基于離軸積分腔輸出光譜的深�？扇急綔y技術(shù)
發(fā)布時(shí)間：2021-08-17 04:40
可燃冰是一種清潔無污染的新型能源。為了對可燃冰資源進(jìn)行深海連續(xù)走航勘探,膜分離-離軸積分腔輸出光譜聯(lián)用技術(shù)（M-ICOS）被應(yīng)用于海水溶解CH4和CO2氣體的探測。M-ICOS系統(tǒng)由膜分離單元、腔內(nèi)溫度壓力控制單元、光腔、光譜測量單元和工業(yè)計(jì)算機(jī)等組成。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),該系統(tǒng)的溫度和壓力控制精度分別為0.0003733℃和0.6799 Pa,CH4檢測極限為0.56×10-9,CO2檢測極限為0.62×10-6。利用M-ICOS系統(tǒng)在南海神狐海域進(jìn)行了實(shí)地測量實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在海面下500～700 m處,水中溶解的CH4和CO2濃度有劇烈的波動(dòng),這可能是由于此處海流攜帶了海底可燃冰富集區(qū)域釋放的高濃度溶解氣體。M-ICOS系統(tǒng)具有良好的靈敏度和穩(wěn)定性,能夠在深海惡劣條件下對海水溶解CH4和CO2進(jìn)行探測,從而實(shí)現(xiàn)對可燃冰資源的連續(xù)走航勘探。
【文章來源】：中國激光. 2020,47(08)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
積分腔輸出光譜及透過率示意圖。
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由光腔、溫度壓力控制單元、光譜測量單元和工控機(jī)等構(gòu)成,如圖2所示。圖中氣體出口連接真空泵,氣體入口連接自制膜分離裝置。光腔由兩片反射率為99.999%、曲率半徑為1 m、直徑為25.4 mm的反射鏡構(gòu)成。兩片反射鏡被共軸安裝在不銹鋼腔體內(nèi)的鏡架上,相距0.3 m,腔體兩端采用窗片(KC1-S)密封。腔體上安裝了氣體進(jìn)出管路、溫度傳感器(M222)和壓力傳感器(US266)。激光準(zhǔn)直器(CFC8X-C)用于調(diào)節(jié)激光的發(fā)散角,安裝在光腔一端的調(diào)整架(SPT1)上。調(diào)整架可以調(diào)節(jié)激光進(jìn)入腔內(nèi)的位置和角度,以實(shí)現(xiàn)激光的離軸入射。自制的光電探測器模塊與腔體之間安裝有一片短焦雙凸透鏡,用于將腔內(nèi)的出射光聚焦到光電二極管(FGA10)的光敏面上。光電二極管將收集到的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成電流信號,并由光電探測器模塊內(nèi)的高增益互阻放大器進(jìn)行放大,然后輸出到信號采集電路。固定激光準(zhǔn)直器的調(diào)整架、光電探測器模塊、聚焦透鏡由不銹鋼腔體兩端的30 mm籠式結(jié)構(gòu)固定在腔體上。溫度壓力控制單元用于控制腔體內(nèi)氣體的溫度和壓力。整個(gè)腔體放置在一個(gè)恒溫箱內(nèi),恒溫箱采用內(nèi)外兩層鋁合金殼體構(gòu)成,兩層殼體之間填充了厚約20 mm的保溫棉,目的是減小外界環(huán)境對恒溫性能的影響。溫度壓力控制單元利用安裝在腔體上的溫度傳感器和壓力傳感器對腔內(nèi)的溫度和壓力進(jìn)行測量。腔內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)通過控制熱電制冷器(TEC1-071040)的電流方向和大小,從而控制恒溫箱內(nèi)部空氣的加熱或冷卻來實(shí)現(xiàn)。腔內(nèi)壓力由腔體進(jìn)氣端和出氣端的比例閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。自制的溫度壓力控制電路能夠以1 s的采樣間隔測量腔內(nèi)的溫度和壓力,使用比例-微分-積分控制器對光腔內(nèi)的溫度和壓力進(jìn)行控制,并將溫度、壓力信息傳輸至系統(tǒng)內(nèi)的工控機(jī)。
