【文章內(nèi)容簡介】 行檢測(cè)，就一定要清楚的掌握氣體紅外吸收理論，熟知?dú)怏w的特征吸收譜線。雖然光聲光譜技術(shù)是基于紅外吸收理論的，但二者還是有很在的區(qū)別的，在于光聲光譜技術(shù)是依靠光聲信號(hào)來間接的測(cè)量物質(zhì)相互作用后的能量，而不是直接通過對(duì)光子的檢測(cè)及分析。所以，要想真正的利用光聲光譜技術(shù)對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)，就首先要了解紅外吸收光譜理論。 研究方法本文通過分析現(xiàn)有的變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)劣勢(shì)，主要從以下兩個(gè)方面選擇研究方向，并進(jìn)行展開。1）變壓器油中溶解氣體的測(cè)量。針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的要求，同時(shí)滿足對(duì)變壓器油中特征氣體的精確測(cè)量，保證在線監(jiān)測(cè)的可靠性，本文采用了一種比氣相色譜技術(shù)更精確的光聲光譜技術(shù)，具體針對(duì)變壓器中的特征氣體設(shè)計(jì)了一套光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有高靈敏度、準(zhǔn)確度高，抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)量氣體含量時(shí)，不需消耗變壓器中的油，可實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，降低了成本，非常實(shí)用。2）基于PAS與DFNN的變壓器故障預(yù)測(cè)模型。通過對(duì)專家系統(tǒng)，模糊理論，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究，本文選取了動(dòng)態(tài)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，該模型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不是預(yù)先設(shè)定的，是在不斷的學(xué)習(xí)訓(xùn)練中增加的。這個(gè)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)算法主要是通過模糊規(guī)則的產(chǎn)生、前提參數(shù)的確定、權(quán)值的確定，和規(guī)則的修剪技術(shù)，通過一步步的學(xué)習(xí)達(dá)到診斷故障的要求。本文采用的方法就是先通過光聲光譜系統(tǒng)對(duì)變壓器油中溶解的特征氣體進(jìn)精確測(cè)量，然后根據(jù)最小二乘法進(jìn)行定量計(jì)算，通過得到的數(shù)據(jù)建立DFNN模型，以達(dá)到故障預(yù)測(cè)的目的。 本文的主要研究內(nèi)容通過閱讀并分析大量的文獻(xiàn)資料，在了解目前現(xiàn)有針對(duì)變壓器的故障在線監(jiān)測(cè)處理的方法及研究成果的基礎(chǔ)上。結(jié)合現(xiàn)在對(duì)氣體測(cè)量比較的精確的光聲光譜技術(shù)，建立了基于PAS與DFNN的變壓器故障預(yù)測(cè)模型，并通過大量的試驗(yàn)進(jìn)行論證，所預(yù)測(cè)的故障類型準(zhǔn)確度高，能夠滿足對(duì)電力變壓器在線運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及故障預(yù)測(cè)。第2章 光聲光譜技術(shù)原理第2章 光聲光譜技術(shù)原理 氣體紅外吸收理論 氣體分子吸收理論紅外吸收光譜法，是通過根據(jù)物質(zhì)對(duì)波長不同的紅外光的吸收程也不同，從而對(duì)組成或構(gòu)成物質(zhì)的分子進(jìn)行研究。紅外吸收光譜技術(shù)可廣泛的應(yīng)用在化學(xué)領(lǐng)域中，可以對(duì)對(duì)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，同時(shí)也可以對(duì)物質(zhì)的化學(xué)組成進(jìn)行分析。但這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用最廣泛的方面還是用來鑒定化合物的結(jié)構(gòu)。