本发明涉及变压器油中溶解气体检测，特别是一种基于微纳光纤的光热光谱检测装置及方法。
背景技术：
1、绝缘油是高电压设备中广泛使用的重要绝缘介质，常被视为充油类电力装备的“血液”，主要起绝缘和冷却的作用。但当电气设备内部发生局部过热或放电等缺陷时，绝缘油会发生分解而产生小分子气体，如ch4、c2h2、c2h4、c2h6等。因此，开展油中溶解气体分析(dissolved gas analysis,dga)，获取溶解气体组分、浓度和变化趋势是评估充油类设备可靠运行的公认最有效故障监测手段之一。
2、目前，针对大油域设备(如油浸式电力变压器)的油中溶解气体在线监测技术研究已相对趋于成熟，且已广泛推广应用，有力支撑了电力设备的长期运行和状态检修。然而，从大量实践反馈来看，已有在线监测技术仍存在以下挑战：检测偏差大，误报漏报严重；少油型设备无法在线检测；检测精度依然有待提高。
技术实现思路
1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于微纳光纤的光热光谱检测装置及方法解决了现有在线检测存在偏差大的问题。
2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
3、第一方面，提供一种基于微纳光纤的变压器油中溶解气体检测装置，其包括：
4、光热效应激发单元，用于产生激励光，并对激励光放大后输出；
5、强度调制单元，用于对放大后的激励光施加正弦调制；
6、基于微纳光纤的气体传感器，放置于油环境中，其包括两端对称的过渡区和位于过渡区之间的圆柱形腰区；正弦调制后的激励光耦合至气体传感器中，激发基模he11与第一高阶模he12，并在腰区产生倏逝场，激发油中气体产生光热效应改变基模he11与第一高阶模he12的相位，形成模式相位差；
7、干涉相位解调单元，用于产生探测光，探测光在气体传感器中存在基模he11与第一高阶模he12干涉，受到不同程度的相位调制，并将调制相位转化为干涉信号峰峰值；
8、反演单元，用于根据干涉信号峰峰值，采用基于干涉信号峰峰值与气体浓度的拟合式进行反演，得到油液中气体的浓度。
9、进一步地，所述气体传感器的腰区直径与基模he11之间的关系为：
10、neff1＝1.45+4.68*d+5.80*d2-9.74*d3+6.63*d4-2.09*d5+2.52*d6
11、腰区直径与第一高阶模he12之间的关系为：
12、neff2＝1.45+0.001*d-1.99*d2
13、其中，neff1为腰区直径与基模he11之间的有效折射率；neff2为腰区直径与第一高阶模he12之间的有效折射率；d为腰区直径。
14、上述技术方案的有益效果为：现有技术多侧重于宏观分析气体传感器的性能，缺乏对其参数和模式等微观信息的深入研究，本方案基于气体传感器腰区直径与基模he11与第一高阶模he12关系的定量优化，再结合传感器设计参数和实际应用数据，可以通过精确调控腰区直径，能够在不同环境下更灵活地提升传感器的检测灵敏度和精度，从而实现对变压器油中溶解气体检测效果的显著优化。
15、进一步地，施加正弦调制时，调制频率f＝f0±δf，其中f0为干涉相位幅值最大值所对应的频率，δf为f0与干涉相位幅值最大值×90％所对应频率的差值。
16、上述技术方案的有益效果为：本方案通过引入正弦调制并精确设定调制频率，能够实现对干涉信号灵敏检测，尤其是在f0对应的干涉相位幅值最大值附近，通过频率差值的精细控制，可以显著提升系统的信号分辨率和抗干扰能力，从而确气体保传感器在复杂环境下的稳定性和准确性。
17、进一步地，所述光热效应激发单元包括依次连接的泵浦光源、隔离器、滤波器和光纤放大器，所述强度调制单元包括依次连接的正弦信号源、射频驱动器和声光调制器，所述声光调制器对经过光纤放大器的激励光施加正弦调制。