為了能夠從獲得的光譜信號中計(jì)算出腔內(nèi)氣體的濃度,需要確定系統(tǒng)的標(biāo)定系數(shù)k。為此,將不同濃度的CH4和CO2氣體通入系統(tǒng)中進(jìn)行測量,不同濃度氣體對應(yīng)的光譜信號如圖5所示。為了保證圖片的可視性,圖中并未顯示配置的所有氣體濃度。不同濃度的CH4氣體是通過配氣系統(tǒng)(N-4000)將體積分?jǐn)?shù)為1.03×10-8的CH4標(biāo)準(zhǔn)氣體與高純氮?dú)膺M(jìn)行稀釋得到的,不同濃度的CO2氣體通過配氣系統(tǒng)(N-4000)將體積分?jǐn)?shù)為1.004×10-3的CO2標(biāo)準(zhǔn)氣體與高純氮?dú)膺M(jìn)行稀釋得到的;配氣系統(tǒng)的濃度精度為1%。因此,在本實(shí)驗(yàn)中,氣體配制的最低濃度也約為標(biāo)準(zhǔn)氣體的1%。圖4 光腔內(nèi)壓力的24 h測量結(jié)果
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于離軸腔增強(qiáng)吸收光譜雙組分CH4/H2O高靈敏度探測研究[J]. 田興,曹淵,王靜靜,陳家金,劉錕,談圖,王貴師,高曉明. 光譜學(xué)與光譜分析. 2019(10)
[2]采用TDLAS技術(shù)的玉米種子活力快速無損分級檢測[J]. 賈良權(quán),祁亨年,胡文軍,趙光武,闞瑞峰,高璐,鄭雯,許琴. 中國激光. 2019(09)
[3]基于可調(diào)諧二極管激光吸收光譜的痕量水汽測量[J]. 臧益鵬,聶偉,許振宇,彭于權(quán),闞瑞峰. 光學(xué)學(xué)報(bào). 2018(11)
[4]腔增強(qiáng)吸收光譜技術(shù)研究進(jìn)展及其應(yīng)用[J]. 韓犖,夏滑,董鳳忠,張志榮,龐濤,孫鵬帥,吳邊,崔小娟,李哲,余潤磬. 中國激光. 2018(09)
[5]基于離軸積分腔吸收光譜技術(shù)的低濃度水蒸氣測量[J]. 楊薈楠,陳寧,陳軍. 光學(xué)學(xué)報(bào). 2018(02)
本文編號：3347076
【文章來源】：中國激光. 2020,47(08)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
積分腔輸出光譜及透過率示意圖。
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由光腔、溫度壓力控制單元、光譜測量單元和工控機(jī)等構(gòu)成,如圖2所示。圖中氣體出口連接真空泵,氣體入口連接自制膜分離裝置。光腔由兩片反射率為99.999%、曲率半徑為1 m、直徑為25.4 mm的反射鏡構(gòu)成。兩片反射鏡被共軸安裝在不銹鋼腔體內(nèi)的鏡架上,相距0.3 m,腔體兩端采用窗片(KC1-S)密封。腔體上安裝了氣體進(jìn)出管路、溫度傳感器(M222)和壓力傳感器(US266)。激光準(zhǔn)直器(CFC8X-C)用于調(diào)節(jié)激光的發(fā)散角,安裝在光腔一端的調(diào)整架(SPT1)上。調(diào)整架可以調(diào)節(jié)激光進(jìn)入腔內(nèi)的位置和角度,以實(shí)現(xiàn)激光的離軸入射。自制的光電探測器模塊與腔體之間安裝有一片短焦雙凸透鏡,用于將腔內(nèi)的出射光聚焦到光電二極管(FGA10)的光敏面上。