CN114062276B - 一种光纤光声传感的温度自补偿方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤光声传感的温度自补偿方法及装置，所述方法包括：获取光声压力波信号表达式，分析光声压力波信号对温度的依赖关系，并调节激光调制参数，使检测到的光声信号不随温度变化，从而实现温度自补偿，所述激光调制参数包括调制系数、光频率调制幅度、调制频率；本发明的优点在于：通过优化激光的光频率调制幅度和调制频率参数，即可使激发的光声信号几乎不受环境温度的影响，在没有额外增加光纤温度传感器的情况下，实现了温度自补偿。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤光声传感的温度自补偿方法，更具体涉及一种光纤光声传感的温度自补偿方法及装置。
背景技术
对电气绝缘设备中的故障特征气体分析中，通常采用气相色谱和光声光谱技术。其中，光声光谱技术因其具有灵敏度高、免维护的特点，正逐步替代气相色谱法。然而，高电压电气绝缘设备附近的强电磁环境使得传统的光声光谱装置易受干扰，影响了变压器油中溶解气体浓度测量的稳定性和可靠性。
光纤光声传感是一种新的微量气体检测技术，其基本原理是利用光纤声波传感器件检测气体吸收产生的光声压力波信号，具有抗电磁干扰、远距离测量、可分布传感等多诸多优点。文献Chen Ke,Guo Min,Liu Shuai,et al.Fiber-optic photoacoustic sensorfor remote monitoring of gas micro-leakage[J].Optics express,2019,27(4):4648-4659报道了一种微型的光纤光声气体传感器，激光通过光纤传输到光声探头中，扩散到探头中的目标气体吸收激光能量产生光声信号，宽谱的探测光经另外一根光纤传输到探头中，被悬臂梁反射后的信号光被高速光纤光谱仪探测，通过测量干涉光的相位变化实现对光声信号的解调。光声激发光和光声探测光均采用光纤传输，实现了光声探头的无源化和微型化。可将光纤光声传感器用于石化厂区气体泄漏、变压器油中溶解气体分析、气体绝缘设备在线监测等应用中。然而，光纤光声传感器在应用中存在易受环境温度影响的问题，严重影响了气体浓度的测量精度。对于传统的光声池可采用恒温控制的方法消除环境温度变化的影响，而对于采用光纤光声传感器进行远距离气体探测的应用，难以对光纤光声传感器进行恒温控制。此外，在光纤光声传感器中增加一个光纤温度传感器的方法也会大幅度增加系统的复杂度和成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术光纤光声气体传感方法受环境温度影响，严重影响了气体浓度的测量精度的问题。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种光纤光声传感的温度自补偿方法，所述方法包括：
获取光声压力波信号表达式，分析光声压力波信号对温度的依赖关系，并调节激光调制参数，使检测到的光声信号不随温度变化，从而实现温度自补偿，所述激光调制参数包括调制系数、光频率调制幅度、调制频率。
本发明分析光声压力波信号对温度的依赖关系，并调节激光调制参数，使检测到的光声信号不随温度变化，从而实现温度自补偿，不需要额外增加温度传感器对温度进行补偿，只需要设置合适的激光调制参数，即可实现温度自补偿，本发明光纤光声气体传感方法不受环境温度影响，不影响气体浓度的测量精度。
进一步地，所述获取光声压力波信号表达式包括：
采用波长调制技术激发光声信号，并采用二次谐波检测技术探测光声信号，产生的光声压力波信号表示为
式中，T是温度，f是激光的波长调制频率，A是二次谐波系数，γ是待测气体的热容比，P是入射到光纤光声传感器中的激光功率，α是吸收系数，C是气体浓度，r是光纤光声传感器中圆柱形气室的半径，τ是热驰豫时间；
τ(T)表示为：
式中，ρ是气体的密度，D是热扩散率；
A(T)表示为：
式中，H2是二次谐波傅立叶系数，m是调制系数，△v是气体吸收谱宽；
H2表示为：
式中，R和m分别表示为：
R＝1+m2 (5)
式中，△vl是激光的光频率调制幅度。
更进一步地，所述分析光声压力波信号对温度的依赖关系包括：
根据式(1)-(6)，温度可改变气体的热容比、吸收系数、密度、热扩散率和吸收谱宽，进而影响光声信号的强度，温度升高会使热熔比γ(T)、气体吸收谱宽△v(T)减小，导致光声信号减弱，根据式(6)，m(T)随着温度的升高而增大，通过控制激光的光频率调制幅度△vl，使A(T)随着温度升高而增大，从而反向消除温度升高对光声信号的衰减效应，即减小式(1)中对温度的相关性，另外，温度的升高会减小气体的密度从而减小热驰豫时间τ(T)，根据式(1)中的热驰豫项/>低频的光声信号受热驰豫时间的影响较大，因此，能通过调节调制频率，减小温度对于热驰豫效应的影响。