原理就通過研究物質(zhì)吸收紅外光后測(cè)得的反映物質(zhì)結(jié)構(gòu)曲線的峰位、峰強(qiáng)等特征來判斷在化合物中的組成。分子吸收紅外光譜后，分子中的電子從一種低能量的狀態(tài)運(yùn)動(dòng)到高能量狀態(tài)，由于分子中電子的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致分子又回到低能態(tài)，這片過程就釋放了能量發(fā)射了光譜。同時(shí)由于組成分子的原子也有做不停的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)量子理論，原子和分子能量的量子化，原子和分子的能級(jí)（energy levels）如下圖1示，列舉了由低到高的四個(gè)能級(jí)，分別用代表，圖1 分子中的能級(jí) Molecular energy level 當(dāng)原子或者分子吸收能量就會(huì)發(fā)生躍遷，從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)（例如從到），從躍遷到所需的能量，就是兩個(gè)能級(jí)間的能量差。根據(jù)量子理論，振動(dòng)能級(jí)為 （1）式中，表示振動(dòng)量子數(shù) 表示普朗克常數(shù)（）鍵的振動(dòng)頻率由公式（1）得到，對(duì)于相鄰的兩個(gè)能級(jí)間差為 （2）分子是由原子構(gòu)成的，構(gòu)成分子的原子間通過化學(xué)鍵相互作用，這里我們假設(shè)原子和化學(xué)健組成一個(gè)小球彈簧的體系，由簡諧振動(dòng)原理得到。 （3）其中，表示分子的鍵力常數(shù)，為兩端相連原子和的折合質(zhì)量。在紅外吸收光譜法中，照射樣品的紅外線提供能量使原于或者分子向高能量級(jí)躍遷。因?yàn)榉肿拥恼駝?dòng)是量子化的，故此種振動(dòng)只吸收一定的能量。即光線的波長與分子間振動(dòng)的能量差相對(duì)應(yīng)，當(dāng)兩個(gè)能級(jí)間的能量差和光線波長具有相同時(shí)，分子吸收了光能產(chǎn)生能級(jí)躍遷，然后產(chǎn)生吸收光譜。從公式（3）可以得到，能量的吸收決定于(鍵的力常數(shù))和，即分子的結(jié)構(gòu)特征。測(cè)量化合物的結(jié)構(gòu)就是根據(jù)這種光聲光譜。下表2是變壓器油中出現(xiàn)的幾種氣體的紅外吸收特征峰。表2 變壓器油中故障氣體紅外吸收峰值Table2 Fault gases in transformer oil by infrared absorption peak氣體波長,,, 氣體的吸收定律用紅外吸收光譜技術(shù)對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行測(cè)量時(shí)，待測(cè)介質(zhì)會(huì)吸收一部分光能，從而導(dǎo)致通過介質(zhì)后的光的能量變少。在這里假設(shè)入射光的光強(qiáng)度為，出射的為，待檢測(cè)物質(zhì)的厚度為。如圖2所示，對(duì)一薄層介質(zhì)進(jìn)行光能的吸收。設(shè)其厚度為，物質(zhì)厚度為，光強(qiáng)為。通過實(shí)驗(yàn)分析得到，物質(zhì)對(duì)光能的吸收與和被檢測(cè)物質(zhì)的分子數(shù)dN,正比，得到層中的吸收能量為： （4）式中，是比例常數(shù)，為被檢測(cè)物質(zhì)的光能吸收系數(shù)。圖2 介質(zhì)對(duì)光的吸收 Absorption of the light to medium對(duì)式（4）積分后得到透射光強(qiáng)： （5）式中L為被檢測(cè)的物質(zhì)的厚度。式（5）也可寫作 （6）式中，A稱作吸收度。可見這就是朗伯—比爾（）定律，通過理論分析，得出結(jié)論，被檢測(cè)物質(zhì)對(duì)紅外光能量的吸收規(guī)律遵循定律。 光聲信號(hào)的產(chǎn)生 氣體分子的特性從宏觀的角度來看，氣體是由無數(shù)處于連續(xù)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的分子組成，當(dāng)氣體被置于密閉的容器中時(shí)，氣體在容器中做無規(guī)則的無能運(yùn)動(dòng)。氣體受到溫度其的影響非常大，溫度與氣體分子的動(dòng)能成正比。