关键词： 光声光谱；痕量气体检测；变压器油中溶解气体分析；量子级联激光器；石英增强光声光谱；状态检修
1、引言
痕量气体检测是环境科学、能源工业、生物医学与公共安全等领域的共性基础能力。对体积分数低至 10⁻⁹（ppb）乃至 10⁻¹²（ppt）量级的目标组分实现快速、准确、连续的定量分析，长期是分析仪器领域的核心命题。在众多技术路线中，光声光谱因其独特的"零背景"探测机理而占据特殊地位：它不测量光的衰减，而是测量被吸收光能经无辐射弛豫转化为热能、进而激发的声波。这意味着被测信号正比于吸收能量本身，理论上不存在由探测器暗电流或背景光通量引入的基线噪声，从而在原理层面获得极高的信噪比。
从1880年贝尔在光电话研究中偶然听到固体在调制阳光照射下发出声音，到1971年克劳泽利用氦氖激光实现 10 ppb 级甲烷探测，再到本世纪初石英增强光声光谱与悬臂梁光学麦克风的出现，直至近年中红外量子级联激光器与人工智能解调算法的结合，光声光谱技术走过了从现象观察到精密仪器、从实验室装置到工业现场设备的完整演化路径。这一演化并非线性推进，而是与光源技术、声学探测器件与微弱信号处理技术三次外部突破深度耦合。
对电力行业而言，光声光谱技术的产业价值集中体现在变压器油中溶解气体在线监测上。油浸式电力变压器是电网的枢纽设备，其内部绝缘缺陷（局部放电、火花放电、电弧、过热）会促使绝缘油与绝缘纸裂解产生特征气体，这些气体溶解于油中，构成设备内部状态的"化学指纹"。基于该机理的油中溶解气体分析被国际标准认定为识别变压器早期故障最有效的手段之一。然而，传统实验室气相色谱法受限于取样周期长、需人工介入，而以气相色谱为核心的在线装置又长期受载气、标气与色谱柱等耗材制约。光声光谱方法的引入，使在线DGA装置首次在"免载气、免标气、免色谱柱"的前提下达到实验室级精度，从根本上改变了变压器状态监测的技术经济性。
本文以科研学术视角展开，力求资料可溯、数据可查、论证有据，并在文末列出参考文献供延伸阅读。
2、光声光谱技术的历史演进
2.1 现象发现期（1880—1881）
1880年，亚历山大·格拉汉姆·贝尔在探索"光电话"（photophone）的过程中发现：将经过斩波调制的太阳光聚焦照射到固体薄片表面时，会听到与调制频率同步的声音。他在同年发表的论文中将该现象命名为"光声效应"（photophonic phenomenon）。为验证其普适性，贝尔拆除分光镜的目镜，把不同吸收物质置于焦点处并用听管收听，结果在可见光与不可见光的整个太阳光谱范围内都听到了清晰的声音。
1881年，贝尔的两位同事伦琴（Röntgen）与廷德尔（Tyndall）分别独立报道了气体与液体中的同类效应，普里斯（Preece）亦有相关观察。由于该效应可被不同波段的辐射激发，贝尔认为应有更通用的命名，并倾向采用梅卡迪耶提出的"辐射声"（radiophony）一词。这段命名之争在客观上预示了一个重要事实：光声效应本质上是一种跨波段、跨物态的普适能量转换现象，而非某个特定光源的附属效应。
值得强调的是，贝尔时代的"探测器"是人的耳朵。缺乏定量理论、缺乏高灵敏度声电换能器，使这一发现在此后近半个世纪中被视为有趣的物理逸闻，未能转化为分析工具——这也构成了该技术发展的第一次沉寂。
2.2 复苏与气体分析的起点（1938—1960s）
1938年，苏联学者维恩格罗夫（Viengerov）研制出第一台用于气体分析的光声光谱装置，首次实现对多种气体的同时检测，测得氮气背景中体积分数为 0.2% 的 CO₂。他将该效应称为"廷德尔—伦琴光声效应"（Tyndall–Röntgen optico-acoustic effect）——这一命名沿用至1960年代，是现代"optoacoustic"（光声）一词的直接源头。
1943年，卢夫特（Luft）采用红外宽带光源，将气体光声检测极限推进至 10⁻⁶（ppm）量级，奠定了非色散红外光声分析（NDIR-PAS）的技术基础。1946年《自然》杂志以"一种气体分析的光学—声学方法"为题报道了相关进展。1950—1960年代，基于双池差分的NDIR光声分析仪实现商品化，其中测量池与参考池的出射光分别进入充有待测气体的检测池，通过差分实现选择性，广泛用于 CO、CO₂、NO、N₂O、SO₂、CH₄、C₂H₄、C₃H₈ 等组分的 ppm 级检测。
这一阶段的关键突破在于：分析对象从"能否听到声音"转向"声音有多大、与浓度成何关系"，光声效应由此被纳入定量光谱分析的范畴。
2.3 激光驱动的技术复兴（1968—1980s）
1960年代激光器的发明为光声光谱注入了根本性的新动能。激光具有单色性好、方向性强、功率密度高的特点，可在很窄的谱线宽度内集中极大光功率，恰好与光声检测"信号正比于吸收光功率"的特性高度契合。
