[发明专利]一种基于光纤光声传感的硫化氢气体检测方法及装置

说明书

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。

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：

λ_i(t)＝λ_c+dcos(2πft) (1)