[发明专利]基于光频梳频率定标的高分辨光声光谱气体检测系统及方法

说明书

本发明公开了一种本发明所设计的基于光频梳频率定标的高分辨光声光谱气体检测系统，它包括红外光梳、红外可调谐连续激光器、第一分束器、第二合束器、红外光电探测器、频谱仪、斩波器、光声池和微音器，本发明利用红外光梳对光声光谱进行频率标定，增加了光声光谱测量的频率信息，从而提高对复杂多组分电力设备故障气体检测的分辨能力，解决传统技术交叉敏感的问题和选择性差的问题；通过采用宽带调频的红外连续激光器作为光源，可以增加光声光谱的测量谱宽以及可检测的气体种类。

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，具体地指一种基于光频梳频率 定标的高分辨光声光谱气体检测系统及方法。

背景技术

针对六氟化硫电气设备分解产物的超灵敏检测技术是排查电气 设备(如：变压器、断路器、气体绝缘金属封闭开关设备、互感器、 电容器等)潜在故障，确保设备运行安全的重要手段。六氟化硫电 气设备分解产物是指电气设备中的六氟化硫SF6气体或固体绝缘材 料，发生化学反应后产生的H₂S、HF、SO₂、CF₄、CO、CO₂、C₃F₈、 SO₂F₂、SOF₂等气体。由于电气设备故障特征气体的组分复杂、含量 不一，因此对气检技术的气体识别或分辨能力(选择性)、灵敏度、 准确性，以及可检测气体种类等特性提出严苛要求。

目前，常用的气体检测手段包括如下几种。

1)电化学法。该技术利用被测气体的电化学反应，将被测气体 的浓度变化转为电位或电流变化的传感测量器件。可检测气体对象 主要包括H₂S、HF、SO₂、CF₄、CO。该方法灵敏度高，但需要与被 测气体直接接触，易被腐蚀，且可检测气体种类以及可检测浓度的 动态范围易受限制。

2)气体检测管法。在填充涂有化学试剂的透明管子中，通入待 测气体，经过化学反应，使试剂颜色发生变化，从而确定气体的浓 度等信息。可检测气体对象主要包括H₂S、HF、SO₂、CF₄、CO。该 方法使用方便，但无法实现精确的定量分析，测量灵敏度和精度有 限，无法区分混合的复杂气体样品。

3)气相色谱仪。利用色谱原理对混合气体中不同成分进行分析 检测。可检测气体对象主要包括H₂S、SO₂、CF₄、CO、CO₂、C₃F₈、 SO₂F₂、SOF₂。该方法检测灵敏度高，可检测种类全，但需要复杂的 气体样品制备流程，且检测耗时，即时效性差。

4)气体光谱法。以朗伯比尔定律为基础，利用气体分子的吸收 谱线强度，可以对不同气体进行种类、浓度的定性及定量分析。此 类方法检测气体种类多样，且可以实现同时、非接触式检测。目前 气体吸收光谱检测技术主要有以下几种。

a)基于频率调制的可调谐半导体激光吸收光谱(即TDLAS)。 通过调谐激光器的波长(或频率)，逐点检测透过吸收池的透射光强 来获取吸收谱。结合长光程气体池，其测量灵敏度高、精度高、分 辨率高，但是测量速度极慢，检测气体种类有限，且成本高昂。

b)差分吸收光谱技术(即DOAS)。利用样品对光的差分吸收 实现物质浓度测量。其优点是可以同时测量多种痕量气体，但缺点 是该技术仅限于所测波段的窄吸收谱线的气体分子，另外其监测体 系也会受到环境中水汽的影响。