一种全激光放大的光声光谱多气体检测方法

本发明属于气体检测，更具体地，涉及一种全激光放大的光声光谱多气体检测方法。

背景技术：

1、在很多应用场景下，会涉及到氢气及近红外波段气体的测量，通过气体测量及时发现问题。例如，变压器油中溶解气体的浓度是反映变压器运行状况的重要参数，对于预防变压器故障具有重要作用。对于近红外波段气体浓度的测量，可以通过近红外激光器发射激光，基于光声光谱法测量各气体的浓度。光声光谱法是基于光声效应原理来检测气体浓度的一种方法，可以解释为固定容积光声池内，气体分子吸收光能后由基态跃迁至激发态，再以无辐射跃迁的方式由激发态跃迁至基态并以调制频率周期性释放热能使气体受热膨胀，由于气体体积不变而温度升高从而使得压强周期性增大，从而形成光生声压信号，再通过检测声波信号即可测得气体浓度。

2、然而，氢气属于非近红外波段气体，无法吸收近红外激光器发射的激光，因此不适用光声光谱法进行测量，不能通过测量近红外波段气体的系统测量氢气。目前，大多采用电化学法和气相色谱法测量氢气浓度，需要额外搭建测量平台。若需同时测量氢气及近红外波段气体，需要搭建两套完全不同的测量体系，耗时费力。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种全激光放大的光声光谱多气体检测方法，其目的在于在同一套光声光谱检测系统下，同时施加不同的控制方法，实现氢气及六种近红外波段气体浓度的测定，即实现变压器油中气体全覆盖光学测量，节约成本且效率较高。

2、一种全激光放大的光声光谱多气体检测方法，利用光声光谱检测系统执行气体检测，所述气体包括氢气和近红外波段气体；

3、所述光声光谱检测系统包括信号发生模块、激光器驱动模块、近红外激光器集合、光纤合束器、光放大器、光声池、声探测模块、相位解调模块、锁相放大模块，所述声探测模块为基于光学干涉结构的镀钯合金薄膜悬臂梁微音器模块，其中，所述信号发生模块向所述激光器驱动模块发送调制信号；所述激光器驱动模块基于所述调制信号从激光器集合中选择一个或多个作为工作激光器，并控制各工作激光器的调制频率和输出波长；所述光放大器用于对各激光器输出的光信号进行功率放大；所述光纤合束器用于对所有进行功率放大后的光信号进行合束后送入所述光声池；当所述光声池中冲入气体并输入光信号后，在光声池内发生光声效应，产生声波信号；所述声探测模块用于采集所述声波信号并转换为待解调信号输出；所述相位解调模块用于对所述待解调信号进行相位解调后输入所述锁相放大模块以提取出与所述声波信号匹配的二次谐波；

4、当执行近红外波段气体检测时，检测方法包括；

5、向所述光声池充入待测气体；从所述近红外激光器集合中选择n个工作激光器，控制激光器i的输出波长对准气体i的峰值吸收波长，n为需测量气体的数量；获取锁相放大模块采集的二次谐波，基于二次谐波的幅值与气体浓度的关系得到各气体的浓度；

6、当执行氢气检测时，检测方法包括；

7、向所述光声池充入待测气体，待测气体中选择任一近红外波段气体作为载气，从所述近红外激光器集合中选择载气对应的激光器作为工作激光器，控制激光器的输出波长对准载气的峰值吸收波长并对激光器的调制频率进行扫描，并获取各扫描频率下锁相放大模块采集的二次谐波，进行归一化并作出二次谐波信号幅值随调制频率改变的曲线，计算充入待测气体前后光声池谐振频率偏移，基于光声池谐振频率偏移与氢气浓度的关系得到氢气的浓度。

8、在其中一个实施例中，所述近红外波段气体有多种，包括co、co2、ch4、c2h2、c2h4、c2h6。

9、在其中一个实施例中，所述光放大器有多个，分别为对应工作波长范围为1525nm-1610nm的c+l波段掺铒光纤放大器edfa、工作波长范围为1600nm-1650nm的助推光学放大器boa1和工作波长范围为1650nm-1710nm的助推光学放大器boa2，其中：

10、c+l波段掺铒光纤放大器edfa用于对作用于c2h2、co和co2的三个激光器输出的光信号进行功率放大；

11、助推光学放大器boa1用于对作用于c2h4的激光器输出的光信号进行功率放大；

12、助推光学放大器boa2用于对作用于ch4和c2h6的激光器输出的光信号进行功率放大。

13、在其中一个实施例中，当执行近红外波段气体检测时，通过改变工作激光器的调制频率，使光声光谱检测系统处于两种工作模式下，分别为谐振工作模式和非谐振工作模式：

14、当处于谐振工作模式时，各工作激光器的调制频率与所述光声池的谐振频率相等；

15、当处于非谐振工作模式时，各工作激光器的调制频率远小于所述光声池的谐振频率。

16、在其中一个实施例中，当光声光谱检测系统处于谐振工作模式时，采用时分复用的方式控制各工作激光器输出；当处于非谐振工作模式时，采用调制频分复用或时分复用的方式控制各工作激光器的输出。