18、上述技术方案的有益效果为：通过在光热效应激发单元中采用泵浦光源、隔离器、滤波器和光纤放大器的组合设计，有效提升了光源的功率和稳定性，确保了光热效应的稳定激发。同时，强度调制单元由正弦信号源、射频驱动器和声光调制器组成，能够对激励光进行精准的正弦调制。该方案不仅提高了系统的调制深度和调制精度，还增强了对检测信号的灵敏度和准确性，从而有效提高了检测效率和整体性能，适用于多种复杂的检测环境。
19、进一步地，所述干涉解调单元为环形sagnac干涉结构，其包括依次连接的探测光源、隔离器和耦合器，所述耦合器将探测光分成三束光，其中一束光依次通过延迟光纤、波分复用器的1550端、基于微纳光纤的气体传感器和偏振控制器回到耦合器中；一束光依次通过偏振控制器、波分复用器和延迟光纤回到耦合器中；耦合器的另一条单模光纤输入端与滤波器和光电探测器依次连接；所述声光调制器与波分复用器连接，将正弦调制后的激励光耦合至气体传感器中。
20、上述技术方案的有益效果为：环形sagnac干涉结构具有高灵敏度、高稳定性的优势，通过干涉光路具有对称性，光信号沿两条路径传播并进行相位干涉，从而提高了系统的检测分辨率。同时，环形sagnac干涉结构能够灵活适配不同类型的光学传感器，具备广泛的应用前景。
21、进一步地，所述气体传感器的制备方法包括：
22、a1、选取一根单模光纤，去除单模光纤上5～7cm长度范围的涂覆层，并蘸取酒精擦拭残余涂覆层，之后将单模光纤固定于熔接机的光纤夹具之间；
23、a2、控制熔接机的左右马达对单模光纤进行拉伸，直至拉伸长度为100μm；
24、a3、设定熔接机电极的放电强度和放电时间，并对剥去涂覆层的中心区域进行电弧放电，制备得到两个具有锥度的直锥；
25、a4、将直锥放置在两个光纤夹具凹槽中，腰区最细处对准氢气火焰中心，保持直锥处于拉伸状态，并用磁吸固定直锥两端的单模光纤；
26、a5、设定氢气流量为200ml/min、电机拉伸速度为0.25mm/s，电机最大拉伸位移为1～3mm；
27、a6、采用火焰对腰区加热，待单模光纤变成熔融状态发生软化时，左右马达开始向两端移动，直锥随着腰区逐渐拉长变细形成微纳光纤；
28、a7、采用显微镜观测微纳光纤腰区直径均匀度，并测量光纤腰区直径；
29、a8、当均匀度和腰区直径均满足预设要求，则完成气体传感器的制备，当均匀度和腰区直径中至少一个未达到预设要求，则返回步骤a6。
30、上述技术方案的有益效果为：本方案通过精确控制光纤的拉伸过程和加热条件，能够制备出高精度、均匀度良好基于微纳光纤的气体传感器；该工艺实现了对气体传感器腰区直径和均匀度的严格把控，有效提高了传感器的灵敏度和稳定性。此外，该方法流程简洁，适用于大规模生产微纳光纤气体传感器，具有良好的应用前景。
31、进一步地，所述气体传感器的腰区直径为8-20μm，过渡区长度为350-5000μm，工作波长为1260nm～1675nm。
32、上述技术方案的有益效果为：本方案上述设置，能够优化气体传感器的光学特性，提升其对不同气体的灵敏度和响应速度；这一设计使得气体传感器在宽波长范围内保持高效的检测能力，同时确保其在不同环境条件下具有更好的稳定性和可靠性。
33、进一步地，所述泵浦光源为单波长的激光器，波长范围为1260nm～1675nm。
34、第二方面，提供一种基于微纳光纤的变压器油中溶解气体检测装置的检测方法，其包括步骤：
35、产生波长为1530.37nm的窄线宽激光作为激励光，并通过光纤放大器进行放大，之后通过声光调制器对激励光施加正弦调制；
36、激励光通过波分复用器耦合进基于微纳光纤的气体传感器中，激发基模he11和第一高阶模he12，并在腰区产生倏逝场；
37、倏逝场泄露于油中，激发油中气体发生光热效应改变基模he11与第一高阶模he12的相位，形成模式相位差；
38、采用放大自发辐射宽带光源作为探测光，探测光在气体传感器中存在基模he11和第一高阶模he12干涉，受到不同程度的相位调制；