例如，在室溫條件下， CH4的運(yùn)動(dòng)速度大概是407m/s，當(dāng)溫度提升到400C氣體的運(yùn)動(dòng)速度將會(huì)達(dá)到421m/s。氣體壓強(qiáng)的產(chǎn)生來自于氣體撞擊容器壁產(chǎn)生，速度越大，壓強(qiáng)越大。也就是說當(dāng)溫度升高氣體的壓強(qiáng)就會(huì)增大，因此，要想改變密閉的容器中氣體的壓強(qiáng)只需改變溫度。由熱力學(xué)第一定律：PV=nRT。得到氣體分子的壓強(qiáng)與溫度成正比。從微觀來看，分子由原子構(gòu)成，而原子也在分子內(nèi)部做無休止的運(yùn)動(dòng)。但是原了的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到作用于原子間化學(xué)鍵的限制，使的這些原子只能在固定的上位置上做振動(dòng)。原子的質(zhì)量和原子間化學(xué)鍵的強(qiáng)度共同決定了原子的的振動(dòng)頻率和模式。由于每個(gè)氣體分子都是由若干個(gè)原子組成，每個(gè)氣體都有多種振動(dòng)模式，分子越大，其包含的原子數(shù)越多，分子的振動(dòng)模式越多。通常情況當(dāng)分子含有4個(gè)原子其振動(dòng)模式就有6種，當(dāng)原子數(shù)達(dá)到10個(gè)時(shí)，其振動(dòng)模式會(huì)達(dá)到24種。分子的結(jié)構(gòu)決定振動(dòng)模式下的原子的諧振頻率。下面以水分子為例， 分子是由3個(gè)原子構(gòu)成，其諧振頻率如下圖3所示。圖3 H2O分子振動(dòng)模式示意圖 Vibration modes of H2O 光與物質(zhì)的相互作用當(dāng)光照射到物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)吸收了光的能量。物質(zhì)內(nèi)的原子或分子也同時(shí)吸收的光能，然后被原子或分子吸收的能量會(huì)通過不同的方式被釋放出來。常溫下，分子處于最低的能量級(jí)。當(dāng)經(jīng)光照射后，物質(zhì)內(nèi)分子吸收光能，分子就會(huì)發(fā)生躍遷，從基態(tài)躍遷到較高的能態(tài)。然而，分子吸收光后，很快會(huì)失去能量，回到基態(tài)。也就是說分子經(jīng)光照射后吸收熱量，再通過熱傳導(dǎo)的方式傳導(dǎo)出去，回到基態(tài)，如下表3示，光與物質(zhì)的相互作用關(guān)系。表3 光與物質(zhì)的相互作用關(guān)系Table3 Interaction between light and matter條件基本過程光譜法光透射吸收光譜法吸收發(fā)光熒光光譜法等發(fā)光光聲光譜法、熱透鏡光譜法無輻射躍遷散射非彈性散射拉曼光譜法彈性散射瑞利，米埃散射折射熱透鏡光譜法反射漫反射，內(nèi)反射光譜法干涉干涉光譜法偏振圓偏振光譜法1）光吸收過程聲源是光聲信號(hào)產(chǎn)生的第一步，當(dāng)被檢測(cè)的氣體吸收了經(jīng)過調(diào)制頻率的光后，氣體本身就形成了周期性變化的熱源。當(dāng)一氣體分子吸收了光能后，發(fā)生了躍遷，由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，能量差為，由于分子到了高能態(tài)后并不穩(wěn)定，會(huì)釋放能量返回基態(tài)，通常有以下幾種方法，如圖4所示。圖4 分子吸收光能后釋放能量形式 Form of molecules absorb light energy to release energy（1）以光子的形式輻射出來，輻射出一個(gè)能量為 的光子。（2）發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。在釋放能量過程誘發(fā)了光化學(xué)過程。（3）能量發(fā)生了轉(zhuǎn)移。躍遷中與基態(tài) 的同類氣體分子發(fā)生了碰撞，并將能量傳遞給了該分子，使其被激發(fā)到高能態(tài) 。（4）加熱過程。發(fā)生無輻射弛豫過程，即氣體分子之間發(fā)生碰撞，從而使能量轉(zhuǎn)化成兩個(gè)相撞的分子的平移動(dòng)能。顯然，紅外吸收光譜技術(shù)正是利用了第四種分子發(fā)生的無輻射弛豫過程，吸收的光能轉(zhuǎn)化成熱能。入射光強(qiáng)度的變化會(huì)在氣體中產(chǎn)生相應(yīng)的溫度變化。