17、在其中一个实施例中，当执行氢气检测时，还包括；

18、对通过光声池谐振频率的偏移所测定的氢气浓度进行核定，当氢气浓度大于或等于预设值时，认定当前测定结果准确，否则，基于所述镀钯合金薄膜悬臂梁微音器模块的悬臂梁谐振频率的变化量重新测定氢气浓度并作为最终结果。

19、在其中一个实施例中，当执行氢气检测时，载气为待测近红外波段气体中的任一种。

20、在其中一个实施例中，当执行氢气检测时，先向所述光声池充入包含载气的标准气，从所述近红外激光器集合中选择载气对应的激光器作为工作激光器，控制激光器的输出波长对准载气的峰值吸收波长并测出原始谐振频率后，将气体排出，再向所述光声池充入待测气体。

21、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

22、本发明设计光声光谱检测系统，基于该光声光谱检测系统，在不同的控制方式下既可以实现六种近红外波段气体浓度的测量，也可以实现氢气的测定，即实现变压器油中溶解气体的全覆盖测量。其中，近红外波段气体浓度的测量直接采用光声效应直接测定，而氢气浓度的测量则以近红外波段气体作为载气，利用光声效应间接测定。如此，无论是近红外波段气体还是氢气，都可以基于相同的光声光谱检测系统实现测量，不需要分别搭建不同的测定平台，节约成本且效率较高。

23、进一步地，当利用光声效应间接测定氢气的浓度较低时，表明其测定结果存在偏差的概率较大，此时，进一步采取基于镀钯合金薄膜悬臂梁微音器模块的悬臂梁谐振频率的变化量测定氢气，该手段更为精准，可以保证结果的可靠性。

技术特征：

1.一种全激光放大的光声光谱多气体检测方法，其特征在于，利用光声光谱检测系统执行气体检测，所述气体包括氢气和近红外波段气体；

2.根据权利要求1所述的全激光放大的光声光谱多气体检测方法，其特征在于，所述近红外波段气体有多种，包括co、co2、ch4、c2h2、c2h4、c2h6。

3.根据权利要求2所述的全激光放大的光声光谱多气体检测方法，其特征在于，所述光放大器有多个，分别为对应工作波长范围为1525nm-1610nm的c+l波段掺铒光纤放大器edfa、工作波长范围为1600nm-1650nm的助推光学放大器boa1和工作波长范围为1650nm-1710nm的助推光学放大器boa2，其中：

4.根据权利要求1所述的全激光放大的光声光谱多气体检测方法，其特征在于，当执行近红外波段气体检测时，通过改变工作激光器的调制频率，使光声光谱检测系统处于两种工作模式下，分别为谐振工作模式和非谐振工作模式：

5.根据权利要求4所述的全激光放大的光声光谱多气体检测方法，其特征在于，当光声光谱检测系统处于谐振工作模式时，采用时分复用的方式控制各工作激光器输出；当处于非谐振工作模式时，采用调制频分复用或时分复用的方式控制各工作激光器的输出。

6.根据权利要求1所述的全激光放大的光声光谱多气体检测方法，其特征在于，当执行氢气检测时，还包括；

7.根据权利要求1所述的全激光放大的光声光谱多气体检测方法，其特征在于，当执行氢气检测时，载气为待测近红外波段气体中的任一种。

8.根据权利要求1所述的全激光放大的光声光谱多气体检测方法，其特征在于，当执行氢气检测时，先向所述光声池充入包含载气的标准气，从所述近红外激光器集合中选择载气对应的激光器作为工作激光器，控制激光器的输出波长对准载气的峰值吸收波长并测出原始谐振频率后，将气体排出，再向所述光声池充入待测气体。

技术总结
本发明涉及一种全激光放大的光声光谱多气体检测方法，属于气体检测技术领域。该方法利用光声光谱检测系统执行气体检测，通过改变激光器的调制频率，使光声光谱检测系统分别处于非谐振式(低频)或者谐振式(高频)工作状态，在非谐振或者谐振工作模式下可以测量CO、CO<subgt;2</subgt;、CH<subgt;4</subgt;、C<subgt;2</subgt;H<subgt;2</subgt;、C<subgt;2</subgt;H<subgt;4</subgt;、C<subgt;2</subgt;H<subgt;6</subgt;等六种气体浓度，检测高浓度氢气时，光声光谱检测系统在谐振式工作模式下通过光声池谐振频率的变化测量氢气的浓度，检测极低浓度(ppm级)氢气时，通过镀钯合金薄膜悬臂梁的谐振频率偏移测量氢气浓度如此，对于变压器油中7种气体，都可以基于相同的光声光谱检测系统测量，无需搭建不同的测定平台，节约成本且效率较高，实现变压器油中气体的全覆盖光学检测。

技术研发人员：司马朝坦,王文哲,冯智宇,李泰林,陈牧琪,仝晨,曹晓虹,鲁平
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17