原文发表在《高压电器》2025年第1期。
https://www.chndoi.org/Resolution/Handler?doi=10.13296/j.1001-1609.hva.2025.01.013
痕量乙炔气体光热干涉多谐波信号联合检测技术
潘兴亚，汪超，邵建伟，周阳，乔锐勋
(武汉大学电气与自动化学院，武汉 430072)
一 内容简介
乙炔作为油浸式变压器故障诊断的主要特征气体，其在变压器油中的溶解浓度能够反映变压器的绝缘状态，光热光谱气体检测技术是可用于电气设备在线监测的新方法。文中在光热干涉原理的基础上，提出了基于2+4次谐波联合分析、2+4+6次谐波联合分析的多谐波痕量乙炔气体检测方法，对不同谐波检测方法的调制深度进行了优化，并基于空芯光纤构建的法布里—珀罗干涉仪进行实验验证。相比于单2次谐波分析法，多谐波在0.5 h内的联合信号波动幅度低于1%，线性拟合优度R2均高于0.999，且2+4次谐波联合分析法与单2次谐波分析法的检测极限均约为125 ppb（1 ppb=1×10-9）。结果表明多谐波信号联合分析用于痕量乙炔气体检测有助于提高检测稳定性和线性度。
二 主要内容
随着中国电力系统朝着智能化、安全化、可靠化的方向不断发展，电力装备的在线监测技术研究也在不断深入。油浸式变压器、电流互感器、电容式套管等油绝缘电力设备广泛应用于电力关键系统。油中溶解气体的在线监测是对这些油绝缘设备，尤其是变电站关键节点变压器，进行故障诊断的重要方法。经过长期运行的变压器较容易发生过热或局部放电现象，这些故障会导致变压器油中不同种类碳氢化合物和固体绝缘材料发生分解，产生乙炔等特征气体并最终溶解在变压器油中。近年来，具有响应速度快、稳定性好、抗串扰能力强的光谱法成为变压器在线监测技术的研究热点。光谱法主要包括光声光谱、可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)、光热光谱等方法，其通过对特征气体进行种类与浓度检测来实现变压器的故障诊断与寿命预测。上述传统光学检测手段通常都与波长调制技术(WMS)联用，来进一步加强检测过程中对低频噪声的抑制作用，但在信号解调时传统方法都只是对信号强度较大的1次或2次谐波进行分析，来实现气体浓度的反演，其他高阶次谐波因为幅值较小而常被忽视。充分利用高次谐波所蕴含的气体浓度信息，将有助于气体传感与检测效果的进一步提升。
Axner等对波长调制洛伦兹线型的傅里叶展开式进行了研究，通过数学计算求出了1~8次谐波各自的理论最佳调制深度。Gustafsson等对TDLAS-WMS解调后的2、4、6次谐波研究发现，谐波的背景噪声随着谐波次数的提高而降低，说明了高次谐波具有更强的抗干扰能力。利用1次谐波对高次谐波进行归一化的方法，Sun等发现了在高压环境下高次谐波比2次谐波的气体浓度检测误差更小。Garner等在对同位素氧的检测过程中发现，高次谐波比2次谐波携带有更多的信息，包括气体分子的运动速度、气体温度与压强等。而在近期的研究中，刘等提出一种基于多个高次谐波信号的气体体积分数反演方法，理论计算表明高次谐波在气体体积分数检测过程中具有更高的准确度。上述研究均说明了高次谐波联合分析应用在光谱学气体传感中的作用，但缺乏深入的实验检测方法设计与验证。
文中利用空芯光子带隙光纤(HC-PBF)研制的小型法布里—珀罗干涉仪(FPI)作为气体传感器，搭建基于光热干涉的气体传感平台，分别采用单2次谐波分析、2+4次谐波联合分析、2+4+6次谐波联合分析3种不同方法对痕量乙炔气体进行检测，从线性度、稳定性、探测极限3个方面对多谐波联合分析法与单2次谐波分析法进行研究。
1 基本原理
1.1 空芯光纤光热干涉原理
1.2 多次谐波联合分析原理
2 实验系统设计
2.1 乙炔气体红外吸收谱线的选择
2.2 光热干涉实验平台
3 实验结果与分析
3.1 波长调制深度的优化
3.2 谐波联合分析的稳定性与线性度
3.3 谐波联合分析的探测极限
三 结论
文中结合空芯光纤与光热波长调制技术的优势，搭建了基于FPI的光热干涉气体检测系统，研究多谐波联合分析法对不同体积分数乙炔气体的检测效果。主要得到了以下结论：
1)不同谐波检测方法对应不同的最优调制深度，单2次谐波分析法、2+4次谐波联合分析法、2+4+6次谐波联合分析法的信号幅值与乙炔气体体积分数都具有很好的线性关系，而且多谐波联合分析法的线性拟合优度高于单2次谐波分析法，证明了多谐波联合分析法在光热效应下检测痕量气体的可行性。
2)谐波阶数越高背景噪声越小，但气体体积分数信号的幅值与联合背景噪声均随着联合谐波个数的增多而变大，2+4+6次谐波联合分析法的探测极限相比单2次谐波分析法出现下降，而2+4次谐波联合分析法与单2次谐波分析法的乙炔探测极限分别为125 μg/L与124 μg/L仅相差1 μg/L。
3)多谐波联合分析法在线性度与稳定性上均优于单2次谐波分析法，2次谐波与高阶谐波联合能够提高信号的抗干扰能力，减少气体体积分数检测过程中带来的误差，更适用于长时间的气体体积分数传感研究。
基于HC-PBF的FPI光纤探头具有体积小、灵敏度高、无源抗干扰的特点，适用于电力物联网的远程分布式多点监测。多次谐波联合分析方法与光热干涉传感技术的结合为工况极为复杂的油浸式变压器的在线检测提供了新方案。
作者简介
潘兴亚(1996—)，男，硕士研究生，从事电气设备在线监测与故障诊断以及先进光纤传感技术研究(E-mail：panxingya@whu. edu. cn)。
汪超(1981—)，男，副教授，博士，长期从事光纤传感、传感器技术以及电气设备在线监测与状态评估工作(通信作者)(E-mail：eecwang@whu. edu. cn)。
本文索引
潘兴亚，汪超，邵建伟，等. 痕量乙炔气体光热干涉多谐波信号联合检测技术[J]. 高压电器，2025, 61(1)：112-120.
PAN Xingya，WANG Chao，SHAO Jianwei，et al. Combined detection technology of trace acetylene gas photothermal interference and multi-harmonic signal[J]. High Voltage Apparatus，2025, 61(1)：112-120.
《高压电器》，CN 61-1127/TM，ISSN 1001-1609，邮发代号：52-36，1958年创刊，月刊，国内外公开发行，刊名由当时的人大常委会副委员长、中国科学院院长郭沫若同志亲笔题写。陕西省科技期刊精品期刊。
《高压电器》入选的数据库有：中文核心期刊、中国科技核心期刊、中国科学引文数据库（CSCD）核心刊、RCCSE中国核心学术期刊、世界期刊影响力指数（WJCI）报告。另外，《高压电器》还被国际著名的Scopus数据库收录，同时被俄罗斯的《文摘杂志》（AJ，VINITI）、英国的《科学文摘》（SA）及日本科学技术振兴机构数据库（JST）等著名期刊检索机构列为来源期刊。
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