CN114088632A - 一种基于光纤光声传感的硫化氢气体检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤光声传感的硫化氢气体检测方法及装置，所述方法包括以下步骤：调节激光器的偏置电流至气体吸收谱线中心，此时光声信号为信号光和由于池壁吸收引起的背景信号的叠加，记为第一信号；调节激光器的偏置电流至气体吸收系数低于预设值之处，此时的光声信号为池壁吸收引起的背景信号，记为第二信号；将第一信号减去第二信号得到消除背景干扰的光声信号，根据光声信号与气体浓度之间的比例关系获得目标气体的浓度；本发明的优点在于：大幅度的消除吸收背景干扰，提高光纤光声传感的气体浓度测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测和光声光谱领域，更具体涉及一种基于光纤光声传感的硫化氢气体检测方法及装置。
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、可分布传感等诸多优点。文献Chen Ke,Guo Min,Liu Shuai,et al.Fiber-optic photoacoustic sensor forremote 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，由于硫化氢气体在红外吸收波段吸收系数较弱，需要较高的光功率，导致池壁吸收引起的背景光过大。
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传感器在应用中由于光功率较高导致池壁吸收引起的背景光过大的问题。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种基于光纤光声传感的硫化氢气体检测方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一：调节激光器的偏置电流至气体吸收谱线中心，此时光声信号为信号光和由于池壁吸收引起的背景信号的叠加，记为第一信号；
步骤二：调节激光器的偏置电流至气体吸收系数低于预设值之处，此时的光声信号为池壁吸收引起的背景信号，记为第二信号；
步骤三：将第一信号减去第二信号得到消除背景干扰的光声信号，根据光声信号与气体浓度之间的比例关系获得目标气体的浓度。
本发明利用差分检测方法，通过调节激光器的调制参数，使激光器的中心波长位于气体吸收系数的不同位置得到混有背景干扰的第一信号以及仅有背景干扰的第二信号，将两个信号相减，大幅度的消除吸收背景干扰得到消除干扰的光声信号，然后利用该光声信号得到气体浓度，提高光纤光声传感的气体浓度测量精度。
进一步地，所述步骤一包括：
查找数据库中的气体吸收谱线，确定激光器的波长范围，通过光谱仪观察光谱图，调节激光器的偏置电流使激光器的中心波长处于气体吸收谱线正中心，记录此时光声信号幅值，此时光声信号为信号光和由于池壁吸收引起的背景信号的叠加。
更进一步地，所述激光的波长变化表示为：
λi(t)＝λc+dcos(2πft) (1)
其中，λi(t)为入射波长，λc为入射光的中心波长，d为调制深度，f为调制频率，t为当前时刻。
进一步地，所述步骤二包括：
调节偏置电流使激光器的中心波长处于气体吸收系数最弱的位置，记录此时光声信号幅值，此时的光声信号为池壁吸收引起的背景信号。
更进一步地，所述目标气体位于光声池内，光声池内设置光声池共振管，激光器的光入射到光声池，当对激光器的调制频率的二倍频与光声池共振管的共振频率相同时，光声池工作在共振模式，检测到的光声池内的光声信号幅值为：
其中，F为光声池的池常数，γ表示气体的热容比，Qj表示品质因数，LC表示共振管的长度，ωj表示简正模式下的共振角频率，VC表示光声池的体积，c表示待测气体的浓度，α表示气体分子在特定波长下的吸收系数，P0表示入射光功率。