39、采用光电探测器将相位调制转化干涉信号峰峰值；
40、根据干涉信号峰峰值，采用基于干涉信号峰峰值与气体浓度的拟合式进行反演，得到油液中气体的浓度。
41、进一步地，拟合式为：
42、y＝0.29x-0.51
43、其中，y为气体浓度；x为干涉信号峰峰值。
44、本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
45、1、本方案通过将正弦调制后的激励光耦合至气体传感器中，激发基模he11与第一高阶模he12，并在腰区产生倏逝场，激发油中气体产生光热效应改变基模he11与第一高阶模he12的相位，油液中的气体信息在此处被编码在模式相位差上，通过相位解调和反演可实现对油液中气体浓度的检测。
46、2、本方案对激励光进行放大后，再进行正弦调制可以降低油液对激励光的强衰减对灵敏度的损失，从而使气体传感器具有极高的灵敏度，可以在液体环境中实现高灵敏的浓度测量，尤其适合低浓度测量，该气体传感器结构简单、稳定，具有广阔的应用前景。
47、3、本方案在基于微纳光纤的气体传感器的腰区产生的倏逝场具有宽带特性，对于1260nm～1675nm波长范围内的光均具有较强的倏逝场，因此，传感器对多种波长的光信号都能有效响应，增强了系统的检测能力和对多种气体的适应性。
48、4、本发明中基于微纳光纤的气体传感器具有高度的适配性，可与环形sagnac干涉结构、直线型sagnac干涉结构、mach–zehnder干涉结构以及michelson干涉结构等干涉解调单元适配，因此，可以使气体传感器在不同的检测系统中具有良好的兼容性和应用灵活性。
1.基于微纳光纤的变压器油中溶解气体检测装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于微纳光纤的变压器油中溶解气体检测装置，其特征在于，所述气体传感器的腰区直径与基模he11之间的关系为：
3.根据权利要求1所述的基于微纳光纤的变压器油中溶解气体检测装置，其特征在于，施加正弦调制时，调制频率f＝f0±δf，其中f0为干涉相位幅值最大值所对应的频率，δf为f0与干涉相位幅值最大值×90％所对应频率的差值。
4.根据权利要求1所述的基于微纳光纤的变压器油中溶解气体检测装置，其特征在于，所述光热效应激发单元包括依次连接的泵浦光源、隔离器、滤波器和光纤放大器，所述强度调制单元包括依次连接的正弦信号源、射频驱动器和声光调制器，所述声光调制器对经过光纤放大器的激励光施加正弦调制。
5.根据权利要求4所述的基于微纳光纤的变压器油中溶解气体检测装置，其特征在于，所述干涉解调单元为环形sagnac干涉结构，其包括依次连接的探测光源、隔离器和耦合器，所述耦合器将探测光分成三束光，其中一束光依次通过延迟光纤、波分复用器的1550端、基于微纳光纤的气体传感器和偏振控制器回到耦合器中；一束光依次通过偏振控制器、波分复用器和延迟光纤回到耦合器中；耦合器的另一条单模光纤输入端与滤波器和光电探测器依次连接；所述声光调制器与波分复用器连接，将正弦调制后的激励光耦合至气体传感器中。
6.根据权利要求1所述的基于微纳光纤的变压器油中溶解气体检测装置，其特征在于，所述气体传感器的制备方法包括：
7.根据权利要求1或6所述的基于微纳光纤的变压器油中溶解气体检测装置，其特征在于，所述气体传感器的腰区直径为8-20μm，过渡区长度为350-5000μm，工作波长为1260nm～1675nm。
8.根据权利要求1或4所述的基于微纳光纤的变压器油中溶解气体检测装置，其特征在于，所述泵浦光源为单波长的激光器，波长范围为1260nm～1675nm。
9.一种权利要求1-8任一所述的基于微纳光纤的变压器油中溶解气体检测装置的检测方法，其特征在于，包括步骤：
10.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，所述拟合式为：