光電二極管將收集到的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成電流信號,并由光電探測器模塊內(nèi)的高增益互阻放大器進(jìn)行放大,然后輸出到信號采集電路。固定激光準(zhǔn)直器的調(diào)整架、光電探測器模塊、聚焦透鏡由不銹鋼腔體兩端的30 mm籠式結(jié)構(gòu)固定在腔體上。溫度壓力控制單元用于控制腔體內(nèi)氣體的溫度和壓力。整個(gè)腔體放置在一個(gè)恒溫箱內(nèi),恒溫箱采用內(nèi)外兩層鋁合金殼體構(gòu)成,兩層殼體之間填充了厚約20 mm的保溫棉,目的是減小外界環(huán)境對恒溫性能的影響。溫度壓力控制單元利用安裝在腔體上的溫度傳感器和壓力傳感器對腔內(nèi)的溫度和壓力進(jìn)行測量。腔內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)通過控制熱電制冷器(TEC1-071040)的電流方向和大小,從而控制恒溫箱內(nèi)部空氣的加熱或冷卻來實(shí)現(xiàn)。腔內(nèi)壓力由腔體進(jìn)氣端和出氣端的比例閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。自制的溫度壓力控制電路能夠以1 s的采樣間隔測量腔內(nèi)的溫度和壓力,使用比例-微分-積分控制器對光腔內(nèi)的溫度和壓力進(jìn)行控制,并將溫度、壓力信息傳輸至系統(tǒng)內(nèi)的工控機(jī)。
為了能夠從獲得的光譜信號中計(jì)算出腔內(nèi)氣體的濃度,需要確定系統(tǒng)的標(biāo)定系數(shù)k。為此,將不同濃度的CH4和CO2氣體通入系統(tǒng)中進(jìn)行測量,不同濃度氣體對應(yīng)的光譜信號如圖5所示。為了保證圖片的可視性,圖中并未顯示配置的所有氣體濃度。不同濃度的CH4氣體是通過配氣系統(tǒng)(N-4000)將體積分?jǐn)?shù)為1.03×10-8的CH4標(biāo)準(zhǔn)氣體與高純氮?dú)膺M(jìn)行稀釋得到的,不同濃度的CO2氣體通過配氣系統(tǒng)(N-4000)將體積分?jǐn)?shù)為1.004×10-3的CO2標(biāo)準(zhǔn)氣體與高純氮?dú)膺M(jìn)行稀釋得到的;配氣系統(tǒng)的濃度精度為1%。因此,在本實(shí)驗(yàn)中,氣體配制的最低濃度也約為標(biāo)準(zhǔn)氣體的1%。圖4 光腔內(nèi)壓力的24 h測量結(jié)果
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于離軸腔增強(qiáng)吸收光譜雙組分CH4/H2O高靈敏度探測研究[J]. 田興,曹淵,王靜靜,陳家金,劉錕,談圖,王貴師,高曉明. 光譜學(xué)與光譜分析. 2019(10)
[2]采用TDLAS技術(shù)的玉米種子活力快速無損分級檢測[J]. 賈良權(quán),祁亨年,胡文軍,趙光武,闞瑞峰,高璐,鄭雯,許琴. 中國激光. 2019(09)
[3]基于可調(diào)諧二極管激光吸收光譜的痕量水汽測量[J]. 臧益鵬,聶偉,許振宇,彭于權(quán),闞瑞峰. 光學(xué)學(xué)報(bào). 2018(11)
[4]腔增強(qiáng)吸收光譜技術(shù)研究進(jìn)展及其應(yīng)用[J]. 韓犖,夏滑,董鳳忠,張志榮,龐濤,孫鵬帥,吳邊,崔小娟,李哲,余潤磬. 中國激光. 2018(09)
[5]基于離軸積分腔吸收光譜技術(shù)的低濃度水蒸氣測量[J]. 楊薈楠,陳寧,陳軍. 光學(xué)學(xué)報(bào). 2018(02)
本文編號：3347076
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