本发明还提供一种基于光纤光声传感的硫化氢气体检测装置，所述装置包括：
第一信号获取模块，用于调节激光器的偏置电流至气体吸收谱线中心，此时光声信号为信号光和由于池壁吸收引起的背景信号的叠加，记为第一信号；
第二信号获取模块，用于调节激光器的偏置电流至气体吸收系数低于预设值之处，此时的光声信号为池壁吸收引起的背景信号，记为第二信号；
气体浓度检测模块，用于将第一信号减去第二信号得到消除背景干扰的光声信号，根据光声信号与气体浓度之间的比例关系获得目标气体的浓度。
进一步地，所述第一信号获取模块还用于：
查找数据库中的气体吸收谱线，确定激光器的波长范围，通过光谱仪观察光谱图，调节激光器的偏置电流使激光器的中心波长处于气体吸收谱线正中心，记录此时光声信号幅值，此时光声信号为信号光和由于池壁吸收引起的背景信号的叠加。
更进一步地，所述激光的波长变化表示为：
λi(t)＝λc+dcos(2πft) (1)
其中，λi(t)为入射波长，λc为入射光的中心波长，d为调制深度，f为调制频率，t为当前时刻。
进一步地，所述第二信号获取模块还用于：
调节偏置电流使激光器的中心波长处于气体吸收系数最弱的位置，记录此时光声信号幅值，此时的光声信号为池壁吸收引起的背景信号。
更进一步地，所述目标气体位于光声池内，光声池内设置光声池共振管，激光器的光入射到光声池，当对激光器的调制频率的二倍频与光声池共振管的共振频率相同时，光声池工作在共振模式，检测到的光声池内的光声信号幅值为：
其中，F为光声池的池常数，γ表示气体的热容比，Qj表示品质因数，LC表示共振管的长度，ωj表示简正模式下的共振角频率，VC表示光声池的体积，c表示待测气体的浓度，α表示气体分子在特定波长下的吸收系数，P0表示入射光功率。
本发明的优点在于：
(1)本发明利用差分检测方法，通过调节激光器的调制参数，使激光器的中心波长位于气体吸收系数的不同位置得到混有背景干扰的第一信号以及仅有背景干扰的第二信号，将两个信号相减，大幅度的消除吸收背景干扰得到消除干扰的光声信号，然后利用该光声信号得到气体浓度，提高光纤光声传感的气体浓度测量精度。
附图说明
图1为本发明实施例所公开的一种基于光纤光声传感的硫化氢气体检测方法的流程图。
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
如图1所示，一种基于光纤光声传感的硫化氢气体检测方法，所述方法包括以下步骤：
S1：调节激光器的偏置电流至气体吸收谱线中心，此时光声信号为信号光和由于池壁吸收引起的背景信号的叠加，记为第一信号；具体过程为：查找数据库中的气体吸收谱线，确定激光器的波长范围，通过光谱仪观察光谱图，调节激光器的偏置电流使激光器的中心波长处于气体吸收谱线正中心，记录此时光声信号幅值，此时光声信号为信号光和由于池壁吸收引起的背景信号的叠加。
S2：调节激光器的偏置电流至气体吸收系数低于预设值之处，此时的光声信号为池壁吸收引起的背景信号，记为第二信号；具体过程为：调节偏置电流使激光器的中心波长处于气体吸收系数最弱的位置，记录此时光声信号幅值，此时的光声信号为池壁吸收引起的背景信号。
S3：将第一信号减去第二信号得到消除背景干扰的光声信号，根据光声信号与气体浓度之间的比例关系获得目标气体的浓度。
本发明的工作原理为：硫化氢气体的光声光谱测量方法是一种间接吸收光谱测量方法，相比于根据朗伯比尔定律在已知吸收系数与吸收长度的情况下便可以求出吸收气体浓度的直接吸收光谱法，光声光谱法是将目标气体吸收的光能转换为声波信号，再利用声波传感器对光声信号进行检测，进而测定目标气体的浓度。得到光声信号需要对入射光进行波长调制，波长调制技术是基于半导体激光二极管的波长可调谐性，结合二次谐波检测技术，可以实现对分子、原子等吸收光谱的高灵敏度检测。波长调制技术主要是通过控制激光器的中心波长(可以利用光谱仪来调节中心波长的范围)，通常为目标气体吸收峰，以这一波长为中心，按一定频率做正弦震荡，激光的波长变化可以表示为
