基于数字锁相放大器光声光谱变压器油中气体检测技术的研究

基于数字锁相放大器光声光谱变压器油中气体检测技术的研究

杨舟

云南电网有限责任公司怒江供电局 云南怒江 673100

摘要：本文针对变压器油中微量气体光声光谱检测技术中微弱信号检测难度大，信噪比门限较高等问题，提出了在非共振光声池光声光谱系统中采用数字锁相放大器实现微弱信号的捡取。分析实验中锁相放大技术的基本原理, 提出利用虚拟仪器技术实现光声信号检测的方法; 利用LabV IEW 开发出自动检测系统，有效抑制噪声。采用纯氮气，1PPM C2H2，100PPM C2H2，1000PPM C2H2检测系统，表现良好的线性度。

关键词：光声光谱；锁相放大器；LabVIEW

0 引言

光声光谱气体检测技术的起源可以追述到1880年，美国著名科学家Ben首先发现薄膜片在阳光的间断照射下能够发出声波，并将这种光声转换现象称为光声效应[2-3]。本世纪以来，光声光谱气体检测技术理论研究已日臻完善，半导体激光器、量子级联激光器、激光泵浦光参量振荡器等新型激光光源的应用仍然是技术发展的主要推动力，此外多种共振式光声池和非共振式光声池的优化设计相继得到了实验检验，新颖的光学传声器的应用显示出超越传统电学传声器性能的潜力，光声信号的数字化处理也进一步提高了数据分析能力[7-8]。光声光谱技术的发展也推动了该技术在变压器油中气体检测中的应用，国内外在该领域的研究较多，国内如大连理工大学和重庆大学等高校，也开展了光声光谱变压器在线监测技术的研究,主要集中在共振式光声池和激光光源的光声光谱研究[5-6]。相对于共振式光声池，非共振式光声池需要很少的样气，符合变压器油中气体检测实际应用要求。本文介绍一种采用非共振式光声池实现光声光谱变压器油中气体检测，由于变压器油中溶解气体极低，光声光谱的信号检测难度大。相对于模拟锁相放大器，数字锁相放大器可以更好跟踪频率和相位，极大提高信噪比，可以实现1PPM以下C2H2的气体检测。

1 光声光谱系统检测原理

光声光谱是基于光声效应的一种光谱技术，其测量原理如图1所示。红外光经调制、滤光以后进入气体样品池。螺旋浆形状的调制盘以恒定速率转动的调制盘将红外光调制为闪烁的交变信号。由一组滤光片实现分光。每个滤光片允许透过一个窄带光谱，其中心频率分别与预选的各气体的特征吸收频率相对应。如果选择特征气体的吸收光谱互不干扰，则通过对安装滤光片的圆盘进行步进控制，就可以依次测量不同的气体。经调制后的各气体特征频率处的光线以调制频率反复激发样品池中相应的气体分子，被激发的气体分子会通过辐射或非辐射两种方式回到基态；对于非辐射驰豫过程压力，体系的能量最终转化为分子的平动能，引起气体局部加热，从而在气池中产生波（声波）。采用非共振式光声腔，随着频率的下降，气体吸收红外光也越充分，产生的弛豫反应也更强烈。这些声波通过微音器捡取。变压器油中气体含量极低，产生的声波信号很微弱，基本淹没在噪声信号中。采用简单滤波放大调理电路很难达到信号捡取的目的。

图1 光声光谱系统结构图

2 锁相放大器基本原理

锁相放大器相当于高Q值带通滤波器，其利用低通滤波器代替带通滤波器，使实际的带通滤波器的Q值提高到107左右，并且可以保持在测量的频率上。锁相放大器利用相敏检测技术，利用外部或内部产生的参考信号与被测信号的相位锁定技术来压缩噪声带宽以限制噪声，从而检测出周期性、重复性信号的幅值和相位。

根据上面光声光谱系统，光声信号是一种周期信号，信号和调制盘的频率相关。用光电传感器采集调制盘信号，作为锁相放大器的参考信号。该原始信号为方波信号，可根据频率、相位生成正弦波信号。输入信号除了光声信号外，还包含很多噪声信号，部分是窄带白噪声或等幅值的正弦信号。

