。
【圖文】：

表 2-1 三種共振模式的主要參數(shù)對(duì)比模式 腔體體積 共振頻率 品質(zhì)因素徑向 最大 最大 最大角向 中等 中等 中等縱向 最小 最小 最小共振式光聲氣室根據(jù)聲波放大的方式又可以分成兩類：赫姆霍茲光聲空腔式光聲氣室[72]15。赫姆霍茲光聲氣室基于赫姆霍茲(Helmholtz)共振原理，，使用共振腔放大應(yīng)激發(fā)出來的聲波，其結(jié)構(gòu)如圖 2-5 所示[73]。當(dāng)入射光入射到光聲氣室中氣體的光聲效應(yīng)，位于頂端的聲傳感器便可檢測(cè)出相應(yīng)的聲壓信號(hào)[76]15。圓柱形管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，便可獲得合適的共振條件和高品質(zhì)因素[72]16，然霍茲光聲氣室對(duì)光聲信號(hào)的放大能力有限，并不適合濃度較低的氣體檢測(cè)

壓 U 和電流 I 在管端 x=0 和 x=l 的表達(dá)式u =M a+vu=N a+v*, = exp()exp(exp()exp,112222ββ βZββZβNZZ2-35)可得到 u 和 u*的關(guān)系，如下圖 2-7 所示。u =T u+w*wvTvMT =N = ,1 0
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O657.3;O623.11

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本文編號(hào)：2652554