λi(t)＝λc+dcos(2πft) (1)
其中，λi(t)为入射波长，λc为入射光的中心波长，d为调制深度，f为调制频率，t为当前时刻。
所述目标气体位于光声池内，光声池内设置光声池共振管，激光器的光入射到光声池，当对激光器的调制频率的二倍频与光声池共振管的共振频率相同时，光声池工作在共振模式，检测到的光声池内的光声信号幅值为：
其中，F为光声池的池常数，γ表示气体的热容比，Qj表示品质因数，LC表示共振管的长度，ωj表示简正模式下的共振角频率，VC表示光声池的体积，c表示待测气体的浓度，α表示气体分子在特定波长下的吸收系数，P0表示入射光功率。
基于上述原理，根据步骤S1至步骤S3即可得到目标气体浓度。
通过以上技术方案，本发明利用差分检测方法，通过调节激光器的调制参数，使激光器的中心波长位于气体吸收系数的不同位置得到混有背景干扰的第一信号以及仅有背景干扰的第二信号，将两个信号相减，大幅度的消除吸收背景干扰得到消除干扰的光声信号，然后利用该光声信号得到气体浓度，提高光纤光声传感的气体浓度测量精度。本发明在没有额外增加系统成本的情况下，实现了灵敏度的提高。本发明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还提供一种基于光纤光声传感的硫化氢气体检测装置，所述装置包括：
第一信号获取模块，用于调节激光器的偏置电流至气体吸收谱线中心，此时光声信号为信号光和由于池壁吸收引起的背景信号的叠加，记为第一信号；
第二信号获取模块，用于调节激光器的偏置电流至气体吸收系数低于预设值之处，此时的光声信号为池壁吸收引起的背景信号，记为第二信号；
气体浓度检测模块，用于将第一信号减去第二信号得到消除背景干扰的光声信号，根据光声信号与气体浓度之间的比例关系获得目标气体的浓度。
具体的，所述第一信号获取模块还用于：
查找数据库中的气体吸收谱线，确定激光器的波长范围，通过光谱仪观察光谱图，调节激光器的偏置电流使激光器的中心波长处于气体吸收谱线正中心，记录此时光声信号幅值，此时光声信号为信号光和由于池壁吸收引起的背景信号的叠加。
更具体的，所述激光的波长变化表示为：
λi(t)＝λc+dcos(2πft) (1)
其中，λi(t)为入射波长，λc为入射光的中心波长，d为调制深度，f为调制频率，t为当前时刻。
具体的，所述第二信号获取模块还用于：
调节偏置电流使激光器的中心波长处于气体吸收系数最弱的位置，记录此时光声信号幅值，此时的光声信号为池壁吸收引起的背景信号。
更具体的，所述目标气体位于光声池内，光声池内设置光声池共振管，激光器的光入射到光声池，当对激光器的调制频率的二倍频与光声池共振管的共振频率相同时，光声池工作在共振模式，检测到的光声池内的光声信号幅值为：
其中，F为光声池的池常数，γ表示气体的热容比，Qj表示品质因数，LC表示共振管的长度，ωj表示简正模式下的共振角频率，VC表示光声池的体积，c表示待测气体的浓度，α表示气体分子在特定波长下的吸收系数，P0表示入射光功率。
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 (10)
1.一种基于光纤光声传感的硫化氢气体检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一：调节激光器的偏置电流至气体吸收谱线中心，此时光声信号为信号光和由于池壁吸收引起的背景信号的叠加，记为第一信号；
步骤二：调节激光器的偏置电流至气体吸收系数低于预设值之处，此时的光声信号为池壁吸收引起的背景信号，记为第二信号；