设待测信号，其中Vs1(t)为待测信号中的有效信号，n(t)为噪声。

参考信号，则经乘法器的输出信号为，积分器的输出信号Vo为：

上式中、分别是待测有效信号与参考信号及参考信号与噪声之间的相关函数，对于项，由于噪声的频率和相位都是随机量，可以认为参考信号与噪声互相独立，它的相关函数为零：即经过长时间的积分，项为零，实际上积分时间不可能无限长，也就是说实际计算中不可能为零，它表现为剩余噪声，但噪声对测量结果的影响已经大大降低，对于项为：

由上式可知，积分内的两项是待测有效信号与参考信号的和频及差频相关，当时，且噪声相关函数为零时，积分器输出的信号Vo可表示为：

式中为待测信号与参考信号的相位差，当待测信号与参考信号同频率时，与待测有效信号的幅度有关，也与待测信号与参考信号的相位差有关，调整参考信号的相位，当时，与待测信号的幅度成正比。总之，由于输入信号中的噪声n(t)与参考信号不相关，经积分器积分后，噪声得到了很好的抑制，而有效信号得到了放大，从而提高了测量的精度和信噪比。

3 LabVIEW平台下锁相放大器的实现

图2是用LabVIEW实现的锁相放大器程序框图，它采用NI的DAQ实现双通道信号采集，一路是光声信号，一路是参考信号。对方波参考信号采集频率和相位，生成固定幅值的正弦波参考信号，同时可以调整参考信号的正弦波相位。光声信号是微弱的信号，中间夹杂着电源的白噪声和外部干扰。首先对光声信号进行带通滤波和无限长冲激响应（IIR）滤波器，阶数为13。光声信号的产生和调制盘的位置密切相关，每种气体的检测过程完全一样，所以光声信号和参考信号的相位差是确定的，调整正弦波参考信号的相位和光声信号相位一致。使输出幅值和光声信号的幅度成正比。从图5可知，经锁相放大器的相关计算和低通滤波去除了高频信号，仅剩直流项。

图2 数字锁相放大器程序框图

4 光声光谱检测实验及结果分析

光声光谱系统安装7片滤光片，每片滤光片对应一种气体。检测C2H2气体选择中心波长为13.4µm的滤光片，带宽为1µm。光声光谱调制频率15Hz，红外光源为广谱的红外光源。对于纯氮气，100PPM C2H2，1000PPM C2H2气体，不存在不同成分气体对于该滤光片的干扰。图3为纯氮气的光声信号、经滤波后的光声信号和经过锁相放大后的直流分量；图4为100PPM C2H2的光声信号，经滤波后的光声信号和经过锁相放大后的直流分量；图5为1000PPM C2H2的光声信号，经滤波后的光声信号和经过锁相放大后的直流分量；浓度较低的情况下，微弱的光声信号淹没在噪声中，在纯氮气的情况下，信号幅度较低，部分信号是因为氮气纯度不够或含有微量水气产生的光声信号；在100PPM时，系统产生的光声信号很明显，它的幅度较纯氮气时的幅度要大很多；在1000PPM时，光声信号明显得到加强，幅度增加比较明显。通过锁相放大后，纯氮气、100PPM和1000PPM数据有明显的区别。

图3 纯氮气的原始信号，滤波后信号和锁相放大后信号

图4 100ppmC2H2原始信号，滤波后信号和锁相放大后信号

原始光声信号的直流分量为ICP电源得到的直流偏置。信号经滤波后，可以有效消除直流偏置。同时经锁相放大后，剔除干扰信号纯氮气经锁相放大后，得到数值为16；100PPM C2H2经锁相放大后，得到数值为58；1000PPM C2H2经锁相放大后，得到数值为430；经计算可以得到，该信号值基本满足以下线性公式：

其中y为锁相放大后信号，x为气体浓度

图5 1000ppmC2H2原始信号，滤波后信号和锁相放大后信号

5 结束语

在线油中气体检测技术是变压器在线监测的主要手段。相比较油色谱技术，光声光谱技术逐渐被市场所认可和推广。基于LabVIEW平台开发的锁相放大器在光声光谱油气检测中使用可以较好捡取气体的光声信号。实验证明，基于该平台测试系统测试的数据可以明显实现光声信号的提取，同时根据纯氮气和1000PPM C2H2连线，100PPM C2H2基本处于连线之上，光声信号和气体浓度保持比较好的线性性。

参考文献

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