更进一步地，所述调节激光调制参数，使检测到的光声信号不随温度变化，从而实现温度自补偿，包括：
步骤S1，获得不同温度下的待测气体吸收谱线；
步骤S2，计算不同温度下吸收谱线的谱宽；
步骤S3，确定激光的光频率调制幅度；
步骤S4，确定激光的调制频率。
更进一步地，所述不同温度分别为-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃和50℃。
更进一步地，所述待测气体吸收谱线的获取方式为：查找相关数据库中的吸收谱线或者实验测量待测气体的吸收谱线。
更进一步地，所述计算不同温度下吸收谱线的谱宽具体为：分别计算-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃和50℃温度下吸收谱线的半高全宽。
更进一步地，所述确定激光的光频率调制幅度具体为：
根据式(3)-(6)，绘制出-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃和50℃温度下随光频率调制幅度△vl变化的曲线，找出不同温度下各个曲线的交点，该交点对应的△vl即是光纤光声传感系统中实际需要采用的激光调制幅度△vl0。
更进一步地，所述确定激光的调制频率具体为：
利用已经确定的实际需要采用的激光调制幅度△vl0并根据式(1)绘制-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃和50℃温度下光声压力波信号随频率变化的曲线，频率范围10-500Hz，同一频率下计算不同温度对应的光声压力波信号的标准差，标准差最小的时候对应的频率为最终确定的激光的调制频率。
本发明还提供一种光纤光声传感的温度自补偿装置，所述装置包括：
建模模块，用于获取光声压力波信号表达式；
分析模块，用于分析光声压力波信号对温度的依赖关系；
调节模块，用于调节激光调制参数，使检测到的光声信号不随温度变化，从而实现温度自补偿，所述激光调制参数包括调制系数、光频率调制幅度、调制频率。
进一步地，所述获取光声压力波信号表达式包括：
采用波长调制技术激发光声信号，并采用二次谐波检测技术探测光声信号，产生的光声压力波信号表示为
式中，T是温度，f是激光的波长调制频率，A是二次谐波系数，γ是待测气体的热容比，P是入射到光纤光声传感器中的激光功率，α是吸收系数，C是气体浓度，r是光纤光声传感器中圆柱形气室的半径，τ是热驰豫时间；
τ(T)表示为：
式中，ρ是气体的密度，D是热扩散率；
A(T)表示为：
式中，H2是二次谐波傅立叶系数，m是调制系数，△v是气体吸收谱宽；
H2表示为：
式中，R和m分别表示为：
R＝1+m2 (5)
式中，△vl是激光的光频率调制幅度。
更进一步地，所述分析光声压力波信号对温度的依赖关系包括：
根据式(1)-(6)，温度可改变气体的热容比、吸收系数、密度、热扩散率和吸收谱宽，进而影响光声信号的强度，温度升高会使热熔比γ(T)、气体吸收谱宽△v(T)减小，导致光声信号减弱，根据式(6)，m(T)随着温度的升高而增大，通过控制激光的光频率调制幅度△vl，使A(T)随着温度升高而增大，从而反向消除温度升高对光声信号的衰减效应，即减小式(1)中对温度的相关性，另外，温度的升高会减小气体的密度从而减小热驰豫时间τ(T)，根据式(1)中的热驰豫项/>低频的光声信号受热驰豫时间的影响较大，因此，能通过调节调制频率，减小温度对于热驰豫效应的影响。
更进一步地，所述调节激光调制参数，使检测到的光声信号不随温度变化，从而实现温度自补偿，包括：
步骤S1，获得不同温度下的待测气体吸收谱线；
步骤S2，计算不同温度下吸收谱线的谱宽；
步骤S3，确定激光的光频率调制幅度；
步骤S4，确定激光的调制频率。
更进一步地，所述不同温度分别为-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃和50℃。
更进一步地，所述待测气体吸收谱线的获取方式为：查找相关数据库中的吸收谱线或者实验测量待测气体的吸收谱线。
更进一步地，所述计算不同温度下吸收谱线的谱宽具体为：分别计算-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃和50℃温度下吸收谱线的半高全宽。
更进一步地，所述确定激光的光频率调制幅度具体为：
根据式(3)-(6)，绘制出-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃和50℃温度下随光频率调制幅度△vl变化的曲线，找出不同温度下各个曲线的交点，该交点对应的△vl即是光纤光声传感系统中实际需要采用的激光调制幅度△vl0。