1968年，克尔（Kerr）与阿特伍德（Atwood）完成了最早的激光光声光谱实验，获得了小分子气体的吸收光谱。1971年，克劳泽（Kreuzer）以强度调制的 3.39 μm 氦氖激光器配合驻极体传声器，在氮气背景下实现甲烷体积分数 10 ppb 的探测，这是光声光谱首次进入 ppb 量级；他同时从理论上分析了光声光谱的极限探测能力，指出可探测吸收系数低至 10⁻¹⁰ cm⁻¹ 量级，并认为理论上仍有数个量级的提升空间。这一论断极大地激励了后续研究。
1970年代中后期，帕特尔（Patel）等人利用自旋翻转拉曼激光，采用球载平台在高空 28 km 处测量了 NO 与 H₂O 的浓度分布，展示了光声光谱在大气科学中的独特价值；罗森茨韦格（Rosencwaig）与格肖（Gersho）于1976年建立固体光声效应的RG理论，为凝聚态样品的光声分析奠定了严格的理论基础，罗森茨韦格并于1973年正式提出"photoacoustic"一词以区别于气体领域的"optoacoustic"。
至此，光声光谱完成了从气体分析专用方法向通用光谱分析技术体系的转变，实现了第一次真正意义上的复兴。
2.4 高灵敏声探测器件驱动期（1990s—2000s）
光声信号由声探测器拾取，探测器的灵敏度、带宽与抗环境噪声能力直接决定系统检测限。1990年代至2000年代，三类器件的出现将光声光谱推入新的性能区间。
其一，中红外相干光源。 1994年，费斯特（Faist）等演示了量子级联激光器（Quantum Cascade Laser，QCL）。QCL工作于中红外"分子指纹区"（3—12 μm），恰是绝大多数特征气体基频吸收最强、吸收线强度比近红外泛频区高2—3个数量级的波段，且可通过能带工程灵活设计波长、室温连续工作。与之配套的分布式反馈（DFB）激光器、带间级联激光器（ICL）与宽调谐外腔QCL（EC-QCL）相继成熟，使光声光谱的可用光源从"单线"扩展为"宽谱可调"。
其二，共振光声池理论。 2001年，米克洛什（Miklós）等人系统总结了声学谐振腔在光声痕量气体分析中的应用，建立了纵向共振、赫尔姆霍兹共振等腔型的设计准则与品质因数优化方法。共振式光声池可将声压幅值放大1—2个数量级，同时压低腔外噪声，成为高灵敏系统的标准配置。
其三，新型声探测器。 2002年，科斯特列夫（Kosterev）与蒂特尔（Tittel）等提出石英增强光声光谱（Quartz-Enhanced Photoacoustic Spectroscopy，QEPAS），以石英音叉（QTF）的压电效应替代传声器，其谐振频率高达 32.7 kHz 且品质因数极高，在相同光声激励下可获得显著更高的信噪比，并有体积小、抗环境噪声的天然优势。与此同时，考皮宁（Kauppinen）等发展了基于硅微悬臂梁与激光干涉读出方案的"光学麦克风"，即悬臂梁增强光声光谱（Cantilever-Enhanced PAS），其位移灵敏度可达 10⁻¹² m 量级，使系统检测限进一步下探至 sub-ppb 水平。
正是"中红外光源 + 共振腔 + 高灵敏声探测器"三者的协同，使光声光谱在2000年代从实验室演示走向主流商用分析仪器。
2.5 智能化与微型化阶段（2010s至今）
近十余年，光声光谱的发展呈现四条清晰的技术主线。
微型化与集成化。 微机电系统（MEMS）工艺使光声池、声探测器与光学窗口得以片上集成；三维打印与拓扑优化技术被用于声腔形状设计，通过降低腔壁声学损耗提高信号增益；泄露型空芯光纤被用作柔性光声气体池，显著延长光与气体的有效作用长度。
多组分与宽谱能力。 时分复用、波分复用与多通道解调方案使单台设备可在一个测量周期内完成多种气体的同步定量，克服了传统光声系统"一束光测一种气"的限制。宽调谐EC-QCL与光频梳光源的引入，进一步拓展了可测组分范围。
人工智能赋能。 面对光谱重叠与温湿度漂移导致的交叉干扰，机器学习方法被用于多组分信号解混叠、零点漂移建模与浓度反演；边缘计算架构使诊断算法可下沉至现场装置端运行，实现从"测数据"到"出结论"的转变。
检测限的持续下探。 通过多次反射增强、高阶谐振腔设计、长时间平均（Allan方差意义上的最优积分时间）以及声探测器件品质因数的提升，当前先进系统的探测能力已普遍进入 ppb 量级，部分方案达到 sub-ppb 乃至 ppt 量级。
3、技术原理与系统构成
3.1 光声效应的物理机制
光声信号的产生遵循严格的能量转换链条：
第一步，选择性吸收。 当入射光的波长为 λ、强度经周期性调制时，气体中与光子能量匹配的分子发生能级跃迁（基态→激发态），吸收截面由分子本身决定，构成了光声光谱的固有选择性来源。
第二步，无辐射弛豫。 受激分子通过辐射跃迁或无辐射跃迁返回基态。在中红外波段，无辐射跃迁（振动—平动能量转移，V-T弛豫）占绝对主导，受激分子通过分子间碰撞将能量交给周围分子，表现为气体局部温度升高。
第三步，热致声波。 由于入射光被周期性调制，气体的温度起伏也是周期性的。在密闭光声池内，周期性温升引起气体周期性膨胀与收缩，形成与调制频率同步的压力波，即声波。
