基于离轴积分腔输出光谱的深海可燃冰探测技术
发布时间：2021-08-17 04:40
可燃冰是一种清洁无污染的新型能源。为了对可燃冰资源进行深海连续走航勘探,膜分离-离轴积分腔输出光谱联用技术（M-ICOS）被应用于海水溶解CH4和CO2气体的探测。M-ICOS系统由膜分离单元、腔内温度压力控制单元、光腔、光谱测量单元和工业计算机等组成。实验研究发现,该系统的温度和压力控制精度分别为0.0003733℃和0.6799 Pa,CH4检测极限为0.56×10-9,CO2检测极限为0.62×10-6。利用M-ICOS系统在南海神狐海域进行了实地测量实验,实验发现,在海面下500～700 m处,水中溶解的CH4和CO2浓度有剧烈的波动,这可能是由于此处海流携带了海底可燃冰富集区域释放的高浓度溶解气体。M-ICOS系统具有良好的灵敏度和稳定性,能够在深海恶劣条件下对海水溶解CH4和CO2进行探测,从而实现对可燃冰资源的连续走航勘探。
【文章来源】：中国激光. 2020,47(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
积分腔输出光谱及透过率示意图。
实验系统由光腔、温度压力控制单元、光谱测量单元和工控机等构成,如图2所示。图中气体出口连接真空泵,气体入口连接自制膜分离装置。光腔由两片反射率为99.999%、曲率半径为1 m、直径为25.4 mm的反射镜构成。两片反射镜被共轴安装在不锈钢腔体内的镜架上,相距0.3 m,腔体两端采用窗片(KC1-S)密封。腔体上安装了气体进出管路、温度传感器(M222)和压力传感器(US266)。激光准直器(CFC8X-C)用于调节激光的发散角,安装在光腔一端的调整架(SPT1)上。调整架可以调节激光进入腔内的位置和角度,以实现激光的离轴入射。自制的光电探测器模块与腔体之间安装有一片短焦双凸透镜,用于将腔内的出射光聚焦到光电二极管(FGA10)的光敏面上。光电二极管将收集到的光强转换成电流信号,并由光电探测器模块内的高增益互阻放大器进行放大,然后输出到信号采集电路。固定激光准直器的调整架、光电探测器模块、聚焦透镜由不锈钢腔体两端的30 mm笼式结构固定在腔体上。温度压力控制单元用于控制腔体内气体的温度和压力。整个腔体放置在一个恒温箱内,恒温箱采用内外两层铝合金壳体构成,两层壳体之间填充了厚约20 mm的保温棉,目的是减小外界环境对恒温性能的影响。温度压力控制单元利用安装在腔体上的温度传感器和压力传感器对腔内的温度和压力进行测量。腔内温度的调节通过控制热电制冷器(TEC1-071040)的电流方向和大小,从而控制恒温箱内部空气的加热或冷却来实现。腔内压力由腔体进气端和出气端的比例阀进行调节。自制的温度压力控制电路能够以1 s的采样间隔测量腔内的温度和压力,使用比例-微分-积分控制器对光腔内的温度和压力进行控制,并将温度、压力信息传输至系统内的工控机。
为了能够从获得的光谱信号中计算出腔内气体的浓度,需要确定系统的标定系数k。为此,将不同浓度的CH4和CO2气体通入系统中进行测量,不同浓度气体对应的光谱信号如图5所示。为了保证图片的可视性,图中并未显示配置的所有气体浓度。不同浓度的CH4气体是通过配气系统(N-4000)将体积分数为1.03×10-8的CH4标准气体与高纯氮气进行稀释得到的,不同浓度的CO2气体通过配气系统(N-4000)将体积分数为1.004×10-3的CO2标准气体与高纯氮气进行稀释得到的;配气系统的浓度精度为1%。因此,在本实验中,气体配制的最低浓度也约为标准气体的1%。图4 光腔内压力的24 h测量结果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于离轴腔增强吸收光谱双组分CH4/H2O高灵敏度探测研究[J]. 田兴,曹渊,王静静,陈家金,刘锟,谈图,王贵师,高晓明. 光谱学与光谱分析. 2019(10)
[2]采用TDLAS技术的玉米种子活力快速无损分级检测[J]. 贾良权,祁亨年,胡文军,赵光武,阚瑞峰,高璐,郑雯,许琴. 中国激光. 2019(09)
