半导体气体传感器应用案例 T型光声池的光声光谱技术用于同时检测基于三重共振模态的多组分气体

  油浸式电力变压器是现代电力分配和传输系统中最重要的绝缘设备之一。通过同时测量绝缘油中的溶解气体，如一氧化碳（CO）、甲烷（CH），可以在电力变压器的过热、电弧和局部放电故障的早期诊断中提供合适的解决方案。变压器故障主要可分为过热故障和放电故障。CO、CH的含量变化是变压器故障的主要指标。过热故障包括裸金属过热、固体绝缘过热和低温过热。裸金属过热的特征是烃类气体（如CH作为目标分析物。传统的多组分气体定量检测方法，如气相色谱仪、半导体气体传感器和电化学传感器，在实时监测、恢复时间、选择性和交叉敏感性方面存在一定限制。基于光声光谱技术的光学传感器平台具有高灵敏度、高选择性、快速响应、长寿命和成熟的传感器设备等优点，在多组分气体传感领域发挥着重要作用。已经开发出多种基于光声光谱技术的多组分气体传感器模式，如傅里叶变换红外光声光谱模式、基于宽带检测的热辐射体或黑体辐射体使用多个带通滤波器、多激光器与时分复用（TDM）方法的结合，以及采用多共振器和频率分割复用（FDM）方案。然而，由于宽带光源的相对弱强度，弱光声（PA）信号易受到背景噪声的干扰，这是高灵敏度检测的主要障碍。

  由于吸收和共振圆柱体共同决定了其共振频率，设计并验证了一种T型光声池作为适当的传感器。通过引入激励光束位置优化，从模拟和实验中研究了三种指定的共振模式，呈现了可比较的振幅响应。使用QCL、ICL和DFB激光器作为激发光源，同时测量CO、CH4和C2H2，展示了多气体检测的能力。

  图片显示了配备了T型光声池的基于PAS的多组分气体传感器配置的示意图。使用三个激发激光器作为激光源，包括DFB ICL（HealthyPhoton，型号HPQCL-Q）、DFB QCL（HealthyPhoton，型号QC-Qube）和NIR激光二极管（NEL），分别在2968 cm−1、2176.3 cm−1和6578.6 cm−1处发射，以实现对CH4、CO和C2H2的同时检测。ICL、QCL和NIR激光二极管在目标吸收波长处的光功率分别为8 mW、44 mW和32 mW，通过热功率计（Ophir Optronics 3 A）进行测量。所有激光源都通过调节电流和温度控制来驱动。

  建立了基于T型光声池的多共振光声光谱气体传感器，并验证其能够进行多组分同时检测，达到ppb级别的灵敏度。通过有限元分析（FEA）模拟优化和实验光束激发位置设计，三个指定的谐振频率的光声响应相互比较，确保了同时检测多种微量气体的高性能。选择了CO、CH4和C2H2这三种可燃气体作为目标气体，使用QCL（4.59 µm，44 mW）、ICL（3.37 µm，8 mW）和NIR激光二极管（1.52 µm，32 mW）作为入射光束进行同时检测验证。F1模式下，光束照射到缓冲腔体壁上，信噪比（SNR）相比通过吸收圆柱体的情况提高了4.5倍。实验得到了CO、CH4和C2H2的最小检测限（1σ）分别为89ppb、80ppb和664ppb，对应的归一化噪声等效吸收系数（NNEA）分别为5.75 × 10−7cm−1W Hz−1/2、1.97 × 10−8 cm−1W Hz−1/2和4.23 × 10−8cm−1W Hz−1/2。对湿度交叉敏感性进行改进的研究提供了对光声光谱传感器在湿度松弛相关效应方面的更好理解。利用单个光声腔体和单个探测器进行多组分气体传感的这种开发的光声光谱模式，具有在电力变压器故障的早期诊断方面的独特潜力。

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