第四步，声电转换。 声传感器（电容驻极体传声器、MEMS光学麦克风、石英音叉或悬臂梁）将声压转换为电信号，经锁相放大与解调后输出与待测组分浓度成正比的信号。
该机制的独特之处在于：光声信号只来源于气体分子吸收的能量，探测的是"被吸收的光"而非"剩余的光"。因此它被形象地称为"零背景技术"——当待测气体不存在时，理论信号为零，不存在传统光谱法中由探测器暗电流、光源波动、背景光通量造成的基线"本底"，这是其高灵敏度的根本来源。
3.2 光声信号的定量描述
对非共振式光声池，麦克风输出信号 S 可表示为：
[SIGMA]S = Sm · F · P0 · c · α
式中：S_m 为传声器灵敏度；P_0 为入射光功率；F 为光声池常数，由腔体几何结构与声学边界条件决定；c 为待测气体体积分数；α 为气体在入射波长处的吸收系数。
该式揭示了四条提升灵敏度的基本途径：提高光源功率 P_0、优化光声池结构以增大池常数 F、选用高灵敏声探测器提升 S_m、选择吸收系数 α 更大的吸收谱线。对于共振式光声池，还需引入谐振品质因数 Q 的放大作用，其信号幅值可近似表示为与 Q 成正比的增强形式。
工程实践中，衡量系统能力的核心指标是归一化噪声等效吸收系数（NNEA）与最小可探测浓度（MDL）。前者剔除光源功率与腔体参数的影响，反映系统本征探测能力；后者以 Allan 方差评估在不同积分时间下的最优检测限，避免长时平均后的漂移主导。
3.3 系统的三大核心部件
激励光源单元。 包括光源本体与调制装置。常用光源有近红外DFB半导体激光器、中红外QCL/ICL、光参量振荡器（OPO）及宽带红外光源。调制方式分为机械调制（斩波器）、电流调制与波长调制，其中波长调制配合二次谐波（2f）解调可有效抑制低频漂移与背景噪声，是当前主流方案。
光声池与声探测单元。 光声池分为非共振式与共振式两类：非共振式结构简单、对调制频率不敏感，但池常数与品质因数较低；共振式利用腔体声学共振放大信号，灵敏度可比非共振式提升约一个数量级乃至更高。声探测器则从电容驻极体传声器发展到 MEMS 光学麦克风、石英音叉与悬臂梁干涉式探测器。
信号处理与反演单元。 通过锁相放大提取与调制频率同步的信号分量，配合温度、湿度与压力补偿模型进行浓度反演。在多组分场景下，还需构建光谱解混叠矩阵或引入机器学习模型，以抑制组分间交叉干扰。
3.4 灵敏度的理论边界与工程实现
从理论上讲，光声光谱的探测极限受限于三类噪声：光源相对强度噪声、气体分子布朗运动引起的热噪声，以及光声池壁与窗口吸收光能产生的背景声信号（即"贝尔效应"背景）。通过差分双池设计、声学滤波、以及将光声池与共振频率、调制频率精确匹配，可将背景噪声压制至热噪声水平。
1970年代克劳泽的估算认为理论极限可达 10⁻¹⁰ cm⁻¹ 量级吸收系数；随着中红外光源功率提升、腔体品质因数优化与探测器灵敏度改善，当前工程系统的归一化噪声等效吸收系数已普遍优于 10⁻⁹ cm·W·Hz⁻¹ᐟ² 量级，对应多种特征气体 ppb 级的检测能力。
4、与主流痕量气体检测技术的比较
表1从原理、选择性、检测限、响应速度、耗材需求与维护量等维度，对当前主流的六类痕量气体检测技术进行了系统比较。
| 维度 | 气相色谱(GC) | 非色散红外(NDIR) | 电化学/半导体 | TDLAS | 傅里叶红外(FTIR) | 光声光谱(PAS) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 检测原理 | 色谱分离+检测器定量 | 宽带红外吸收+窄带滤光 | 电化学反应/电阻变化 | 激光直接吸收 | 宽谱红外吸收+干涉解调 | 光声效应+声学探测 |
| 选择性 | 极高(色谱分离) | 低—中 | 低(交叉敏感) | 高(窄线宽) | 中—高 | 高(窄线宽可选) |
| 典型检测限 | 0.05—0.5 μL/L | ppm量级 | ppm量级 | ppb量级 | ppm—ppb量级 | ppb—sub-ppb量级 |
| 多组分能力 | 强(但耗时) | 弱 | 弱 | 中(需多光源) | 强 | 强(多光源/时分复用) |
| 响应时间 | 分钟—小时级 | 数十秒 | 数十秒 | 秒级 | 分钟级 | 秒—分钟级 |
| 载气/标气 | 必需载气+标气 | 不需要 | 不需要 | 不需要 | 不需要 | 不需要 |
| 色谱柱等耗材 | 必需 | 无 | 传感器寿命2—3年 | 无 | 无 | 无 |
| 体积与集成度 | 大(实验室仪器) | 小 | 小 | 中 | 大 | 中—小 |
| 长期漂移 | 需定期标定 | 中 | 大 | 小 | 中 | 小 |