[3]基于可调谐二极管激光吸收光谱的痕量水汽测量[J]. 臧益鹏,聂伟,许振宇,彭于权,阚瑞峰. 光学学报. 2018(11)
[4]腔增强吸收光谱技术研究进展及其应用[J]. 韩荦,夏滑,董凤忠,张志荣,庞涛,孙鹏帅,吴边,崔小娟,李哲,余润磬. 中国激光. 2018(09)
[5]基于离轴积分腔吸收光谱技术的低浓度水蒸气测量[J]. 杨荟楠,陈宁,陈军. 光学学报. 2018(02)
本文编号：3347076
【文章来源】：中国激光. 2020,47(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
积分腔输出光谱及透过率示意图。
实验系统由光腔、温度压力控制单元、光谱测量单元和工控机等构成,如图2所示。图中气体出口连接真空泵,气体入口连接自制膜分离装置。光腔由两片反射率为99.999%、曲率半径为1 m、直径为25.4 mm的反射镜构成。两片反射镜被共轴安装在不锈钢腔体内的镜架上,相距0.3 m,腔体两端采用窗片(KC1-S)密封。腔体上安装了气体进出管路、温度传感器(M222)和压力传感器(US266)。激光准直器(CFC8X-C)用于调节激光的发散角,安装在光腔一端的调整架(SPT1)上。调整架可以调节激光进入腔内的位置和角度,以实现激光的离轴入射。自制的光电探测器模块与腔体之间安装有一片短焦双凸透镜,用于将腔内的出射光聚焦到光电二极管(FGA10)的光敏面上。光电二极管将收集到的光强转换成电流信号,并由光电探测器模块内的高增益互阻放大器进行放大,然后输出到信号采集电路。固定激光准直器的调整架、光电探测器模块、聚焦透镜由不锈钢腔体两端的30 mm笼式结构固定在腔体上。温度压力控制单元用于控制腔体内气体的温度和压力。整个腔体放置在一个恒温箱内,恒温箱采用内外两层铝合金壳体构成,两层壳体之间填充了厚约20 mm的保温棉,目的是减小外界环境对恒温性能的影响。温度压力控制单元利用安装在腔体上的温度传感器和压力传感器对腔内的温度和压力进行测量。腔内温度的调节通过控制热电制冷器(TEC1-071040)的电流方向和大小,从而控制恒温箱内部空气的加热或冷却来实现。腔内压力由腔体进气端和出气端的比例阀进行调节。自制的温度压力控制电路能够以1 s的采样间隔测量腔内的温度和压力,使用比例-微分-积分控制器对光腔内的温度和压力进行控制,并将温度、压力信息传输至系统内的工控机。
为了能够从获得的光谱信号中计算出腔内气体的浓度,需要确定系统的标定系数k。为此,将不同浓度的CH4和CO2气体通入系统中进行测量,不同浓度气体对应的光谱信号如图5所示。为了保证图片的可视性,图中并未显示配置的所有气体浓度。不同浓度的CH4气体是通过配气系统(N-4000)将体积分数为1.03×10-8的CH4标准气体与高纯氮气进行稀释得到的,不同浓度的CO2气体通过配气系统(N-4000)将体积分数为1.004×10-3的CO2标准气体与高纯氮气进行稀释得到的;配气系统的浓度精度为1%。因此,在本实验中,气体配制的最低浓度也约为标准气体的1%。图4 光腔内压力的24 h测量结果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于离轴腔增强吸收光谱双组分CH4/H2O高灵敏度探测研究[J]. 田兴,曹渊,王静静,陈家金,刘锟,谈图,王贵师,高晓明. 光谱学与光谱分析. 2019(10)
[2]采用TDLAS技术的玉米种子活力快速无损分级检测[J]. 贾良权,祁亨年,胡文军,赵光武,阚瑞峰,高璐,郑雯,许琴. 中国激光. 2019(09)
[3]基于可调谐二极管激光吸收光谱的痕量水汽测量[J]. 臧益鹏,聂伟,许振宇,彭于权,阚瑞峰. 光学学报. 2018(11)
[4]腔增强吸收光谱技术研究进展及其应用[J]. 韩荦,夏滑,董凤忠,张志荣,庞涛,孙鹏帅,吴边,崔小娟,李哲,余润磬. 中国激光. 2018(09)
[5]基于离轴积分腔吸收光谱技术的低浓度水蒸气测量[J]. 杨荟楠,陈宁,陈军. 光学学报. 2018(02)
本文编号：3347076
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