【摘要】：由于變壓器過熱與放電等故障均會產(chǎn)生乙烷(C_2H_6)氣體,因此,高靈敏度的定量分析C_2H_6氣體含量對于變壓器故障的早期預(yù)測具有重要的意義。本文針對C_2H_6氣體高精度的檢測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)計了一套基于中紅外發(fā)光二極管(LED)光源的光聲光譜檢測系統(tǒng),并實驗實現(xiàn)了11.2 ppm的C_2H_6氣體的濃度測量。論文主要工作包括:首先結(jié)合所設(shè)計的檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu),建立了氣體光聲光譜檢測系統(tǒng)的傳感模型,為實驗驗證和數(shù)據(jù)分析做準備。然后基于四端網(wǎng)絡(luò)法對一維縱向共振圓柱形光聲氣室的聲學特性進行了理論建模與仿真計算,分析了諧振腔與緩沖腔的幾何參數(shù)對光聲氣室性能的影響,為光聲氣室參數(shù)的設(shè)計與優(yōu)化提供了理論依據(jù)。論文所研究檢測系統(tǒng)的核心問題之一是實現(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、損耗等光學整形系統(tǒng)設(shè)計和LED的驅(qū)動方式、溫控等電路設(shè)計。針對中紅外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。在此基礎(chǔ)上結(jié)合所設(shè)計的光聲氣室和信號采集與處理單元,搭建了基于中紅外LED的C_2H_6氣體光聲光譜檢測系統(tǒng)。針對中紅外LED輸出功率較低的問題,為了提高系統(tǒng)的檢測靈敏度,從LED工作模式出發(fā),分析了光源調(diào)制信號類型、調(diào)制深度以及占空比這三個參數(shù)對光聲信號幅值的影響,得到采用方波調(diào)制、調(diào)制深度最大且占空比為0.4時,所得到的光聲信號幅值最大,為提高系統(tǒng)檢測靈敏度提供了新的思路。論文對優(yōu)化后的C_2H_6氣體光聲光譜檢測系統(tǒng)進行了進一步的實驗驗證。在實驗數(shù)據(jù)分析中,著重討論了光聲氣室尺寸以及外界溫度對光聲性能的影響,分析了光聲信號飽和機理。對不同濃度C_2H_6氣體檢測的結(jié)果顯示,系統(tǒng)可實現(xiàn)10 ppm左右的C_2H_6氣體的濃度測量,基于最小二乘回歸法對實驗測量結(jié)果校準的平均誤差為3.075%,驗證了該系統(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出相應(yīng)的聲壓信號[76]15。圓柱形管道的優(yōu)化設(shè)計，便可獲得合適的共振條件和高品質(zhì)因素[72]16，然霍茲光聲氣室對光聲信號的放大能力有限，并不適合濃度較低的氣體檢測

壓 U 和電流 I 在管端 x=0 和 x=l 的表達式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
【學位授予單位】：武漢理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O657.3;O623.11

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本文編號：2652554