[发明专利]一种光纤光声传感的温度自补偿方法及装置

说明书

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。

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：