比较结果呈现三个层次的结论。其一，气相色谱在选择性上仍具不可替代性，是标准方法的基础，但其对载气、标气与色谱柱的依赖决定了它难以胜任高频次、免维护的现场连续监测。其二，NDIR、电化学与半导体类传感器成本低、体积小，但选择性不足、漂移大、寿命有限，难以满足亚 ppm 级多组分精确分析。其三，TDLAS、FTIR 与光声光谱同属激光/光谱类技术，其中光声光谱凭借"信号正比于吸收能量而非光衰减"的机理，在同等光源功率下往往具备更高的信噪比，且无需长光程吸收池，装置体积更紧凑。
5、技术发展趋势
5.1 光源侧的演进：走向中红外与宽谱化
中红外分子指纹区是痕量气体检测的"富矿"。随着QCL/ICL外延工艺成熟与成本下降，中红外光源正从"实验室器件"转向"工业器件"。与之并行的是三条技术路线：一是宽调谐EC-QCL与量子级联探测器组合，实现单台设备覆盖多种气体；二是光频梳与双梳光谱技术，以宽谱、高分辨、高更新率的方式同时解析多种组分；三是空芯光纤与多次反射池，用以延长光与气体的相互作用长度。
5.2 声探测侧的演进：走向更高品质因数
QEPAS、悬臂梁光学麦克风与光纤法布里—珀罗声传感器是当前三条最活跃的探测路线。研究表明，通过对石英音叉进行结构重构——例如将其由"精密谐振子"改造为"钳式声换能器"，通过增大声学作用体积、降低阻尼损耗，可将溶解乙炔的检测限推进至 17 ppb（50 s 积分时间）。光纤声波传感器方面，基于钛膜的法布里—珀罗膜片式声传感器灵敏度已达 126.6 nm/Pa@110 Hz，无膜结构光纤麦克风则达到 315.3 nm/Pa@1000 Hz 量级。
5.3 系统侧的演进：走向微型化与多组分
MEMS工艺与三维打印技术使光声池从"加工件"变为"印刷件"，拓扑优化算法可在设计阶段直接求解给定约束下的最优腔型。多通道设计配合时分/波分复用，使单台设备在一个测量周期内同步输出多种组分，这是光声光谱相较TDLAS的重要比较优势。
5.4 算法侧的演进：走向智能化与自适应
光声信号与温度、湿度、压力高度耦合，光声池常数随工况漂移，这既是技术弱点，也是算法发挥作用的空间。当前研究集中于三个方向：一是建立温湿度相关的零点模型，实现背景信号的动态扣除；二是构建多组分解混叠模型，从相互重叠的响应中反演各组分浓度；三是引入深度学习方法进行非线性补偿与故障特征识别，使装置从"测量仪器"升级为"诊断终端"。
5.5 产业侧的演进：走向标准化与工程可靠
随着在线光声光谱分析设备在环境监测、电力、石化等领域规模化部署，行业关注点正从"能否测到"转向"能否长期可靠地测准"。设备通过 CMA/CNAS 计量认证、ATEX 等防爆认证，并被认定为省级首台（套）重大装备，标志着该技术已在部分专业领域完成从科研样机到工业产品的跨越。
6、行业应用现状
6.1 环境与大气监测
光声光谱被用于大气中 SO₂、NOx、CO₂、CH₄、NH₃ 等污染物的在线监测。其免载气、免预处理、可长期无人值守的特点，使分布式监测网络的布设成本显著下降。在温室气体监测与碳排放计量场景中，光声光谱对 CH₄、N₂O 等强吸收组分的 ppb 级探测能力，可支撑排放因子的精细化核算。有研究报告，采用光声光谱原理的监测方案相较传统方法可将测量精度提升约40%。
6.2 能源电力与工业安全
除变压器油中溶解气体监测（详见第7章）外，光声光谱还应用于：六氟化硫（SF₆）电气设备分解产物检测，用于气体绝缘设备内部放电诊断；氢能产业链中的氢气纯度与杂质检测；燃气管道与站场的泄漏巡检；煤矿瓦斯监测，可实现甲烷体积分数 0—5% 范围的实时监控，响应时间小于 500 ms。
6.3 生物医学
光声光谱在呼出气体分析中具有独特价值。人体呼出气中的挥发性有机化合物（VOCs）与代谢状态及多种疾病相关，光声光谱的 ppb 级检测能力与无需样品前处理的特性，使其成为肺癌等疾病无创筛查的研究热点。此外，近红外光声信号反演血液葡萄糖浓度、植物叶片光合作用效率研究等，也构成了活跃的交叉学科方向。
6.4 工业过程与特种场景
在石化行业，光声光谱用于工艺气组分在线分析与泄漏监测；在半导体行业，用于特种气体纯度检测与管路微漏检漏；在海关与粮食储运领域，用于熏蒸剂残留与储粮害虫代谢气体检测。这些场景的共同特征是：目标组分浓度低、基体复杂、要求免维护连续运行——恰好落在光声光谱的能力区间内。
7、光声光谱在变压器油中溶解气体监测中的创新应用
本章是全篇重点。变压器油中溶解气体分析是光声光谱技术在电力行业最具代表性的落地场景，也是该技术从"通用分析手段"演变为"专用工业装备"的关键突破口。
7.1 油中溶解气体分析的技术地位与判据体系
油浸式电力变压器以矿物绝缘油与绝缘纸（纤维素）构成复合绝缘体系。当设备内部出现异常时，局部高温或放电会使绝缘材料裂解：绝缘油裂解主要产生烃类气体（CH₄、C₂H₆、C₂H₄、C₂H₂）与氢气，绝缘纸裂解则主要产生 CO 与 CO₂。这些气体大部分溶解于油中，其组分与浓度组合即构成反映设备内部状态的"化学指纹"。表2归纳了典型故障类型与特征气体的对应关系。
