基于微型光声传感器的油中溶解气体检测技术

为满足油浸式变压器在线监测的需求,根据非共振光声光谱和无孔膜油气分离理论,将直径为40 mm的聚全氟乙丙烯(FEP)高分子膜与体积仅为0.3 mL的光声气室结合,设计了集成光声气体传感器和油气分离膜的微型传感模块,该模块具有体积小、油气分离时间短及可实时在线检测的优点。油中溶解的故障特征气体扩散进入气室中,利用近红外激光光声光谱技术、波长调制和二次谐波检测技术对气室中的气体进行高灵敏度检测。对特征气体C_2H_2检测的实验结果表明,在油温为60℃时,油中溶解气体传感系统可在3 h内实现油气分离平衡,其中对于体积分数为10~(-6)的油中溶解C_2H_2气体的体积分数测量误差在±30%之内。     

SF_6绝缘气体光谱信号的最佳小波基基线校正算法

SF6气体作为优异的绝缘介质和灭弧介质,被广泛地应用于各种电力设备中。为了对SF6绝缘气体成分进行监测以保障电力安全,针对光谱检测法,提出一种基于最佳小波基的基线校正算法。该算法按照能量集中准则构造代价函数,从光谱信号小波包中选取最优小波基对信号进行时频域表示;然后通过阈值法去除光谱信号中的强谱信息,以排除其对连续谱拟合的影响。对剩余信号进行最小二乘拟合得到连续谱,并从原谱中去除连续谱,即得所需的线谱。基线校正处理后的线谱强度能够真实反映光谱谱线强度,提高了定量分析的精度。对存在漂移现象的SF6气体吸收光谱进行实验分析,结果表明,该算法能准确有效地估计并校正基线,拟合精度高于迭代小波基线校正算法。     

基于RBF神经网络的非色散红外SF_6气体传感器

利用波段为2~20μm的电调制红外宽谱光源和中心波长为3.95μm及10.55μm的双通道热释电探测器,采用单光源双波长光路结构设计了一种新型SF6气体传感器.运用径向基函数神经网络对传感器在检测过程中因环境温度变化所带来的测量误差进行补偿,结果表明:SF6气体传感器在环境温度10~35℃、气体浓度0~0.200%范围内的检测准确度小于±1.5%FS,相对标准偏差为1.56%,可以有效消除在测量气体浓度时环境温度变化引起的非线性影响.与传统经验公式法和温度控制法相比,该方法具有良好的测量准确度和稳定性,且无需增加硬件温度补偿模块,有利于传感器的小型化和低成本设计.     

光声光谱多组分气体检测技术研究进展

光声光谱气体检测技术是利用光声效应实现痕量气体检测的一项重要技术,具有高灵敏度、高选择性、零背景信号、可实时在线监测等优点,在环境监测、采矿冶金、能源电力、医疗卫生等领域发挥着至关重要的作用。考虑到气体检测应用环境的复杂性,实际的检测环境往往是多种组分气体同时存在且需要监测每种组分气体的含量,此时对多组分气体进行同时检测的技术就显得尤为重要。首先介绍了光声光谱气体检测技术的基本原理和特点,主要从光源和光声池的角度阐述了以光学复用方法为核心的光声光谱技术在多组分气体检测中的应用,并分析了石英增强光声光谱技术的特点及其在多组分气体检测中的应用,最后对光声光谱多组分气体检测技术的发展趋势进行了总结与展望。     

基于CEEMDAN的光声光谱CO检测技术

为实现高灵敏度痕量CO气体探测,设计并实现了一种基于光声光谱的CO气体传感器,采用近红外分布反馈式激光器和掺铒光纤放大器作为激励光源系统,结合双通道差分光声池降低系统噪声。用自适应噪声的完备经验模态分解算法结合Savitxky-Golay滤波器对采集的非线性光声信号进行降噪,通过评估降噪后分量与原始信号的相关系数选取有效模态并重构。实验结果表明,室温和常压条件下,积分时间为100 ms,经算法处理,该系统CO检测信噪比提高至原来的4.6倍,最低检测极限降低到2.6×10^-6,且该传感器对气体浓度具有良好的线性响应,验证了该算法在提高光声光谱系统检测性能方面的可行性与有效性。     