步骤三：将第一信号减去第二信号得到消除背景干扰的光声信号，根据光声信号与气体浓度之间的比例关系获得目标气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光声传感的硫化氢气体检测方法，其特征在于，所述步骤一包括：
查找数据库中的气体吸收谱线，确定激光器的波长范围，通过光谱仪观察光谱图，调节激光器的偏置电流使激光器的中心波长处于气体吸收谱线正中心，记录此时光声信号幅值，此时光声信号为信号光和由于池壁吸收引起的背景信号的叠加。
3.根据权利要求2所述的一种基于光纤光声传感的硫化氢气体检测方法，其特征在于，所述激光的波长变化表示为：
λi(t)＝λc+dcos(2πft) (1)
其中，λi(t)为入射波长，λc为入射光的中心波长，d为调制深度，f为调制频率，t为当前时刻。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光声传感的硫化氢气体检测方法，其特征在于，所述步骤二包括：
调节偏置电流使激光器的中心波长处于气体吸收系数最弱的位置，记录此时光声信号幅值，此时的光声信号为池壁吸收引起的背景信号。
5.根据权利要求4所述的一种基于光纤光声传感的硫化氢气体检测方法，其特征在于，所述目标气体位于光声池内，光声池内设置光声池共振管，激光器的光入射到光声池，当对激光器的调制频率的二倍频与光声池共振管的共振频率相同时，光声池工作在共振模式，检测到的光声池内的光声信号幅值为：
其中，F为光声池的池常数，γ表示气体的热容比，Qj表示品质因数，LC表示共振管的长度，ωj表示简正模式下的共振角频率，VC表示光声池的体积，c表示待测气体的浓度，α表示气体分子在特定波长下的吸收系数，P0表示入射光功率。
6.一种基于光纤光声传感的硫化氢气体检测装置，其特征在于，所述装置包括：
第一信号获取模块，用于调节激光器的偏置电流至气体吸收谱线中心，此时光声信号为信号光和由于池壁吸收引起的背景信号的叠加，记为第一信号；
第二信号获取模块，用于调节激光器的偏置电流至气体吸收系数低于预设值之处，此时的光声信号为池壁吸收引起的背景信号，记为第二信号；
气体浓度检测模块，用于将第一信号减去第二信号得到消除背景干扰的光声信号，根据光声信号与气体浓度之间的比例关系获得目标气体的浓度。
7.根据权利要求6所述的一种基于光纤光声传感的硫化氢气体检测装置，其特征在于，所述第一信号获取模块还用于：
查找数据库中的气体吸收谱线，确定激光器的波长范围，通过光谱仪观察光谱图，调节激光器的偏置电流使激光器的中心波长处于气体吸收谱线正中心，记录此时光声信号幅值，此时光声信号为信号光和由于池壁吸收引起的背景信号的叠加。
8.根据权利要求7所述的一种基于光纤光声传感的硫化氢气体检测装置，其特征在于，所述激光的波长变化表示为：
λi(t)＝λc+dcos(2πft) (1)
其中，λi(t)为入射波长，λc为入射光的中心波长，d为调制深度，f为调制频率，t为当前时刻。
9.根据权利要求6所述的一种基于光纤光声传感的硫化氢气体检测装置，其特征在于，所述第二信号获取模块还用于：
调节偏置电流使激光器的中心波长处于气体吸收系数最弱的位置，记录此时光声信号幅值，此时的光声信号为池壁吸收引起的背景信号。
10.根据权利要求9所述的一种基于光纤光声传感的硫化氢气体检测装置，其特征在于，所述目标气体位于光声池内，光声池内设置光声池共振管，激光器的光入射到光声池，当对激光器的调制频率的二倍频与光声池共振管的共振频率相同时，光声池工作在共振模式，检测到的光声池内的光声信号幅值为：
其中，F为光声池的池常数，γ表示气体的热容比，Qj表示品质因数，LC表示共振管的长度，ωj表示简正模式下的共振角频率，VC表示光声池的体积，c表示待测气体的浓度，α表示气体分子在特定波长下的吸收系数，P0表示入射光功率。
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