应用案例

实验名称：基于非绝热微纳光纤的绝缘油中C2H2模间PTI传感检测实验

研究方向：绝缘油乙炔检测、非绝热微纳光纤、模间光热干涉PTI、光热相位调制、倏逝场传感、HE₁₁/HE₁₂双模干涉、波长调制二次谐波2f解调、变压器溶解气体分析、共模噪声抑制、光纤气体传感

实验目的：传统气相色谱、半导体传感、TDLAS乙炔检测手段存在器件老化、环境噪声干扰、响应慢、抗扰动差等缺陷，乙炔是变压器电弧放电故障核心特征气体，亟需高精度在线检测方案；本文搭建非绝热微纳光纤模间光热干涉传感平台，通过仿真确定最优光纤腰区尺寸，系统测试检测下限、线性量程、响应速度、选择性、温漂、抗振与长期稳定性，验证该共径双模干涉结构依靠强倏逝场与共模噪声抑制能力，实现绝缘油中痕量乙炔高灵敏、稳定、快速检测，为电力变压器故障在线监测提供新型光纤传感方案。

测试设备：信号发生器、激光控制器、DFB激光器、EDFA掺铒光纤放大器、光隔离器、TF可调谐滤波器、NLL窄线宽激光器、光隔离器、PC偏振控制器、PD1光电探测器、PD2光电探测器、LIA锁相放大器、DAQ数据采集卡、计算机等。

图1实验系统示意图

实验过程：先通过数值仿真求解微纳光纤模式截止条件、倏逝场能量占比与相位调制系数，确定2μm为最优腰区直径；搭建完整模间光热干涉实验平台，利用MFC配置10~20000μL/L多梯度乙炔标准混合气通入气室，依次开展调制频率、泵浦功率优化实验，采集不同工况下2f谐波信号；完成检测限标定并通过Allan-Werle分析获得长积分下极限检测浓度，测试全量程浓度线性关系、系统15s动态响应特性；通入变压器多种故障特征气体完成交叉干扰选择性实验，施加5–500Hz随机振动验证抗振性能，5–80℃变温测试温漂并引入温度补偿算法；最后持续6h通入恒定浓度乙炔完成长期稳定性测试，全程由锁相放大器解调2f信号、采集卡传输数据，计算机完成所有数据处理与性能对比。

实验结果：仿真证明腰径2μm光纤仅传输HE₁₁、HE₁₂双模，模间干涉抑制环境噪声能力是单模检测的4倍，7kHz调制下相位调制系数为中空波导的100倍；实验最优调制频率7kHz、泵浦功率67mW，1s积分检测限0.269μL/L，232s积分下最低检测限达0.045μL/L；10–20000μL/L宽浓度区间2f信号与乙炔浓度线性拟合优度R²=0.999，系统响应时间15s；H₂、CO、CH₄等多种共存故障气体无明显交叉干扰，随机振动下信号无漂移；5–80℃原始信号随温升下降49%，经温度补偿后最大波动降至2.5%；连续6h运行信号波动仅2.7%，综合灵敏度、量程、稳定性优于多数传统TDLAS、光声、空芯光纤传感方案。

锁相放大器在此应用中的产品优势：

锁相放大器接收光电探测器转换后的微弱干涉电信号，基于泵浦光7kHz调制频率开展相敏检测，滤除环境杂散光、电路热噪声、低频漂移等无关背景噪声，精准提取携带乙炔光热相位信息的二次谐波（2f）幅值信号，输出纯净谐波数据至数据采集卡，为乙炔浓度定量反演、系统各项性能指标计算提供高信噪比核心原始信号。

【推荐产品】：ATA-5810锁相放大器

图：ATA-5810锁相放大器指标参数

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