光声光谱法高灵敏度检测气体的实验研究

本文研究了影响气体光声光谱定量分析灵敏度和精度的因素,详细分析了各种噪声的影响和减少噪声的办法,实验给出了令人满意的结果。     

长光程共振式二氧化碳气体光声传感器研究

二氧化碳(CO₂)是植物光合作用的原材料,也是一种温室气体,其过量地排放会影响动植物的生态环境。在碳达峰、碳中和的背景下,研制高灵敏度的CO₂检测装置具有重要意义。为了监测大气环境中CO₂含量的变化,设计了一种长光程共振式CO₂气体光声传感器,并以此搭建了光声检测装置。以中心波长为2 004 nm的分布式反馈激光器(DFB)作为激发光源,激光射入由漫反射材料制成的球型吸收腔,在腔内多次反射以增加气体的吸收路径。吸收腔外部被两个高热传导率的铝制半球包裹,降低由池体吸收光能后产生的热噪声。吸收腔上耦合一根声学管,当其工作在一阶纵向共振模态时,光声信号被放大,在管子末端达到极大值。为了进一步增大光声信号,通过饱和加湿样品的方式来加快CO₂气体的弛豫速率,加湿后的样品产生的光声信号是干燥样品的2.1倍左右。使用一系列浓度的湿润CO₂样品标定光声检测装置,结果表明,光声信号与浓度之间呈现良好的线性关系。在此基础上,通过对标准气体的检测实验,验证了装置的准确性与稳定性...     

光声光谱气体检测系统中气体湿度的影响研究

工作环境是光声光谱气体检测系统在工业现场应用的重要影响因素.实验发现,待测气体湿度对电容式微音器灵敏度影响显著,导致现有光声光谱气体榆测系统测试结果漂移.文章提出一种气体湿度影响消除方法,在光声腔中安装扬声器,以扬声器信号幅值作为声感应器件灵敏度的自适应表征,对光声信号幅值作自行修正,有效克服电容式微音器声信号榆测中灵...     

SF_6气体及其衍生物的红外光谱分析

SF6气体大量应用于气体绝缘组合电器(GIS)中。通过化学方法检测SF6气体及其衍生物是检测GIS设备故障的一种重要方法。该文采用红外光谱技术分析了三种情况下的GIS设备内SF6气体组成情况,得出S2F10气体含量可以用来分析GIS故障原因是否为强火花或者电弧放电引起;CF4气体可以用来表征GIS设备内绝缘气体的绝缘状态。另外,研究表明,GIS设备在线运行时,绝缘气体气室密封失效、造成气体泄漏,引入新的气体杂质的问题比较严重。所以在进行GIS设备维护工作时,绝缘气室的密封维护工作十分重要。文章在研究GIS设备绝缘气体SF6红外谱图的基础之上提出了建立基于红外光谱技术的GIS设备故障诊断专家系统的意见。     

一种光纤光声SO2气体浓度传感器的研究

论述了光声光谱信号的产生原理,研究了一种新型光声光纤SO2气体浓度传感器,建立了适合应用光纤作为传感器的数学模型。采用染料激光器作为激励光源,用光纤位移传感器代替传统的微音器,测量被气体吸收并转变为声压信号,从而对SO2气体浓度进行测量。给出了实验结果,分析了影响灵敏度的主要因素,提出了相应的改进措施。     

光声光谱检测系统中光声池模型的建立与优化

光声池作为光声光谱气体检测系统中的核心器件直接影响系统的检测精度,以经典圆柱形光声池为基础研究对象,利用有限元分析软件,结合压力声学及热粘性声学两种物理场对光声池内的声热耦合过程进行建模,通过仿真对比谐振腔和缓冲腔的几何参数变化对光声池性能的影响,进而确定其最优尺寸.仿真结果表明:谐振腔、缓冲腔的长度和半径均会影响谐振...     

光声光谱检测装置中光声池的数值计算及优化

利用光声光谱技术进行痕量气体的检测具有独特的优势,光声池是系统装置中最为重要的核心部件,它决定着整机性能的优劣.以一圆柱形共振型光声池为研究对象,基于声学与吸收光谱学的基本理论,建立了光声池声场激发的数学模型;利用数值模拟方法对光声池空腔结构进行了声学模态仿真,获得了前8阶声学模态值以及声压可视化振型;在考虑热黏性声学损耗的作用下,对光声池进行了热-声耦合多物理场仿真计算;将仿真结果与解析计算和实验结果进行对比,明确了利用数值模拟方法来计算光声池有关指标的可靠性与可行性;针对光声池的优化问题,提出了一种将响应面代理模型与遗传算法相结合的优化算法,在将原光声池中的谐振腔两端形貌更改为喇叭口形的情况下,通过优化算法获得了以光声池品质因数Q及池常数C_(cell)为最大值寻优的Pareto最优解集;选取一组解进行考察,结果表明,代理模型预测值与数值模拟值指标最大误差仅为1.3%,优化后的新型光声池Q较之前增长了48.9%, C_(cell)增长了34.4%.研究方法可为光声光谱中光声池的优化设计提供参考借鉴.     

