发展基于光声光谱技术的油中溶解气体在线监测装置对提高电气设备运行安全具有重要意义。本书围绕各类光声光谱技术构成、主要特点进行深入分析与探讨，从微弱气体光声信号的产生及损耗等基本过程、石英增强光声光谱、法珀（法布里-珀罗）干涉解调、悬臂梁全光解调及电气设备油中溶解气体光声光谱检测系统的设计原则与检测特性等方面展开系统全面的论述，为气体光声光谱检测技术及装置研发提供理论和技术方面的指导。

主持国家重大科技专项、973课题、863课题、国家自然科学基金重点（面上）项目等16项；获国家科技进步二等奖1项

目录
第1章 概论 1
1.1 电气设备油中溶解气体检测技术 1
1.1.1 常规色谱检测技术 1
1.1.2 在线监测技术 2
1.2 光声光谱技术在电气设备油中气体检测中的应用 3
1.3 光声光谱技术的发展 4
1.3.1 光源 4
1.3.2 光声池设计 5
1.3.3 微弱光声信号传感器 6
第2章 微弱气体光声信号的产生及损耗 8
2.1 气体光声检测原理 8
2.1.1 气体的光声效应 8
2.1.2 气体光声检测方法 9
2.2 光声信号的产生机理 10
2.2.1 气体分子的热产生过程 10
2.2.2 光声池中声场的激发 11
2.3 光声信号在光声池中声能损耗 17
2.3.1 气体内部的黏滞与热传导-体损耗 17
2.3.2 气体在边界处的黏滞与热传导-面损耗 18
2.3.3 计及声能损耗的波动方程 19
2.3.4 品质因数Q 20
第3章 电气设备油中溶解气体的红外光谱吸收特性 22
3.1 红外光谱基础理论 22
3.1.1 红外光谱概述 22
3.1.2 红外光谱精细结构与气体分子振转能级跃迁 23
3.1.3 谱线的线型及增宽 27
3.2 电气设备油中溶解气体的红外吸收特性 30
3.2.1 气体红外吸收特性的逐线积分模型 30
3.2.2 气体红外吸收逐线积分模型的有效性分析 32
3.2.3 油中溶解气体的红外吸收系数 32
3.3 压强、温度对气体红外吸收特性的影响 37
3.3.1 压强的影响 37
3.3.2 温度的影响 39
第4章 一维光声信号传输模型及纵向共振光声池的设计 41
4.1 气体光声池的有限元模型 41
4.2 一维光声信号传输模型 44
4.3 一阶纵向光声池的设计 48
4.3.1 光声池的设计原则 48
4.3.2 光声池材料和结构的选择 48
4.3.3 光声池工作模式的确定 48
4.3.4 一阶纵向谐振式光声池 50
4.3.5 光声池几何尺寸的设计 53
4.3.6 光声池的去噪措施 55
第5章 多组分气体光声信号的混沌检测方法 57
5.1 锁相放大技术 57
5.1.1 信号通道 57
5.1.2 参考通道 58
5.1.3 相敏检测器 58
5.1.4 低通滤波器 58
5.2 微弱信号混沌检测方法及其动力学行为分析 59
5.2.1 混沌检测系统的建立 59
5.2.2 系统非线性动力学行为 60
5.3 混沌检测状态特性判别 62
5.3.1 混沌判据与准则 62
5.3.2 时间序列的最大Lyapunov指数判别混沌方法 63
5.4 基于互相关与混沌相结合的气体光声信号检测 65
5.4.1 气体光声信号混沌虚拟检测系统的建立 65
5.4.2 油中气体光声信号检测实验分析 66
5.5 基于互相关与双混沌振子差分结合的光声信号检测 69
5.5.1 双混沌振子差分的混沌状态判别方法 69
5.5.2 实验分析 71
第6章 基于光声信号特性的法珀干涉解调方法 74
6.1 法珀干涉原理 74
6.1.1 双光束干涉模型 74
6.1.2 强度解调法 77
6.1.3 相位解调法 78
6.2 光声信号法珀干涉解调方法 79
6.2.1 法珀干涉解调模块性能对比 79
6.2.2 Q点自追踪强度解调模块 81
6.2.3 主动腔长控制解模块 83
第7章 石英增强光声光谱气体检测方法 86
7.1 石英音叉的理论模型与压电特性 86
7.1.1 石英音叉的机械特性及一维谐振子模型 86
7.1.2 石英音叉的电学特性及Butterworth-van Dyke模型 87
7.1.3 石英音叉的压电特性 88
7.1.4 石英音叉的参数设计理论 89
7.1.5 定制石英音叉的参数设计 90
7.2 微型声学谐振腔理论 91
7.3 QEPAS实验系统的构建及特性 94
7.3.1 QEPAS实验系统 94
7.3.2 QEPAS技术的调制振幅特性 95
