[发明专利]一种高灵敏度组合光源式光声光谱气体检测系统及方法

说明书

本发明提供了一种高灵敏度组合光源式光声光谱多组分气体检测系统及方法，属于气体检测技术领域。激光从开孔凹面反射镜的小孔入射到光声池，使激光在开孔凹面反射镜和安装在滤光片切换轮上的平面反射镜之间产生多次反射以增加气体吸收程，反射次数可超过20次，从而大幅度增强了光声信号，同时采用开孔凹面反射镜几乎没有破坏中红外热辐射光源的轴向入射光和反射光的光路，从而使中红外热辐射光在光声池中形成双程吸收以增强光声信号。本发明充分利用基于中红外热辐射光源的光声光谱法和激光光声光谱法分别具备的适合多组分气体测量和检测精度高的优势，实现技术互补，为多组分微量气体的高灵敏度检测提供了一种极具竞争力的技术方案。

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，涉及一种高灵敏度组合光源式光声光谱多组分气体检测系统及方法。

背景技术

光声光谱气体检测技术具有灵敏度高、测量组分多、不消耗气体和采样量小等显著优势，已在变压器油中溶解气分析等应用中发挥了重要作用。电力变压器作为连接不同电压等级的核心部件，其运行可靠性直接关系到电力系统的稳定和安全运行。目前，大型电力变压器普遍采用油浸式变压器，而绝缘油是由许多不同分子量的碳氢化合物分子组成的混合物，在长期运行中，过热和放电等故障使绝缘油和绝缘纸裂解，产生多种特征气体(主要有CH₄、C₂H₆、C₂H₄、C₂H₂、CO和CO₂)，这些气体大部分溶于油中。对油中溶解气体的成分和含量进行分析，可以判断变压器内部潜伏性绝缘故障的类型和严重程度，因此对于油中溶解气体的实时监测对于电网的可靠运行具有重要意义。

光声光谱是通过直接测量气体因吸收光能而产生热量的光谱量热技术，是一种无背景吸收光谱技术。光声光谱法根据不同光声激发光源主要分为基于中红外热辐射光源的光声光谱法和激光光声光谱法。中红外热辐射光源具有较宽的光谱发射范围，覆盖大部分极性气体分子的特征吸收带。基于中红外热辐射光源的光声光谱仪通过选择不同中心波长的滤光片，可对多种气体组分进行检测，但存在检测灵敏度不高和交叉干扰较大的问题。英国Kelman公司率先研制出基于黑体辐射红外宽谱光源的光声光谱油中溶解气体分析设备，可对油中多种特征气体进行在线监测。激光具有线宽窄和光谱功率密度大等特点，采用二次谐波检测技术可大幅度提高光声测量的信噪比，同时降低多组分气体谱线重叠引起的测量误差。但激光光源特别是中红外激光器价格昂贵，目前激光光声光谱仪只在少组分微量气体检测中具有较大的优势。在变压器油中溶解气分析应用中，目前常采用的基于中红外热辐射光源的光声光谱仪存在如下问题：由于交叉干扰和背景吸收引起乙炔和甲烷等气体的检测灵敏度不够高。文献Chen K,Gong Z,Yu Q.Fiber-amplifier-enhanced resonantphotoacoustic sensor for sub-ppb level acetylene detection[J].Sensors andActuators A:Physical,2018,274:184-188和All-optical high-sensitivity resonantphotoacoustic sensor for remote CH₄gas detection[J].Optics Express,2021,29(9):13600-13609采用激光光声光谱法对乙炔和甲烷进行了高灵敏度检测。专利“一种光声光谱多组分微量气体检测仪器及方法”利用中红外热辐射光源和激光光源可实现对多组分气体的测量，但受吸收程较短的因素影响，灵敏度还有待提高。因此，设计一种高灵敏度的光声光谱系统在多组分微量气体检测中具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高灵敏度组合光源式光声光谱多组分气体检测系统及方法，旨在解决基于中红外热辐射光源的光声光谱法中存在的个别气体检测精度低以及中红外热辐射光与激光难以同时高效耦合到光声池的问题，为光声光谱多组分微量气体检测技术在微量气体检测领域的应用中拓展更大的空间。

本发明的技术方案：