| 故障类型 | 主要特征气体 | 典型温度/能量区间 | 诊断要点 |
|---|---|---|---|
| 低温过热(油) | CH₄、C₂H₆ | 150—300 ℃ | 总烃上升缓慢，乙炔通常不出现 |
| 中温过热(油) | C₂H₄、CH₄ | 300—700 ℃ | 乙烯占比升高，与甲烷比值增大 |
| 高温过热(油) | C₂H₄为主,含C₂H₂ | >700 ℃ | 出现乙炔，提示局部高温 |
| 固体绝缘过热 | CO、CO₂显著升高 | — | CO₂/CO 比值可用于辅助判断 |
| 局部放电 | H₂为主,少量CH₄ | 低能量 | 氢气含量上升，总烃增幅小 |
| 火花放电 | H₂、C₂H₂ | 中等能量 | 乙炔出现且增速较快 |
| 电弧放电 | H₂、C₂H₂、C₂H₄ | 高能量 | 乙炔与氢气同时急剧上升 |
围绕这一机理，国际与国内形成了完整的判据标准体系：IEC 60599 规定了溶解气体与游离气体分析的解释导则[3]，IEEE C57.104 给出了气体浓度状态分级方法，DL/T 722—2014 与 GB/T 7252 规定了我国变压器油中溶解气体分析与判断的具体要求。工程中最常用的诊断方法包括三比值法、罗杰斯比值法、杜瓦尔（Duval）三角图示法、大卫三角图示法以及总可燃气体（TDCG）评估法。需要注意的是，这些诊断方法均以七种（乃至九种）特征气体的准确、同步定量为前提——任何单一组分传感器都无法支撑完整判据的计算。
以 DL/T 722—2014 为例，对 220 kV 及以上电压等级运行中变压器，乙炔的注意值约为 5 μL/L，氢气约为 150 μL/L，总烃约为 150 μL/L；相对产气速率达到 10%/月即应引起关注。这意味着在线监测装置必须在大致 0.1—1 μL/L 的分辨能力下稳定工作，才能有效承担早期预警职能。
7.2 传统在线监测技术的固有局限
长期以来，在线DGA装置主要采用气相色谱原理，辅以少量电化学或半导体传感器方案。这些方案在现场应用中暴露出难以回避的结构性局限：
- 气相色谱方案：需要载气（高纯氮气或氩气）作为流动相，需要标气定期校准，色谱柱存在老化与失效问题。现场应用中，载气钢瓶更换、标气配置、色谱柱维护构成主要的运维负担与成本来源；一旦载气耗尽或色谱柱性能衰减，装置将直接失效或输出错误数据。
- 电化学与半导体方案：传感器对多种气体存在交叉敏感，输出信号受温湿度影响大，长期漂移显著，使用寿命通常仅为 2—3 年，且难以实现七组分完整测量，无法支撑三比值法与杜瓦尔三角法的完整计算。
- 实验室离线色谱：精度高、判据权威，但受取样周期限制（通常数月一次），无法捕捉突发性故障的发展过程——而变压器内部故障从萌芽到劣化往往只需数周。
由此形成一个长期未能妥善解决的技术困局：高精度需要色谱，高频率需要在线，而在线色谱又受制于耗材与维护。
7.3 光声光谱DGA的技术实现路径
光声光谱DGA装置的技术链条由四个环节构成。
（1）油气分离。 溶解于油中的气体必须先被提取至气相才能检测。工程实现方式包括动态顶空平衡法、真空脱气法与膜脱气法。动态顶空平衡法通过油样与气相的反复接触使溶解气体按亨利定律在气液两相间建立平衡，具有脱气效率稳定、结构紧凑、无半透膜老化问题的优势；真空脱气法脱气速度快，但对真空系统密封性要求高。脱气环节的效率一致性，是装置长期重复性的基础。
（2）多波长激励与光声检测。 依据待测组分选择相应吸收谱线：氢气因同核双原子分子无红外吸收，通常采用间接测量方式（如通过载气平衡或专用检测通道）；CH₄、C₂H₆、C₂H₄、C₂H₂、CO、CO₂ 等具有特征红外吸收的组分，可分别采用近红外DFB激光器或中红外QCL进行激励。中红外QCL方案因吸收线强度高出近红外2—3个数量级，在同等光声池条件下可获得更低的检测限，是"超灵敏型"装置的主流选择。
（3）温湿度补偿与零点模型。 光声池内静态温度与湿度不仅影响声速与谐振频率，还会影响传声器输出，并引入与待测组分无关的零点信号。工程上通过主动恒温控制（如将光声腔温度稳定在50 ℃附近，波动控制在±0.5%以内）、湿度补偿算法与零点模型建立，实现背景信号的动态扣除。研究表明，光声池内压力平衡孔的位置对传声器与池体的耦合灵敏度有显著影响，通过优化结构与建立湿度相关的零点模型，可在不同湿度条件下准确提取 ppm 级乙炔的有效信号。
（4）判据输出与数据融合。 检测结果输入内置的 IEC 60599 判据引擎，自动完成三比值、杜瓦尔三角、大卫三角等诊断计算，并通过 IEC 61850、MODBUS 等协议上传至站端或主站系统。
7.4 创新应用的五个要点
综合技术机理与工程实现，光声光谱DGA相较传统方案具有以下五项具有本质意义的创新。
