基于光路自动准直的甲烷遥测技术 
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Methane Telemetry Based on Optical Path Automatic Collimation
中国石油大学(华东)控制科学与工程学院, 山东 青岛 266580
图 & 表
图 1. 遥测装置示意图
Fig. 1. Diagram of telemetry device
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图 2. 检测装置光功率(DC)信号和光谱(2f)信号
Fig. 2. Optical power (DC) signal and spectrum (2f) signal of detection device
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图 3. 不同驱动电流下的光束发散角。(a) W方向;(b) V方向
Fig. 3. Laser beam divergence angle under different driving currents. (a) In W direction; (b) in V direction
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图 4. 接收光功率的变化
Fig. 4. Changes in the received optical power
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图 5. 光斑中心位置的变化图。(a) 44 cm处;(b) 167 cm处
Fig. 5. Variation of spot center position. (a) At 44 cm; (b) at 167 cm
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图 6. ZEMAX仿真中的变焦透镜。(a)变焦透镜结构;(b)变焦透镜表面受重力影响的形变模型
Fig. 6. Zoom lens in ZEMAX simulation. (a) Structure of zoom lens; (b) deformation model of zoom lens surface affected by gravity
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图 7. 浓度标定。(a)不同浓度甲烷的2f光谱图;(b) 2f信号峰峰值与积分浓度的关系
Fig. 7. Concentration calibration. (a) 2f spectra of methane at different concentrations; (b) relationship between peak-peak value of 2f signal and integral concentration
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图 8. 稳定性测试。(a) CH4浓度读数;(b) Allan方差曲线
Fig. 8. Stability test. (a) CH4 concentration reading; (b) Allan variance curve
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图 9. 遥测装置和结果。(a)测试楼道中的甲烷泄漏;(b)遥测装置的光学器件;(c) 4.95×10-6浓度甲烷测试光谱图
Fig. 9. Telemetry device and results. (a) Test for methane leaking in corridor; (b) optical devices of telemetry device; (c) test spectrum for methane concentration of 4.95×10-6
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表 1电控变焦透镜对接收光功率的提高效果
Table1. Improvement effect of electronically controlled zoom lens on receiving optical power
| Test distance /m | Concentration ofsample /% | Optimal drivingcurrent /mA | Increased timesof receiving optical power | Improvementtimes of SNR |
|---|
| 0.1 | 25 | 1.7 | 1.69 | | 4.5 | 0.5 | 25 | 3.6 | 1.24 | | 1.0 | 10 | 2.4 | 1.10 | | 0.1 | 85--89 | 2.8 | 1.28 | | 50 | 0.5 | 86--89 | 2.0 | 1.36 | | 1.0 | 91--95 | 2.0 | 1.09 |
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表 2不同模型、不同焦距的偏转角实测值与仿真值
Table2. Measured and simulated values of deflection angle for different focal lengths of different models
| Current /mA | Focallength /cm | Measuredangle /(°) | Spherical model | Aspherical model |
|---|
| Simulationangle /(°) | Error /(°) | Simulationangle /(°) | Error /(°) |
|---|
| 85 | 374.5 | 0.01369 | 0.01300 | -0.00069 | 0.01357 | -0.00012 | | 92 | 220.8 | -0.00835 | -0.00738 | 0.00097 | -0.00842 | -0.00007 | | 95 | 187.6 | -0.02282 | -0.02572 | -0.00290 | -0.02297 | -0.00015 |
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表 3现场测试结果
Table3. Field test results
| Test No. | Test distance /m | Integral concentration /10-6 | Average concentration /10-6 |
|---|
| 1 | 100.0 | 740.0 | 7.40 | | 2 | 104.4 | 516.9 | 4.95 |
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季文海, 宋迪, 焦月, 马龙岩, 李国林. 基于光路自动准直的甲烷遥测技术[J]. 光学学报, 2020, 40(18): 1812001. Wenhai Ji, Di Song, Yue Jiao, Longyan Ma, Guolin Li. Methane Telemetry Based on Optical Path Automatic Collimation[J]. Acta Optica Sinica, 2020, 40(18): 1812001.
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