基于中红外吸收光谱技术的燃烧场CO浓度测量研究

燃烧场组分的测量对于燃烧诊断具有重要的研究意义。基于可调谐激光吸收光谱(TLAS)技术,采用中红外带间级联激光器(ICL)扫描一氧化碳(CO)的2060cm~(-1)(v=1←0,P20)吸收谱线,实现了对燃烧场CO浓度的测量。实验通过燃烧产物H2O的7154.35cm~(-1)和7467.77cm~(-1)吸收谱线的谱线强度比值反演燃烧场温度,以此修正测量环境下CO谱线强度参数,实现CO浓度的精确测量。首先介绍了TLAS测温验证实验,温度测量在各个设置温度台阶下的波动均小于45K,温度测量具有可靠性;其次开展CO浓度测量标定实验,CO测量浓度与标准气体浓度的误差在3%以内;最后针对甲烷/空气平焰炉在不同燃烧状态下进行CO浓度测量,实现0.35‰~4.5%范围内CO浓度的测量,检测灵敏度为0.035‰。实验验证了中红外吸收光谱技术实现燃烧场组分浓度测量的可行性和可靠性,有助于燃烧诊断的研究,具有较大的应用价值。     

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的甲烷/空气预混平焰炉温度测量

燃烧场温度的测量对于燃烧诊断具有重要意义。开展了基于可调谐半导体激光吸收光谱 (Tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)的在 线测温方法研究,基于双光束分时扫描技术,实现了双激光器协同工作与燃烧产物水汽 7154.35 cm$^{-1}$ 和7467.77 cm$^{-1}$两条吸收谱线的同时测量,并利用双线积分吸光度比值关系完成温度的精确反演, 满足燃烧场温度在线检测应用需要。开展了针对甲烷/空气预混平焰炉火焰温度的实时检测实验研究, 并与热电偶进行了测温对比分析,两种方法的测量具有较好的一致性,相对误差小于3.8\%,验证 了TDLAS技术对燃烧场温度非侵入式快速测量的可行性和可靠性。     

基于TDLAS的CO2高温高压谱线参数测量研究

气体谱线参数的准确性对于应用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)开展燃烧流场参数的精确测量十分重要。针对目前谱线数据库参数在高温高压环境的不确定性,以主要燃烧产物CO₂作为目标气体,开展了CO₂高温高压谱线参数测量研究。设计了耐高温高压气室,在三段管式炉上搭建了一套气体谱线参数高温高压校准装置,以分布反馈式(DFB)半导体激光器作为光源,对中心频率4 988.655 cm^-1的CO₂吸收光谱进行了测量,获得了373～673 K温度范围内,1～3 atm多个压强下的纯CO₂高温高压吸收光谱,经过Voigt线型拟合等数据处理,得到了线强、自展宽系数、温度指数等谱线参数,与HITRAN2016数据库对应的参数进行对比,线强相对误差在-8.6%～-2.4%,线强不确定度约为4.1%,自展宽系数相对误差在-8.8%～2.1%,所测数据对现有的谱线数据库起到了修正和补充。     

基于波长调制吸收光谱的燃烧流场二维重建

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是进行燃烧流场关键参数测量的有效有段。采用近红外水蒸汽的两条吸收线(7168.44 cm~(-1)与7185.60 cm~(-1)),分别利用直接吸收法与波长调制法对不同噪声干扰下的高斯峰流场进行了温度重建的数值仿真。将波长调制法和直接吸收法的二维重建结果进行对比,结果显示基于波长调制法的二维重建有更强的抗噪声能力。以McKenna平面燃烧炉产生的甲烷-空气预混火焰为测量对象,进行了二维温度重建。实验结果显示基于直接吸收法和波长调制法的二维重建的最大偏差分别为8.5%和5.9%,均方相对误差分别为0.0469和0.0268。弱吸收下基于波长调制法的二维重建技术显示了更好的重建效果。     

燃烧流场温度二维重建多吸收谱线重建方法

可调谐半导体激光层析技术可以实现对燃烧流场温度和组分浓度的二维分布测量。提出了一种基于多条吸收谱线组合的燃烧场温度二维重建方法,该方法利用每条吸收谱线对温度的敏感度不同,采取优化组合的方式得到每组吸收谱线对最佳的重建温度区域。文中使用四条H2O吸收谱线,模拟了温度在300~1 500 K范围时高斯分布和随机分布温度二维重建,比较了采用双线法和多条吸收谱线组合方法的温度重建结果。结果表明:采用吸收谱线组合方法和双线法的温度重建误差分别为0.039 6和0.095 2,吸收谱线组合方法可以有效提高重建结果质量。在实际工程应用中,当可以提前预估流场温度重建范围的情况,采用文中提出的多条吸收谱线组合方法可以二维重建结果质量。     

基于波长调制光谱技术的气体温度和组分浓度场二维重建测量方法研究

提出了基于波长调制光谱(WMS)方法实现非均匀燃烧场气体温度和H_2O组分浓度场二维重建的测量方法。利用实验测得的2f/1f信号,通过数值仿真与迭代实现了激光穿过非均匀燃烧场后积分吸光度的测量,进而利用重建算法实现了燃烧场的二维分布测量。选用H_2O的两组谱线对针对单高斯分布和阶跃分布模型开展了数值仿真研究,并采用频分复用方法在平面燃烧火焰中开展了实验研究。结果表明:基于WMS方法的二维重建测量精度较高,在单高斯分布模型中,7185.60cm~(-1)和7454.45cm~(-1)谱线对的温度和H_2O浓度的重建误差分别小于2%和2.5%;在对温度敏感的区间内,所选谱线对的重建误差较小,在对温度不敏感的区间内,重建误差较大;火焰中心区域的重建结果与预测值一致,温度重建误差小于3.2%,在温度阶跃变化的边缘区域,重建效果较差,原因在于WMS方法和代数迭代算法对温度阶跃变化流场不敏感。     