基于光纤光声传感的多组分痕量气体检测技术

为进一步提升多组分痕量气体检测灵敏度,设计了一套光纤光声传感系统。系统主要集成了2个近红外DFB激光器、近红外宽带光源、高速光谱模块、现场可编程逻辑门阵列信号采集与处理电路,具有激光调制控制、光声信号解调和数字锁相放大等功能。利用声学共振腔和干涉型光纤声波传感器对光声信号进行激发增强和探测增强,实现了乙炔和甲烷气体的高灵敏度检测。光纤声波传感器中以微机电系统悬臂梁作为声学敏感元件,设计了光纤法布里-珀罗干涉结构,将悬臂梁偏转位移转换为F-P腔长的变化。采用高分辨率光谱解调技术,实现了基于光纤F-P传感器的超高灵敏度光声信号检测。系统对乙炔和甲烷的检测极限分别达到2×10^-9和3×10^-9,归一化噪声等效吸收系数为8×10^-10cm^-1W Hz^-1/2。     

高灵敏度液体光声传感器的研制

光声光谱分析技术中,高灵敏度的光声传感器仍是其仪器装置的关键所在。不少研究者对此予以极大的重视。本文从理论上分析了液体光声波的传输特性、能量耦合原理。采用复合波导层方式,用国产压电陶瓷设计研制出两种不同结构的液体光声传感器。经实验测定,具有灵敏度高、抗干扰性强和使用方便等特点;适用于液体光声信号检测,尤其是在高低温、     

基于低功率分布反馈激光器和数字锁相技术的高灵敏光声气体传感器

光声信号强度与光功率成正比,然而,高功率激光光源存在功耗高、驱动控制电路复杂、低成本高质量的光源可选择范围窄等缺点,此类光源多集中在>6 μm波段,难以实现对基频吸收带位于2～6 μm波段的分子进行有效探测。而且,基于商用驱动控制仪器的光声气体传感器体积较大,不能满足多点连续移动监测工作的需要。利用输出功率为5.2 mW的分布反馈、带间级联激光器(ICL)和基于石英音叉的光声光谱探测方法,在3～4 μm波段实现了nmol·mol-1水平气体分子浓度测量。使用的ICL靶向乙烷(C₂H₆)基频吸收带的强吸收线2 996.88 cm-1。通过使用自主研制的数字锁相放大器及数字激光驱动控制方法,结合波长调制光谱技术,实现了高灵敏检测,同时,有效减小了系统体积并简化了数据获取和处理过程。首先,结合系统原理结构,顺次介绍了设计方案以及光、电等模块的设计细节。分析了目标气体及其临近干扰气体吸收谱线的模拟情况,以及不同气压对谱线展宽及重叠干扰的影响,最终确定系统工作气压为200 Torr。然后,通过对100～1 000 nmol·mol-1共6种浓度C₂H₆进行单周期光谱扫描测试分析,推断系统最低检测下限(MDL)<100 nmol·mol-1。对上述各浓度样品分别进行~10 min二次谐波(2f)信号峰值提取测试,系统线性性能良好,相关度为0.999 65,同时,明确了气体浓度与2f信号峰值的对应关系。最后,通过对氮气连续1小时测试得出系统噪声为~0.347 V,由此估算信噪比和系统灵敏度分别为~28.56和~40 nmol·mol-1。介绍的新型中红外C₂H₆传感器不仅实现了nmol·mol-1级测量,而且,使用自主研制的数字驱动和锁相放大器有效减小了系统体积,弥补了使用商用仪器占用体积大的不足,为将来实现小型化、移动式测量的目标奠定了一定基础。此外,对于功率消耗无限制的其他应用,可通过进一步完善和改进锁相和前置放大等模块的性能以及使用输出功率更高的光源进一步提高传感器灵敏度,并应用于更多场景。     

结构光焊缝检测传感器设计理论的研究

对电弧光的干扰进行了深入的研究，建立了电弧干扰的光照模型，依据透视变换理论，给出了光源倾斜照射和摄像机斜接收情况下，被检测物体与摄像机这间的一般坐标变换数学模型，这两个模型对结构光传感器的设计具有非常重要的指导意义，基于这两个模型设计的结构光传感已在自动焊接实验中获得了成功的应用。     

基于光纤声波传感的超高灵敏度光声光谱微量气体检测

结合光纤声波传感技术、纵向共振式光声探测技术、波长调制技术和二次谐波检测技术,提出了一种基于光纤法布里-珀罗干涉传感器的悬臂梁增强型光声信号检测方法。针对光纤耦合近红外激发光的特点,对共振式光声池进行了优化设计,搭建了一套超高灵敏度的激光光声光谱微量乙炔气体检测系统。实验结果表明,当测量时间为60s时,该系统对乙炔气体的检测极限达到8×10~(-10)。     

声分辨扫描光声图像的优化处理

利用前期搭建的声分辨光声系统对小鼠耳朵进行扫描成像,获取的光声图像存在部分血管不连续、分辨率较低且边界不够清晰等问题。为了有效提高声分辨光声图像质量,采用连接断点、插值、小波去噪等方法进行预处理;针对插值带来的模糊边界、损失细节等问题提出一种模糊集与分数阶微分小波增强相结合的图像增强方法,设计对比实验,结合信息熵、对比度改善指数和平均梯度等评价指标进行评价。实验结果表明增强后的图像血管连接性好、分辨率更高、高频信息表现更丰富,所提增强方法对光声图像的优化处理有应用潜力。