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《SO2 and SOF2 simultaneous detection by single Mid-infrared laser based on TDLAS》
题目：基于单一中红外激光源TDLAS技术的SO2和SOF2同时检测
作者：张引，李岩，严进，卞超，陈轩，张晓星
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SO2和SOF2是SF6气体绝缘电气设备故障下的典型分解产物，准确检测这两种分解产物，有助于提高设备故障诊断水平。TDLAS技术具有高光谱分辨率、非侵入性、快速响应等优势，是一种理想的SF6分解产物检测方法。然而，SO2和SOF2的中红外吸收谱线存在着重叠干扰，因此，在两种组分同时存在的环境下，难以通过激光器波段选择排除组分间交叉干扰影响，实现单一组分的准确检测。但是，这也为使用同一台激光器检测两种气体提供了可能。为此，本文提出了一种基于支持向量回归(SVR)模型的多气体组分检测方法，利用一台激光器实现了SO2和SOF2的同时检测。
如图1(a)所示，SOF2和SO2两种气体在1340cm-1波数附近的吸收谱线有较强的交叉干扰，但也为使用单一激光器同时检测两种气体浓度提供了可能性，因此本文选择中心波数为1340cm-1的中红外激光器，搭建了如图1(b)的实验平台，并建立了SOF2/SO2支持向量回归模型，模型建立流程如图1(c)所示。
图1 实验平台及模型构建流程图
利用上述平台，本文首先对单一气体的检测性能进行了测试：如图2、3，SO2与SOF2气体浓度与二次谐波峰值平均值的线性拟合情况较好，为实现一台激光器同时检测两种气体奠定了基础。
图2 SO2气体浓度与二次谐波峰值平均值的线性拟合关系
图3 SOF2气体浓度与二次谐波峰值平均值的线性拟合关系
基于SVR原理，结合1340cm-1附近SO2和SOF2的重叠吸收光谱特征，选取1f归一化后的多组2f数据作为训练集，构建SVR模型。模型训练结果如图4、5所示，气体浓度测试值与真实值之间的误差较小，表明SO2-SVR模型和SOF2-SVR模型能够克服吸收谱线的干扰问题，得到准确的浓度回归结果。
图4 SO2气体浓度测试值与实际值对比
图5 SOF2气体浓度测试值与实际值对比
为了进一步验证算法模型对不同浓度SO2和SOF2混合气体检测的泛用性，实验制备了与训练集浓度不同的混合气体，将检测结果代入模型进行回归计算。取每组气体计算误差的最大值进行分析，分析结果如表1所示。
表1 SO2、SOF2混合气体的检测结果及检测误差
结论
本文使用中心波数为1340cm-1的中红外激光器，以SO2和SOF2混合气体浓度测量时的谱线交叉干扰问题为例，提出了一种基于支持向量回归模型的混合气体浓度解析方法，实现了单一激光源TDLAS技术对SO2和SOF2混合气体浓度的同时测量，为该技术面临的共性技术难题及其应用提供了新的解决方法。
Zhang, Y., et al.: SO2 and SOF2 simultaneous detection by single mid-infrared laser based on tunable diode laser absorption spectroscopy. High Voltage. 9(4), 786–793 (2024).
张引，讲师，硕士生导师，入选武汉英才（优秀青年人才），长期从事电力设备在线监测及状态评估、先进气体光谱检测技术及微纳光纤传感技术等方向研究。近五年来发表SCI/EI期刊论文20余篇，授权国家发明专利6项，美国发明专利1项；主持国家自然科学基金、湖北省自然科学基金、国家重点实验室开放基金、湖北省重点实验室重点项目等科研项目，作为核心成员参与多项国家/省部级科研项目；获国网湖北省电力有限公司专利二等奖1项。
张晓星，教育部“长江学者奖励计划”特聘教授、国家百千万工程人选，有突出贡献的中青年专家，享受国务院特殊津贴，教育部新世纪优秀人才。现任湖北工业大学电气与电子工程学院院长，主要从事高压电气设备绝缘在线监测与状态评估、新型传感技术和环保绝缘技术等方向研究。主持包括国家自然科学基金在内的国家级项目十余项，获国家技术发明二等奖1项、省部级科技成果一等奖4项，获湖北省教学成果二等奖1项。
湖北工业大学高压电器智能监测与环保绝缘技术团队面向电工装备安全、智能、环保的重大发展需求，依托新能源及电网装备安全监测湖北省工程研究中心等五个省部级平台，围绕输变电装备运行安全领域的关键科学问题，长期致力于电气设备绝缘在线监测与故障诊断、新型传感技术、新型环保电工材料等方向的研究。目前，团队共有教授2人、副教授3人，讲师10人，研究生70余人。其中，长江学者特聘教授1人、湖北省楚天学者4人、硕士生导师14人。
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