更进一步地，所述确定激光的调制频率具体为：
利用已经确定的实际需要采用的激光调制幅度△vl0并根据式(1)绘制-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃和50℃温度下光声压力波信号随频率变化的曲线，频率范围10-500Hz，同一频率下计算不同温度对应的光声压力波信号的标准差，标准差最小的时候对应的频率为最终确定的激光的调制频率。
本发明的优点在于：
(1)本发明分析光声压力波信号对温度的依赖关系，调节激光调制参数，使检测到的光声信号不随温度变化，从而实现温度自补偿，不需要额外增加温度传感器对温度进行补偿，只需要设置合适的激光调制参数，即可实现温度自补偿，本发明光纤光声气体传感方法不受环境温度影响，不影响气体浓度的测量精度。
(2)本发明只需要调制激光调制参数，使系统工作在温度不敏感的工作频率内，进而使光纤光声气体传感器不受环境温度影响，检测到的光声信号不随温度变化，从而实现温度自补偿。
附图说明
图1为本发明实施例所公开的一种光纤光声传感的温度自补偿方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种光纤光声传感的温度自补偿方法，所述方法包括：
采用波长调制技术激发光声信号，并采用二次谐波检测技术探测光声信号，产生的光声压力波信号表示为
式中，T是温度，f是激光的波长调制频率，A是二次谐波系数，γ是待测气体的热容比，P是入射到光纤光声传感器中的激光功率，α是吸收系数，C是气体浓度，r是光纤光声传感器中圆柱形气室的半径，τ是热驰豫时间；
τ(T)表示为：
式中，ρ是气体的密度，D是热扩散率；
A(T)表示为：
式中，H2是二次谐波傅立叶系数，m是调制系数，△v是气体吸收谱宽；
H2表示为：
式中，R和m分别表示为：
R＝1+m2 (5)
式中，△vl是激光的光频率调制幅度。
根据式(1)-(6)可知，温度可改变气体的热容比、吸收系数、密度、热扩散率和吸收谱宽，进而影响光声信号的强度。温度升高会使热熔比γ(T)、气体吸收谱宽△v(T)减小，导致光声信号减弱。根据式(6)，m(T)随着温度的升高而增大，通过控制△vl，使A(T)随着温度升高而增大，从而可以反向消除温度升高对光声信号的衰减效应，即减小式(1)中对温度的相关性。此外，温度的升高会减小气体密度从而减小热驰豫时间τ(T)，根据式(1)中的热驰豫项/>低频的光声信号受热驰豫时间的影响较大，因此，可通过调节调制频率，从而减小温度对于热驰豫效应的影响。
以上已经得出了光声压力波信号对温度的依赖关系，以下通过调节激光器控制参数，使激发的光声信号的幅度几乎不受环境温度影响，提高光纤光声传感的气体浓度测量精度，如图1所示，具体过程包括：
步骤S1，获得不同温度下的待测气体吸收谱线：通过查找相关数据库中的吸收谱线或者实验测量待测气体的吸收谱线，温度选择-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃和50℃；
步骤S2，计算不同温度下吸收谱线的谱宽：分别计算-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃和50℃温度下吸收谱线的半高全宽；
步骤S3，确定激光的光频率调制幅度：根据式(3)-(6)，绘制出-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃和50℃温度下随光频率扫描范围△vl变化的曲线，找出不同温度下各个曲线的交点，该交点对应的△vl即是光纤光声传感系统中实际需要采用的激光调制幅度△vl0；
步骤S4，确定激光的调制频率：利用已经确定的实际需要采用的激光调制幅度△vl0并根据式(1)绘制-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃和50℃温度下光声压力波信号随频率变化的曲线，频率范围10-500Hz，同一频率下计算不同温度对应的光声压力波信号的标准差，标准差最小的时候对应的频率为最终确定的激光的调制频率。
通过以上技术方案，本发明通过优化激光的光频率调制幅度和调制频率参数，即可使激发的光声信号几乎不受环境温度的影响，在没有额外增加光纤温度传感器的情况下，实现了温度自补偿，为基于光纤光声传感的高精度气体浓度测量提供了一种极具竞争力的技术方案。
实施例2
基于实施例1，本发明实施例2还提供一种光纤光声传感的温度自补偿装置，所述装置包括：
建模模块，用于获取光声压力波信号表达式；
分析模块，用于分析光声压力波信号对温度的依赖关系；
调节模块，用于调节激光调制参数，使检测到的光声信号不随温度变化，从而实现温度自补偿，所述激光调制参数包括调制系数、光频率调制幅度、调制频率。
具体的，所述获取光声压力波信号表达式包括：