创新点一：零背景探测带来检测能力数量级跃升。 由于光声信号正比于被吸收的光能而非光的衰减，系统可在无本底基线的条件下工作，从而获得极高的信噪比。近年基于时分复用石英增强光声光谱的研究，在仅约 1.6 mL 气室容积下，对油中溶解乙炔与甲烷同时实现了约 15 ppb 与 0.3 ppm 的最小检测限，比相关行业标准规定阈值低 2—3 个数量级[23]。钳式QEPAS方案在 50 s 积分时间内对溶解乙炔的检测限达到 17 ppb，与实验室气相色谱相当，但具备现场、快速的能力。对油中溶解一氧化碳的研究同样显示，采用主动光声腔结构可将检测限从 39 mg/m³ 推进至 1 mg/m³，采用QEPAS方案进一步达到 0.37 mg/m³。检测能力的数量级提升，直接转化为故障预警时间的提前——ppb 级探测能力意味着可以比传统方法提早数周甚至数月发现潜伏性缺陷。
创新点二：无载气、无标气、无色谱柱，实现真正免维护。 这是光声光谱DGA最具产业革命性的特征。装置仅依赖激光光源与声探测器完成测量，不需要载气作为流动相，不需要标气进行周期性校准，不需要色谱柱进行组分分离，从根本上取消了在线色谱装置的全部耗材链条。以商用装置为例，其设计要求即为"无载气与标气需求、长使用寿命与最小维护量"，现场验证系统已在全球九十余个国家部署超过八千套，可支持每小时一次的采样频次。
创新点三：单周期多组分同步定量，支撑完整判据计算。 通过多波长光源与时分/波分复用架构，装置可在一个采样周期内一次性完成氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳七种特征气体及微水含量的检测。这使三比值法、杜瓦尔三角法等需要多组分数据支撑的诊断方法得以在线实时运行，装置从"报警器"升级为"诊断系统"。
创新点四：窄线宽波长选择有效抑制交叉干扰。 烃类气体在红外波段存在大量重叠吸收带，尤其是乙烯与乙烷的结构相似性，是传统宽带光声系统的主要误差来源。采用窄线宽半导体激光器后，激励光谱宽度远小于吸收线间距，配合声学谐振滤波，可在原理层面实现组分间的有效甄别。这一特性使光声光谱方案在"纯物理方法"的框架下同时获得了选择性与灵敏度。
创新点五：全物理测量与长周期稳定性。 装置不包含化学消耗型敏感元件，不存在电化学传感器必然面临的活性衰减与漂移问题。配合光声腔主动恒温、动态湿度补偿与多级滤波算法，系统可在复杂电磁与气候环境下保持稳定输出；工程数据表明，装置线性度误差可控制在±1%以内，光声腔体寿命超过5年，系统整体设计寿命可达 8—10 年。
7.5 成效与优势的量化比较
表3从工程指标维度对两类在线DGA装置进行了对比，表4给出了代表性商用装置的技术指标。
| 对比维度 | 气相色谱法在线DGA | 光声光谱法在线DGA |
|---|---|---|
| 分离机理 | 色谱柱分离+检测器 | 窄线宽激光选择性激励 |
| 载气需求 | 必需(高纯N₂/Ar) | 不需要 |
| 标气需求 | 需定期标定 | 不需要 |
| 色谱柱/耗材 | 必需且需定期更换 | 无 |
| 单次测量组分 | 多组分,但单次周期长 | 一个周期内七组分+微水同步 |
| 采样周期 | 数小时至一天 | 可短至1小时 |
| 维护工作量 | 高(换气瓶/标定/换柱) | 低(基本免维护) |
| 测量原理 | 化学/物理分离 | 纯物理光学 |
| 典型设计寿命 | 受耗材与色谱柱制约 | 8—10年 |
| 检测能力 | 实验室级 | ppb级,与实验室色谱相当 |
| 参数 | 近红外激光光声光谱型 | 中红外量子级联激光光声光谱型 |
|---|---|---|
| 技术原理 | 近红外激光光声光谱 | 中红外QCL光声光谱 |
| 检测组分 | H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆及微水 | H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆及微水 |
| 乙炔C₂H₂最小可检量 | 0.2 μL/L | 0.2 μL/L |
| 乙烯C₂H₄最小可检量 | 0.5 μL/L | 0.5 μL/L |
| 甲烷CH₄最小可检量 | 0.5 μL/L | 0.5 μL/L |
| 乙烷C₂H₆最小可检量 | 0.5 μL/L | 0.5 μL/L |
| 氢气H₂最小可检量 | 2 μL/L | 2 μL/L |
| 一氧化碳CO最小可检量 | 25 μL/L | 25 μL/L |
| 二氧化碳CO₂最小可检量 | 25 μL/L | 25 μL/L |
| 最小采样周期 | 1小时 | 1小时 |
| 耗材需求 | 无需标气、载气 | 无需标气、载气 |
| 执行标准 | DL/T 1498.2—2016 A类 | DL/T 1498.2—2016 A类 |