根據(jù)氣體定律，氣體經(jīng)過調(diào)節(jié)后紅外光照射，氣體溫度也會(huì)產(chǎn)生和入射光頻率相同的周期性變化，進(jìn)而在氣體內(nèi)激發(fā)出相應(yīng)的聲波，可用儀器檢測(cè)到氣體的聲信號(hào)。如圖5所示光聲激發(fā)示意圖。圖5 光聲激發(fā)示意圖 Schematic of photoacoustic excitation 2）聲的激發(fā)氣體產(chǎn)生的聲波可以表示為，可通過總壓強(qiáng)和平均壓強(qiáng)的差來計(jì)算 （7）在聲壓的產(chǎn)生過程中，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度和氣體溫度的平均變化密切相關(guān)。氣體吸收光能產(chǎn)生的熱看作是產(chǎn)生聲波的聲源，表示如下： （8）式中是聲的傳播速度，（，分別是等壓比熱和等容比熱）。為方便討論，式子中并不考慮在粘滯和熱傳導(dǎo)過程中造成的聲波損耗，我們將在最后將損耗作為微擾項(xiàng)進(jìn)行分析 。式（8）是非齊次波動(dòng)方程，對(duì)方程兩邊進(jìn)行傅立葉變換，得到齊次波動(dòng)方程： （9）其中： （10） （11）此時(shí)，邊界條件決定了齊次波動(dòng)方程的簡正模式解。光聲池壁的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與聲壓存在如下關(guān)系： （12）其中是氣體的平均密度。因此池壁處質(zhì)點(diǎn)的垂直分量為零，所以齊次波動(dòng)方程的解。 （13）其中，是的共振頻率。簡正模式解滿足正交歸一化條件，即： （14）其中是光聲池體積。設(shè)光聲池是半徑為、長為的圓柱體，（13）式采用柱坐標(biāo)可以表示為： （15）其解為： （16）其中是第一類貝塞爾函數(shù)，第二類貝塞爾函數(shù)。當(dāng)趨近于0時(shí)，趨近于，故。 （17a） （17b）因此，且、的取值為： （18a） （18b）式中表示縱向（軸向）模式數(shù)，為第階塞爾函數(shù)的第個(gè)根，分別表示角向和徑向模式數(shù)。得（16）式變?yōu)椋? （19）共振頻率的計(jì)算可通過將（19）式代入（15）式得到簡正模式解的 （20）聲壓是一系列與之積的疊加： （21）將（21）式代入到（8）式，結(jié)合（13）、（14）、（15）式推導(dǎo)，得到模式振幅： （22）式（22）右側(cè)的積分項(xiàng)是簡正模式和熱源的耦合。通過等式右側(cè)第2項(xiàng)的分母可以得到，當(dāng)調(diào)節(jié)入射光的頻率趨近于物質(zhì)的自身的共振頻率時(shí)，將趨近于無窮。導(dǎo)致出現(xiàn)這種的原因是在式（21）中并沒有包含粘滯和熱傳導(dǎo)損耗。如果將這些聲損耗計(jì)算在內(nèi)的話，現(xiàn)將模式j(luò)的品質(zhì)因數(shù)式引入到式（22）中，作為微擾修正得到： （23）一般條件下，要想到達(dá)到分子無輻射躍遷馳豫的速率很難做到，且一般達(dá)不到時(shí)飽和吸收。原因在于入射光源的調(diào)制速率比較低。 （24）式中為氣體的吸收系數(shù)，是入射光強(qiáng)度。代入到式（23）中變?yōu)椋? （25） （26）（1）當(dāng)調(diào)節(jié)入射光的入射頻率低于光聲池的最低階簡正模式的共振頻率時(shí)，唯一的非零模式為，其共振頻率。此時(shí)光聲池工作于平面波模式，（25）式變?yōu)椋浩渲惺堑淖枘釙r(shí)間，由氣體到池壁的熱傳導(dǎo)決定。（2）當(dāng)入射光的調(diào)制頻率等于光聲池某階簡正模式的共振頻率時(shí)，模式振幅為極大值，由（25）式得到： （27）式（26）和式（27）體現(xiàn)了光聲信號(hào)強(qiáng)度、光聲池結(jié)構(gòu)及光聲池工作模式三者的內(nèi)在聯(lián)系，被認(rèn)為是通常條件下指導(dǎo)光聲池設(shè)計(jì)的基本公式。 變壓器油中故障氣體及光聲信號(hào)分析 故障氣體的產(chǎn)生變壓器油和絕緣紙是電力變壓器中的主要絕緣介質(zhì)為，同時(shí)也與產(chǎn)生的氣體密切相關(guān)。首先，絕緣油是一種混合物，其組成是各種碳?xì)浠衔?，碳?xì)湓卣贾饕糠郑猩倭苛?、氮、氧元素，以及極少量金屬元素等。在運(yùn)行中，變壓器油受溫度、電場(chǎng)等材料的催化作用，發(fā)生了生碳化、裂解和氧化反應(yīng)