采用波长调制技术激发光声信号，并采用二次谐波检测技术探测光声信号，产生的光声压力波信号表示为
式中，T是温度，f是激光的波长调制频率，A是二次谐波系数，γ是待测气体的热容比，P是入射到光纤光声传感器中的激光功率，α是吸收系数，C是气体浓度，r是光纤光声传感器中圆柱形气室的半径，τ是热驰豫时间；
τ(T)表示为：
式中，ρ是气体的密度，D是热扩散率；
A(T)表示为：
式中，H2是二次谐波傅立叶系数，m是调制系数，△v是气体吸收谱宽；
H2表示为：
式中，R和m分别表示为：
R＝1+m2 (5)
式中，△vl是激光的光频率调制幅度。
更具体的，所述分析光声压力波信号对温度的依赖关系包括：
根据式(1)-(6)，温度可改变气体的热容比、吸收系数、密度、热扩散率和吸收谱宽，进而影响光声信号的强度，温度升高会使热熔比γ(T)、气体吸收谱宽△v(T)减小，导致光声信号减弱，根据式(6)，m(T)随着温度的升高而增大，通过控制激光的光频率调制幅度△vl，使A(T)随着温度升高而增大，从而反向消除温度升高对光声信号的衰减效应，即减小式(1)中对温度的相关性，另外，温度的升高会减小气体的密度从而减小热驰豫时间τ(T)，根据式(1)中的热驰豫项/>低频的光声信号受热驰豫时间的影响较大，因此，能通过调节调制频率，减小温度对于热驰豫效应的影响。
更具体的，所述调节激光调制参数，使检测到的光声信号不随温度变化，从而实现温度自补偿，包括：
步骤S1，获得不同温度下的待测气体吸收谱线；
步骤S2，计算不同温度下吸收谱线的谱宽；
步骤S3，确定激光的光频率调制幅度；
步骤S4，确定激光的调制频率。
更具体的，所述不同温度分别为-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃和50℃。
更具体的，所述待测气体吸收谱线的获取方式为：查找相关数据库中的吸收谱线或者实验测量待测气体的吸收谱线。
更具体的，所述计算不同温度下吸收谱线的谱宽具体为：分别计算-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃和50℃温度下吸收谱线的半高全宽。
更具体的，所述确定激光的光频率调制幅度具体为：
根据式(3)-(6)，绘制出-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃和50℃温度下随光频率调制幅度△vl变化的曲线，找出不同温度下各个曲线的交点，该交点对应的△vl即是光纤光声传感系统中实际需要采用的激光调制幅度△vl0。
更具体的，所述确定激光的调制频率具体为：
利用已经确定的实际需要采用的激光调制幅度△vl0并根据式(1)绘制-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃和50℃温度下光声压力波信号随频率变化的曲线，频率范围10-500Hz，同一频率下计算不同温度对应的光声压力波信号的标准差，标准差最小的时候对应的频率为最终确定的激光的调制频率。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种光纤光声传感的温度自补偿方法，其特征在于，所述方法包括：
获取光声压力波信号表达式，分析光声压力波信号对温度的依赖关系，并调节激光调制参数，使检测到的光声信号不随温度变化，从而实现温度自补偿，所述激光调制参数包括调制系数、光频率调制幅度、调制频率；
所述获取光声压力波信号表达式包括：
采用波长调制技术激发光声信号，并采用二次谐波检测技术探测光声信号，产生的光声压力波信号表示为
式中，T是温度，f是激光的波长调制频率，A是二次谐波系数，γ是待测气体的热容比，P是入射到光纤光声传感器中的激光功率，α是吸收系数，C是气体浓度，r是光纤光声传感器中圆柱形气室的半径，τ是热驰豫时间；
τ(T)表示为：
式中，ρ是气体的密度，D是热扩散率；
A(T)表示为：
式中，H2是二次谐波傅立叶系数，m是调制系数，△v是气体吸收谱宽；
H2表示为：
式中，R和m分别表示为：
R＝1+m2 (5)
式中，△vl是激光的光频率调制幅度；
所述分析光声压力波信号对温度的依赖关系包括：
根据式(1)-(6)，温度可改变气体的热容比、吸收系数、密度、热扩散率和吸收谱宽，进而影响光声信号的强度，温度升高会使热熔比γ(T)、气体吸收谱宽△v(T)减小，导致光声信号减弱，根据式(6)，m(T)随着温度的升高而增大，通过控制激光的光频率调制幅度△vl，使A(T)随着温度升高而增大，从而反向消除温度升高对光声信号的衰减效应，即减小式(1)中对温度的相关性，另外，温度的升高会减小气体的密度从而减小热驰豫时间τ(T)，根据式(1)中的热驰豫项/>低频的光声信号受热驰豫时间的影响较大，因此，能通过调节调制频率，减小温度对于热驰豫效应的影响。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光声传感的温度自补偿方法，其特征在于，所述调节激光调制参数，使检测到的光声信号不随温度变化，从而实现温度自补偿，包括：
