一种免脱气水下溶解二氧化碳检测装置、检测方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于海洋溶解气体检测技术领域，公开了一种免脱气水下溶解二氧化碳检测装置、检测方法，免脱气水下溶解二氧化碳检测装置设置有用于为功率调谐单元提供功率调谐驱动信号、控制功率调谐单元调谐参数的计算机；计算机分别与激光器驱动控制模块、功率调谐单元相连接；激光器驱动控制模块与激光器相连接，激光器与光隔离器相连接；光隔离器与掺铥光纤直腔激光器光源系统相连接，掺铥光纤直腔激光器光源系统通过光纤准直器与光声池系统相连接；光声池系统与前置放大电路、锁相放大器依次连接，锁相放大器与计算机相连接。本发明专利技术可实现免脱气检测，实现明场原位探测，提升系统响应速度和检测灵敏性。速度和检测灵敏性。速度和检测灵敏性。

【技术实现步骤摘要】
一种免脱气水下溶解二氧化碳检测装置、检测方法


[0001]本专利技术属于海洋溶解气体检测
，尤其涉及一种免脱气水下溶解二氧化碳检测装置、检测方法。

技术介绍

[0002]目前，工业革命以来，二氧化碳的排放不断加剧，引发全球变暖、海平面上升、极端天气频发等一系列气候问题，海洋是地球上最大的活跃碳库，吸收人类活动产生的约30％的二氧化碳，海洋中溶解二氧化碳的增加会带来海洋酸化、海洋矿物溶解、海洋缺氧死区等问题，因此，海洋溶解二氧化碳检测技术的发展至关重要。
[0003]目前，海洋溶解二氧化碳检测技术包括现场采样检测法、电化学检测法、光纤化学检测法、红外光谱检测法等。
[0004]现场采样检测法是将海面下不同深度和位置的海水分装采集，通过顶空平衡法、气体提取法和真空脱气法在科考船或实验室进行气液分离得到目标气体，再利用气相色谱法进行测定，如重庆交通大学秦宇的“夏季金沙江下游水
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气界面CO2、CH4通量特征初探”，《湖泊科学》,2017,29(04):991
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999。该方法分析时间较长、操作过程复杂，不满足实时的检测需求，且海水中二氧化碳浓度会随季节、环境发生变化，需要连续性测量，而此方法仅针对某时间点的测量，具有局限性，同时分析过程中容易产生样本气体逸散，造成检测结果偏差。
[0005]电化学检测法、光纤化学检测法都是基于测量海水的PH值变化来测量二氧化碳浓度，电化学检测法中测量电极上加有离子选择性透过膜，其电势与特定离子浓度呈线型关系，通过测量电极与参考电极上的电势差，计算海水中溶解二氧化碳的浓度值，如美国Sea
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Bird公司的SBE系列传感器中集成的溶解氧Clark cell就是基于电化学原理；而光纤化学检测法先将海水中处于离子态和自由态的二氧化碳通过选择性透过膜输送到传感器内部，使得内部的PH指示试剂发生变化,导致敏感试剂发出荧光，再通过光纤传送至光电检测器,计算出二氧化碳浓度，如美国Sunburst Sensors公司研制的SAMI
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CO2传感器。上述测量方法存在脱气效率低、样本气体损耗，影响检测结果的准确度。
[0006]红外光谱检测法通过红外光激发待测气体分子能级跃迁，使得红外光的能量储存到气体分子中，当激光照射待测气体时，特定波长的辐射被待测气体吸收进而产生吸收峰。由比尔
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朗伯定律可知,气体的吸收峰强度与其浓度成正比关系，通过测量气体对应光的波长和吸收峰强度,便可测量气体的种类及浓度，如陈根南的“一种基于红外光谱吸收原理的二氧化碳气体检测系统”专利号：CN201710285100.7。此外，光谱法气体传感方法还包括拉曼光谱技术、差分吸收光谱技术、衰减全反射技术、表面等离子体共振技术以及可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)。其中，TDLAS技术具有环境适应性强、灵敏度高、不消耗样气等优点，但实际应用中仍需先脱气，再检测，存在脱气效率低，响应速度慢等问题；其次若想提升检测灵敏度，则需采用多次反射式长光程吸收池设计，导致吸收池体积增加，需要脱出更多气体，目前该方案下响应时间和提升测量灵敏度存在不可调和的矛盾。
[0007]通过上述分析，现有技术存在的共性问题及缺陷为：需要先脱气，后测量。尤其是目前较为可靠的TDLAS检测技术，要想提升测量灵敏度，需要从海水中脱出大量的待测气体来填充长光程吸收池，这大大增加了系统的测量时间，脱气时间长又会带来一系列的负面影响，比如降低海水测量的时空分辨率、降低测量准确度。
[0008]解决以上问题及缺陷的难度为：目前尚没有一种先进技术能够支持海水中溶解气体的免脱气测量，TDLAS技术所采用的红外光源在海水中传输损耗极高，传输距离短，势必导致该技术直接用于水下的测量精度，稳定性也很难保证。而其他电化学等传统方法受反应机理限制，敏感探头不能与海水直接接触。
[0009]解决以上问题及缺陷的意义为：本专利技术提出一种基于光声光谱的免脱气水下溶解气体探测方案，解决了本领域“先脱气，后测量”的难点问题，摆脱脱气环节，对水中溶解气体进行直接探测，大大提升系统的响应速度，原先受脱气时间长所带来的测量准确度低、气体浓度反演困难等难题也大大缓解。此外，本专利技术还采用掺铥光纤激光光源、功率调谐、调Q脉冲输出等技术手段，能大幅提升测量灵敏度。