需要说明的是，上述指标为代表性装置的公开技术参数，实际工程性能还取决于油气分离效率、现场环境条件与安装方式。在部分公开报道的商用PAS方案中，对氢气的检测范围为 5—5000 μL/L，乙炔为 0.5—50000 μL/L，乙烯、一氧化碳、甲烷、乙烷、二氧化碳的测量上限均可达数万 μL/L，水分测量覆盖 0—99% 相对饱和度，测量准确度以±5%或检测精度中较宽者为准，采样频率最高可达每小时一次。
7.6 应用意义
技术意义：实现高端在线监测装备核心器件的自主可控。 光声光谱DGA装置的三大核心部件——光源、光声池与声探测器——均属高端光学传感器件，长期依赖进口。近年来，国内研究机构与企业通过产学研协同，在光源设计、光声池与镜片薄膜设计及镀膜工艺、MEMS光声探测器及其量产工艺等方面实现了核心器件的自主国产化，为电力行业关键监测装备的供应链安全提供了保障。
经济意义：显著降低全生命周期运维成本。 传统在线色谱装置的成本结构是"设备购置成本 + 持续耗材与人工成本"，而后者在装置全生命周期内往往超过前者。光声光谱方案取消了载气、标气与色谱柱的持续消耗，并因免维护特性大幅减少了现场巡检与标定工作量。同时，安装过程无需变压器停电，避免了停电带来的直接与间接损失。更重要的是，早期缺陷的及时识别可避免变压器灾难性故障——一台大型电力变压器的损坏不仅意味着设备本体损失，还伴随停电损失、替代供电成本与检修周期带来的连锁影响。
安全意义：提升电网运行的可靠性。 变压器是电网中难以快速替换的关键资产，其故障具有突发性与连锁性。光声光谱在线DGA装置以小时级的采样周期持续监视设备内部状态，使运维模式从"定期离线检测"转向"连续在线感知"，从"事后抢修"转向"事前预警"，为状态检修与预测性维护提供了可靠的数据基础。
战略意义：支撑新型电力系统与"双碳"目标。 在新能源高比例接入的背景下，变压器面临更频繁的负荷波动、更复杂的谐波与过电压工况，其热应力与绝缘老化风险显著上升。对变压器群体实施低成本、高可靠的状态感知，是保障新能源大规模外送与电网安全稳定运行的必要条件。同时，延长设备使用寿命、减少设备更换与报废，本身就构成电力行业节能减排的重要路径，与"双碳"目标高度契合。
7.7 挑战与展望
尽管优势显著，光声光谱DGA技术仍面临若干需要持续攻克的科学问题与工程挑战。
其一，光声池温压特性建模。 光声池常数 F 与温度、压力、湿度均相关，现场工况波动会引入系统性偏差。建立精确的池常数—工况耦合模型，并通过实测数据持续校正，是提升长期准确度的关键。
其二，交叉干扰的彻底解耦。 尽管窄线宽光源已大幅抑制光谱重叠，但在高浓度差场景（如乙炔浓度极低而甲烷浓度很高）下，微弱信号的准确提取仍具挑战。多波长冗余测量与机器学习解混叠模型的结合是重要方向。
其三，量值溯源与标准一致性。 在线装置与实验室气相色谱法之间的数据一致性，直接关系到运维人员对判据的信任。需要建立覆盖全量程的标准化比对方法与校准体系。
其四，极端环境可靠性。 变电站户外环境存在剧烈温变、强电磁干扰、湿度与粉尘等多重应力，装置的长期稳定性仍需通过大规模现场数据积累加以验证。
展望未来，光声光谱DGA技术可能沿着三个方向发展：一是探测能力的进一步下探与多组分通道的扩展，覆盖更多特征组分与痕量标志物；二是与边缘计算、数字孪生技术深度融合，使装置不仅输出气体浓度，更直接输出设备健康状态评估与剩余寿命预测；三是与其他非电量监测手段（油温、绕组温度、局部放电、振动）的数据融合，构建变压器多维状态感知体系。
8、结论
本文系统梳理了光声光谱技术自1880年贝尔发现光声效应以来一百四十余年的演进历程，阐明了其"光—热—声"能量转换的物理机理与系统构成，比较了其与主流痕量气体检测技术的性能边界，分析了光源、声探测、微型化与智能化四个维度的技术趋势，并概述了其行业应用现状。
研究表明，光声光谱技术之所以能够历经两次沉寂后实现复兴并最终实现产业化，根本原因在于其"零背景探测"机理与激光光源、高灵敏声探测器、智能信号处理技术的深度耦合。在变压器油中溶解气体监测领域，这一技术组合产生了超越传统方案的结构性优势：以 ppb 级检测能力替代 ppm 级分辨能力，以"零耗材"替代载气、标气与色谱柱的持续消耗，以单周期多组分同步定量替代耗时长、依赖分离的色谱分析。
综合来看，光声光谱技术在在线DGA领域实现了三重跃迁：在测量层面，将故障气体检测从"实验室周期性抽检"推进到"现场连续在线感知"；在运维层面，将变压器检修策略从"定期维护"推向"状态检修与预测性维护"；在产业层面，推动了电力关键监测装备核心器件的自主可控。其对电网安全运行、资产全生命周期经济性以及新型电力系统建设的支撑作用，正随着装置部署规模的扩大而持续显现。
参考文献
[1] Bell A G. On the production and reproduction of sound by light[J]. American Journal of Science, 1880, 20(118): 305-324.