7.3.3 石英音叉对声波激励的位置响应特性 96
7.3.4 QEPAS技术的调制频率精度 96
7.3.5 QEPAS系统的响应时间 97
7.3.6 QEPAS系统的功率特性 98
7.4 QEPAS系统的参数校正 98
7.4.1 音叉主要电学参数的测量及校正 98
7.4.2 频率响应曲线的新型测量方法 99
7.5 QEPAS系统噪声分析及性能评估 103
7.5.1 系统噪声分析 103
7.5.2 系统性能评估 104
第8章 基于膜片式全光解调的光声光谱气体检测方法 106
8.1 基于膜片式全光解调的光声光谱气体检测系统的整体结构 106
8.1.1 激光光源的选择 106
8.1.2 谐振式光声池 108
8.1.3 微音器 108
8.1.4 其他组件 109
8.2 基于膜片式全光解调的光声光谱气体检测的性能分析 112
8.2.1 光声系统噪声分析 112
8.2.2 光声池分析 114
8.2.3 背景气体的影响 117
8.3 基于膜片式全光解调的光声光谱气体检测特性及定量分析 119
8.3.1 基于膜片式全光解调的光声光谱气体检测特性 119
8.3.2 基于偏最小二乘回归的光声定量分析 124
第9章 基于悬臂梁全光解调的谐振式光声光谱气体检测方法 130
9.1 悬臂梁法珀光纤声传感器 130
9.1.1 悬臂梁振动理论 130
9.1.2 悬臂梁物理特性仿真分析 132
9.1.3 悬臂梁光纤声传感器探头的制备 136
9.1.4 悬臂梁光纤声传感器的性能测试 138
9.2 基于悬臂梁全光解调的谐振式光声光谱气体检测 140
9.2.1 一维纵向谐振式光声池的设计与制作 140
9.2.2 掺铒光纤放大器功率增强技术 140
9.2.3 波长调制与谐波检测技术 142
9.2.4 谐振式光声光谱气体检测平台的结构及搭建 143
9.3 基于悬臂梁全光解调的谐振式光声光谱气体检测实验 144
9.3.1 气体吸收谱线的选择 144
9.3.2 光声池谐振频率的测量 145
9.3.3 电气设备故障特征气体的检测结果与分析 147
第10章 基于膜片式全光解调的多光程光声光谱气体检测方法 151
10.1 膜片式法珀光纤声传感器 151
10.1.1 膜片振动理论 151
10.1.2 膜片物理特性仿真分析 153
10.1.3 膜片式光纤声传感器探头的制备 155
10.1.4 膜片式光纤声传感器的性能测试 156
10.2 基于膜片式全光解调的多光程光声光谱气体检测 157
10.2.1 多光程光声信号增强技术 157
10.2.2 多光程环形多反腔的理论分析及实验验证 159
10.2.3 环形多反腔微型光声池的设计与制作 166
10.2.4 抗振动与噪声干扰屏蔽箱的设计与制作 167
10.2.5 多光程光声光谱气体检测平台的结构及搭建 168
10.3 基于膜片式全光解调的多光程光声光谱气体检测实验 169
10.3.1 振动、噪声干扰性测试 169
10.3.2 电气设备故障特征气体的检测结果与分析 170
10.3.3 多光声光谱检测模块分时分布检测实验 172
第11章 基于组合光源的电气设备油中溶解气体光声光谱检测系统 174
11.1 电气设备油中溶解气体光声光谱在线监测系统的设计原则 174
11.1.1 系统的选择性、检测灵敏度及检测浓度范围 174
11.1.2 气体需求量 175
11.1.3 系统的稳定性和准确性 175
11.1.4 环境适应性 175
11.1.5 系统造价 175
11.2 组合光源与六种气体特征吸收谱线的选取 176
11.2.1 基于组合光源的电气设备故障特征气体光声光谱检测的必要性 176
11.2.2 组合光源的选取 180
11.2.3 六种气体特征吸收谱线的选取 181
11.3 基于组合光源的光声光谱气体检测系统的设计与实现 182
11.3.1 基于组合光源的光声光谱气体检测系统的设计原理 182
11.3.2 光声光谱模块的设计 183
11.3.3 油气分离模块的设计 189
11.3.4 恒温控制模块的设计 190
11.3.5 基于组合光源的光声光谱气体检测系统整体结构 191
11.4 基于组合光源的光声光谱气体检测系统气体检测特性 192
11.4.1 基于组合光源的光声光谱气体检测系统抗干扰性能分析 193
11.4.2 光声信号强度与气体浓度的关系 195
11.4.3 光声光谱气体检测系统气体检测特性介绍 196
参考文献 203