技术实现思路

[0010]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种免脱气水下溶解二氧化碳检测装置、检测方法。
[0011]本专利技术是这样实现的，一种免脱气水下溶解二氧化碳检测装置，所述免脱气水下溶解二氧化碳检测装置设置有用于为功率调谐单元提供功率调谐驱动信号、控制功率调谐单元调谐参数的计算机；
[0012]所述计算机分别与激光器驱动控制模块、功率调谐单元相连接；所述激光器驱动控制模块与2004nm激光器相连接，所述2004nm激光器与光隔离器相连接；
[0013]所述光隔离器与掺铥光纤直腔激光器光源系统连接，所述掺铥光纤直腔激光器光源系统通过光纤准直器与光声池系统相连接；
[0014]所述光声池系统与前置放大电路、锁相放大器依次连接，锁相放大器与所述计算机相连接。
[0015]进一步，所述功率调谐单元可采用光开关、电光调制器、声光调制器中的其中一种；所述功率调谐单元用于对腔内损耗进行周期性调制，进行功率调谐和调Q脉冲输出。
[0016]进一步，所述掺铥光纤直腔激光器光源系统由HR高反光栅、功率调谐单元、第一793nm泵浦激光器、第一波分复用器、掺铥光纤、第二波分复用器、第二793nm泵浦激光器、LR低反光栅依次连接构成；
[0017]所述HR高反光栅和LR低反光栅构成所述掺铥光纤直腔激光器光源系统的谐振腔；所述谐振腔在LR低反光栅的一端进行激光输出；
[0018]所述第一793nm泵浦激光器、第二793nm泵浦激光器和第一波分复用器、第二波分复用器，用于对掺铥光纤进行双向泵浦。
[0019]进一步，所述掺铥光纤，用于提高2004nm波长激光的输出功率。
[0020]进一步，所述第一793nm泵浦激光器、第二793nm泵浦激光器，也可分别对掺铥光纤进行单向泵浦；
[0021]所述第一波分复用器、第二波分复用器，也可分别配合第一793nm泵浦激光器和第
二793nm泵浦激光器对掺铥光纤进行单向泵浦。
[0022]进一步，所述光声池系统依次设置有过滤器、减压阀、流量阀、进水口、麦克风、出水口、聚焦透镜、增压排水泵；
[0023]所述过滤器、减压阀和流量阀，分别用于进行海水的过滤、减压、稳流和定量。
[0024]进一步，所述麦克风与光声池系统内壁固定连接，同时与所述聚焦透镜保持正交关系，用于进行声波信号的采集与转换；
[0025]所述光声池外壁包裹有吸音材料，用于减轻环境噪音的干扰。
[0026]进一步，所述光纤准直器和所述聚焦透镜相连接，用于进行入射光线的准直和聚焦；
[0027]所述锁相放大本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种免脱气水下溶解二氧化碳检测装置，其特征在于，所述免脱气水下溶解二氧化碳检测装置设置有用于为功率调谐单元提供功率调谐驱动信号、控制功率调谐单元调谐参数的计算机；所述计算机分别与激光器驱动控制模块、功率调谐单元相连接；所述激光器驱动控制模块与激光器相连接，所述激光器与光隔离器相连接；所述光隔离器与掺铥光纤直腔激光器光源系统连接，所述掺铥光纤直腔激光器光源系统通过光纤准直器与光声池系统相连接；所述光声池系统与前置放大电路、锁相放大器依次连接，锁相放大器与所述计算机相连接。2.如权利要求1所述免脱气水下溶解二氧化碳检测装置，其特征在于，所述功率调谐单元可采用光开关、电光调制器、声光调制器中的其中一种；所述功率调谐单元用于对腔内损耗进行周期性调制，进行功率调谐和调Q脉冲输出。3.如权利要求1所述免脱气水下溶解二氧化碳检测装置，其特征在于，所述掺铥光纤直腔激光器光源系统由HR高反光栅、功率调谐单元、第一泵浦激光器、第一波分复用器、掺铥光纤、第二波分复用器、第二泵浦激光器、LR低反光栅依次连接构成；所述HR高反光栅和LR低反光栅构成所述掺铥光纤直腔激光器光源系统的谐振腔；所述谐振腔在LR低反光栅的一端进行激光输出；所述第一泵浦激光器、第二泵浦激光器和第一波分复用器、第二波分复用器，用于对掺铥光纤进行双向泵浦。4.如权利要求3所述免脱气水下溶解二氧化碳检测装置，其特征在于，所述掺铥光纤，用于提高2004nm波长激光的输出功率。5.如权利要求3所述免脱气水下溶解二氧化碳检测装置，其特征在于，所述第一泵浦激光器、第二泵浦激光器，可对掺铥光纤进行单向泵浦；所述第一波分复用器、第二波分复用器，可对掺铥光纤进行单向泵浦。6.如权利要求1所述免脱气水下溶解二氧化碳检测装置，其特征在于，所述光声池系统依次设置有过滤器、减压阀、流量阀、进水口、麦克风、出水口、聚焦透镜、增压排水泵；所述过滤器、减压阀和流量阀，分别用于进行海水的过滤、减压和...

【专利技术属性】
技术研发人员：王福鹏，梁瑞，薛庆生，武精华，郝锡杰，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：