步骤S1，获得不同温度下的待测气体吸收谱线；
步骤S2，计算不同温度下吸收谱线的谱宽；
步骤S3，确定激光的光频率调制幅度；
步骤S4，确定激光的调制频率。
3.根据权利要求2所述的一种光纤光声传感的温度自补偿方法，其特征在于，所述不同温度分别为-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃和50℃。
4.根据权利要求2所述的一种光纤光声传感的温度自补偿方法，其特征在于，所述待测气体吸收谱线的获取方式为：查找相关数据库中的吸收谱线或者实验测量待测气体的吸收谱线。
5.根据权利要求2所述的一种光纤光声传感的温度自补偿方法，其特征在于，所述计算不同温度下吸收谱线的谱宽具体为：分别计算-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃和50℃温度下吸收谱线的半高全宽。
6.根据权利要求2所述的一种光纤光声传感的温度自补偿方法，其特征在于，所述确定激光的光频率调制幅度具体为：
根据式(3)-(6)，绘制出-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃和50℃温度下随光频率调制幅度△vl变化的曲线，找出不同温度下各个曲线的交点，该交点对应的△vl即是光纤光声传感系统中实际需要采用的激光调制幅度△vl0。
7.根据权利要求2所述的一种光纤光声传感的温度自补偿方法，其特征在于，所述确定激光的调制频率具体为：
利用已经确定的实际需要采用的激光调制幅度△vl0并根据式(1)绘制-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃和50℃温度下光声压力波信号随频率变化的曲线，频率范围10-500Hz，同一频率下计算不同温度对应的光声压力波信号的标准差，标准差最小的时候对应的频率为最终确定的激光的调制频率。
8.一种光纤光声传感的温度自补偿装置，所述装置包括：
建模模块，用于获取光声压力波信号表达式；
分析模块，用于分析光声压力波信号对温度的依赖关系；
调节模块，用于调节激光调制参数，使检测到的光声信号不随温度变化，从而实现温度自补偿，所述激光调制参数包括调制系数、光频率调制幅度、调制频率；
所述获取光声压力波信号表达式包括：
采用波长调制技术激发光声信号，并采用二次谐波检测技术探测光声信号，产生的光声压力波信号表示为
式中，T是温度，f是激光的波长调制频率，A是二次谐波系数，γ是待测气体的热容比，P是入射到光纤光声传感器中的激光功率，α是吸收系数，C是气体浓度，r是光纤光声传感器中圆柱形气室的半径，τ是热驰豫时间；
τ(T)表示为：
式中，ρ是气体的密度，D是热扩散率；
A(T)表示为：
式中，H2是二次谐波傅立叶系数，m是调制系数，△v是气体吸收谱宽；
H2表示为：
式中，R和m分别表示为：
R＝1+m2 (5)
式中，△vl是激光的光频率调制幅度；
所述分析光声压力波信号对温度的依赖关系包括：
根据式(1)-(6)，温度可改变气体的热容比、吸收系数、密度、热扩散率和吸收谱宽，进而影响光声信号的强度，温度升高会使热熔比γ(T)、气体吸收谱宽△v(T)减小，导致光声信号减弱，根据式(6)，m(T)随着温度的升高而增大，通过控制激光的光频率调制幅度△vl，使A(T)随着温度升高而增大，从而反向消除温度升高对光声信号的衰减效应，即减小式(1)中对温度的相关性，另外，温度的升高会减小气体的密度从而减小热驰豫时间τ(T)，根据式(1)中的热驰豫项/>低频的光声信号受热驰豫时间的影响较大，因此，能通过调节调制频率，减小温度对于热驰豫效应的影响。
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| CN111829982A (zh) * | 2020-08-07 | 2020-10-27 | 临沂市安福电子有限公司 | 多组分气体浓度检测及温度误差修正方法 |
| CN112969916A (zh) * | 2018-08-03 | 2021-06-15 | 米尔森公司 | 使用调制照明波长方法的光声气体传感器 |
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- 2021-11-18 CN CN202111369231.6A patent/CN114062276B/zh active Active
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