[2] Rosencwaig A, et al. Photoacoustics: a historical review[J]. Advances in Optics and Photonics, 2016, 8(4): 586-617.
[3] IEC 60599:2022 Mineral oil-filled electrical equipment in service—Guidance on the interpretation of dissolved and free gases analysis[S]. Geneva: International Electrotechnical Commission, 2022.
[4] Tyndall J. Action of an intermittent beam of radiant heat upon gaseous matter[J]. Proceedings of the Royal Society of London, 1881, 31: 307-317.
[5] Röntgen W C. On tones produced by the intermittent irradiation of a gas[J]. Philosophical Magazine, 1881, 11(68): 308-311.
[6] Luft K F. Über eine neue Methode der registrierenden Gasanalyse mit Hilfe der Absorption ultraroter Strahlen ohne spektrale Zerlegung[J]. Zeitschrift für technische Physik, 1943, 24: 97-104.
[7] Harren F J M, Cotti G, Oomens J, et al. Photoacoustic spectroscopy in trace gas monitoring[M]//Encyclopedia of Analytical Chemistry. Chichester: John Wiley & Sons, 2000.
[8] Kerr E L, Atwood J G. The laser illuminated absorptivity spectrophone: a method for measurement of weak absorptivity in gases at laser wavelengths[J]. Applied Optics, 1968, 7(5): 915-921.
[9] Kreuzer L B. Ultralow gas concentration infrared absorption spectroscopy[J]. Journal of Applied Physics, 1971, 42(7): 2934-2943.
[10] Rosencwaig A, Gersho A. Theory of the photoacoustic effect with solids[J]. Journal of Applied Physics, 1976, 47(1): 64-69.
[11] Faist J, Capasso F, Sivco D L, et al. Quantum cascade laser[J]. Science, 1994, 264(5158): 553-556.
[12] Miklós A, Hess P, Bozóki Z. Application of acoustic resonators in photoacoustic trace gas analysis and metrology[J]. Review of Scientific Instruments, 2001, 72(4): 1937-1955.
[13] Kosterev A A, Bakhirkin Yu A, Curl R F, et al. Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy[J]. Optics Letters, 2002, 27(21): 1902-1904.
[14] Kauppinen J, Wilcken K, Kauppinen I, et al. High sensitivity in gas analysis with photoacoustic detection[J]. Microchemical Journal, 2004, 76(1-2): 151-159.
[15] 张博, 等. 光声光谱多组分气体检测技术研究进展[J]. 光谱学与光谱分析, 2022, 42(1): 1-9.
[16] Wu H, Dong L, Zheng H, et al. Beat frequency quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy for fast and calibration-free continuous trace-gas monitoring[J]. Nature Communications, 2017, 8: 15331.
[17] Ma Y, Lewicki R, Razeghi M, et al. QEPAS based ppb-level detection of CO and N₂O using a high power CW DFB-QCL[J]. Optics Express, 2013, 21(1): 1008-1019.
[18] Qian Y, et al. Clamp-type quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy for ppb-level dissolved acetylene detection in transformer oil[J]. Photonics, 2026.
[19] IEEE C57.104-2019 Guide for the interpretation of gases generated in mineral oil-immersed transformers[S]. New York: IEEE, 2019.
[20] DL/T 722—2014 变压器油中溶解气体分析和判断导则[S]. 北京: 中国电力出版社, 2014.
[21] GB/T 7252—2001 变压器油中溶解气体分析和判断导则[S]. 北京: 中国标准出版社, 2001.
[22] Analysis of microphone coupling and zero-point calibration model for non-resonant photoacoustic spectroscopy[J]. Photoacoustics, 2024.
[23] Dai J, Zhang Y, Wang J, et al. Simultaneous dissolved gas analysis in transformer oil via time-division-multiplexed quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy[J]. Analytical Chemistry, 2026.
[24] DL/T 1498.2—2016 变电设备在线监测装置技术规范 第2部分: 变压器油中溶解气体在线监测装置[S]. 北京: 中国电力出版社, 2016.
[25] GB/T 17623—2017 绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法[S]. 北京: 中国标准出版社, 2017.
