吴俊杰 吴水锋 万 涛 龚尚昆 龙思文

（1.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南长沙410000；2.南京正合盛奇电力科技有限公司，江苏南京210005）

0 引言

在诊断油浸式变压器早期潜在故障上，溶解气体分析是最便捷、最有效的方法之一。其中光声光谱法具有灵敏度高、稳定性好、实时性等优点，有利于变压器的故障诊断和预测，也能用于分析待测气体与变压器故障间的联系[1]，因而得到广泛应用。光声光谱法是一种基于光声效应的量热光谱技术，在光和声的影响下，通过测量材料吸收光后产生的声场强度来对气体进行定性和定量分析，其中气压是最重要的干扰因素之一[2]。因此，有必要分析气压对光声光谱技术的影响。本文基于气体光声电压信号的激励机制，设计了一种可调的便携式实验装置，理论推导了气压与气体吸收系数、光声电压（PAV）信号之间的函数关系，并对溶解在变压器油中的乙炔、甲烷和二氧化碳进行实验，结果证明了函数关系的正确性，理论与实验结果为油气光声光谱在线监测系统的进一步改进提供了参考和技术支持。

1 光声信号激发机理

气体光声信号是经过光、热、声信号的转换，最后由声信号经过微音器转换成电信号，其转换过程如图1所示。

图1 气体光声光谱技术

光源向光声池发出频率可调制的光照射气体，气体吸收光能发生跃迁，后以热能释放的方式退激，温度的升高改变压强，产生声波，再由微音器转换成电信号输出[3]。热和声的产生是最重要的环节，声音产生来源是气体吸收的光能，声音可用声压描述，忽略由于热传导和粘性引起的能量损失，声压的波动方程会改变表示为：

若光束在穿过光声池时仅受很小的衰减，则气体吸收的光功率为每单位体积而可表示为：

根据上述公式和光声池设计原理，合理实施形状、尺寸设计和结构、材料选择，使光声池在正常模式下工作，确保谐振频率为w=ωj，那么光声电池的压力rM可表示为：

微音器用于检测光声单元中的周期性压力波动，其灵敏度S的单位为mV/Pa。光声电压信号表示为：

式（4）表明光声电压信号与微音器的灵敏度线性相关，单元常数Ccel1、气体吸收系数α∑（λ）、激光功率P0具有良好的线性相关性。其中单元常数Ccel1反映了系统将吸收光转换成声能的能力。

2 实验装置设计和气体压力特征的理论推导

2.1 实验装置设计

本实验装置采用DFB二极管激光器，在激光器的末端安装一个准直仪，使壁吸收产生的声噪声最小。光调制频率由机械斩波器SR540控制，以实现稳定的性能；微音器EK-3024用于获取光声电压信号；使用锁定放大器SR830测量光声电压信号。光声池是由不锈钢制成的光声光谱检测装置的核心部分，其表面通过超声波技术抛光，并且两侧都使用透射率大于90%的石英窗以布鲁斯特角密封。

2.2 气体压力特征的理论推导

吸收系数能表征气体吸收行为并清楚显示各种波长的红外辐射吸收的特性。考虑到气体分子的吸收谱带由可能重叠的数千个吸收谱线组成[4]。因此吸收系数α∑（λ）可以表示为：

式中：Si、gi（λ）分别为气体分子第i条谱线的线强度和线性函数。

由式（5）可知，吸收系数与气压P成正比。基于数据库HITRAN2008，使用Voigt线理论计算出压力对296 K时C2H2、CH4和CO2的气体吸收线的峰吸收系数的影响，幅度相同。

图2表明C2H2、CH4和CO2的气体吸收曲线的吸收系数对P具有近似的线性关系（0.1 kPa＜P＜100 kPa），并且在P＞100 kPa时几乎保持不变。这是因为在不同的压力下气体增宽机制不同：当P＜0.1 kPa时，多普勒增宽机制起主导作用；随着压强的增加，碰撞增宽机制起主导作用。其他溶解的油中气的吸收系数具有相同的趋势。

图2 气压对气体吸收谱线峰值吸收系数的影响

图3为气压分别为20 kPa、60 kPa、80 kPa时C2H2分子吸收6 578.5 cm-1的吸收系数。由图可知，吸收光谱线的峰值吸收系数随着P的增加而逐渐增加，但增加率趋于减小，同时吸收光谱线的线宽增加，这加剧了不同光谱线的重叠。因此，气压一定范围内，在降低气压检测灵敏度的条件下降低气压，可以提高光谱的分辨率。

图3 20 kPa、60 kPa、80 kPa时C2H2分子吸收6 578.5 cm-1的吸收系数

结合气压与气体吸收系数、分子平均自由程、分子平均速度、粘滞系数、导热系数、品质因数、光声池常数之间的函数关系，气压与光声电压信号之间的函数关系，可以推导得到：

从式（6）可知，光声电压信号对气压P1.5有近似的线性相关。

3 气体压力特性实验分析

本次实验采用C2H2来进行气体压力特性分析，实验步骤如下：首先在光电池中密封标准浓度的400 μL/L C2H2，用恒温器保持温度稳定在296 K，锁定放大器的积分时间设置为1 s，将DFB激光电流调整为45.30 mA，功率调整为13.7 mW；然后调节温度控制电阻，使激光辐射波长为1 520.09 nm，并将池中的气压从0 kPa更改为140 kPa；接着调节斩波器的斩波频率，以在不同气压下最大化光声电压信号的值，并记录斩波频率和最大值；最后调整并保持斩波器的斩波频率为1 309 Hz，并记录不同气压下的光声电压信号值。

气压与光声电压信号之间的关系如图4所示，图4说明气压极大地影响了光声光谱检测，光声电压信号的最大值和斩波频率1 309 Hz时的值随气压的增加而增加，并且光声电压信号与成近似线性关系，这基本服从式（6）的规律。图4还表明光声电压信号的最大值不同于斩波频率1 309 Hz时的值，偏差值在约30 kPa处时达到最大值41.2 μV。

图4 不同气压下的C2H2光声电压信号

4 结论

本文从理论上推导了气体压力与气体吸收系数、光声电压信号之间的函数关系，结合实验分析得到气压对各参数的影响：

（1）296 K处的气体峰值吸收系数与P呈近似线性关系（0.1 kPa＜P＜100 kPa），并且当P＞100 kPa时几乎保持不变。

（2）在没有气体吸收饱和效应的情况下，光声光谱电压信号对具有较好的线性相关。

（3）虽然实验数据仅在一定范围内符合理论趋势，但函数关系对改进光声单元的设计和建立变压器油中气体的光声光谱在线监测系统具有重要意义。