燃烧场内多路径温度与H_2O浓度的在线检测

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术以其响应速度快、灵敏度高、非接触等优点得到了广泛应用。基于该技术以燃烧参数诊断为目标,使用一台窄线宽、波长可调谐的分布反馈式(DFB)激光器产生扫描1395.51 nm和1395.69 nm两条H2O吸收谱线的激光,经1×4光纤分束器实现燃烧场内4条平行路径中温度和H2O浓度的同时在线检测,采用分段温度梯度测量方法补偿低温段对高温区域测量的影响,使中心燃烧区域温度的测量精度由原来的10%提高到3%以内。通过控制空气流量,测量三种不同燃烧状态下中心燃烧区域的温度与H2O浓度变化,结果表明,三种燃烧状态的中心燃烧区域温度差约为80 K,H2O浓度与温度变化情况一致,验证了实验系统和数据处理方法的稳定性和可行性,为下一步燃烧层析诊断及燃煤锅炉燃烧效率优化提供了支持。     

CO2高温光谱参数测量系统设计与实验

CO_2和CO被称为燃烧效率指示性气体,燃烧流场中CO_2的精确测量对工业燃烧过程的节能减排和发动机燃烧状态诊断等都具有重要意义.研究CO_2气体的高温光谱参数,包括:线强、自加宽系数、温度系数,可提高燃烧过程中CO_2浓度的测量精度和可靠性.为了获得可用于燃烧诊断的CO_2吸收线的高温光谱参数,基于可调谐半导体激光吸收光谱技术设计了一套最高温度可达2 073 K的精确控温控压气体光谱参数测量系统.采用该系统开展了CO_2R(50e)吸收线(中心频率为5 007. 787 cm-1)的高温光谱测量实验,获得了温度范围1212～1873 K内多个压强下的纯CO_2气体的大量高温吸收光谱,经热辐射背景扣除、基线拟合、时频转换、多线组合非线性最小二乘法拟合等数据处理过程,得到温度范围1 212～1 873 K内CO_2R(50e)吸收线的线强、自加宽系数及温度系数,其中线强不确定度1. 5%,自加宽系数不确定度小于4. 5%.这些参数是对现有数据库的补充和完善,对燃烧诊断中的CO_2浓度检测有很大帮助,能够满足燃烧过程中CO_2浓度精确反演的需求.     

基于激光吸收光谱技术的超声速气流参数测量

采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术,针对超声速直连台隔离段内超声速气流温度、组分浓度、速度和质量流量进行了测量.选择H2O的两条吸收谱线7 185.597 cm-1和7 454.445 cm-1,采用直接吸收-分时扫描方式,测量流场静温为899 K,并结合吸收面积得到H2O的组分浓度20.7%.根据安装在流场上游和下游成60的两条光路,测量流场速度为1 205 m/s,结合壁面压力传感器,测量流场的质量流量为1 500.49 g/s,较真实值偏差为5.23%.TDLAS测量系统实现了对超声速气流多参数快速线测量.     

采用扫描振镜方式的快调谐TEA CO2激光器

为了研制适用于激光差分吸收雷达(DIAL)的可调谐横向激励大气压(TEA)CO2激光器,利用六温度模型速率方程理论,分析了TEA CO2激光器的动力学特性,计算了激光器的各种输出特性.设计研制了一台高重复频率快调谐TEA CO2激光器,采用共振扫描镜扫描固定光栅的方案实现了激光的快调谐输出.当激光器高重复频率运转时,得到弱支谱线如10P(42)~10P(48)支谱线基横模能量大于100 mJ,脉冲宽度小于100 ns.10P(46)支谱线的远场发散角为2.41 mrad(水平),2.27 mrad(竖直),约为1.6倍衍射极限.实现了任意波长两条谱线在10 ms内快速切换输出.     

可调谐半导体激光吸收传感器的温度测量验证

开发了一种可调谐半导体激光吸收传感器,用于测量气体的温度,应用扫描波长吸收谱和固定波长调制谱探测水蒸气在7 454.4 cm-1和7 185.6 cm-1附近的两条吸收谱线。传感器可实现绝对温度测量,固定波长调制谱更可实现10 kHz以上的测量带宽。传感器的性能和精度在已知温度和压力的静室中进行测量验证,在600~1 000 K的设定温度范围,两种方法的测量误差（RMS）都小于2%。表明可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）传感器对于均匀的流场具有快速和精确的温度测量能力。     

光纤甲烷温度双参数检测系统的研究

温度影响可调谐半导体激光器吸收光谱(TDLAS)式气体监测的准确性,研究了一种甲烷、温度同时检测的系统,两种参数互相校正,提高了气体监测的准确性,同时也提高了温度的检测精度。系统采用1653.7 nm中心波长的分布反馈(DFB)半导体激光器,采用锯齿波调制激光器使其波长扫描,同时扫描出光纤布拉格光栅(FBG)波长以及气体吸收强度,从而可以测出温度和甲烷两个检测量。温度检测可以校正由于温度变化引起的气体检测误差,同时,气体吸收线位置又可以为FBG进行准确的波长定位,使得温度检测精度更高。这种温度、甲烷双参数检测系统更加稳定可靠,更适合应用于煤矿开采和瓦斯抽采等领域。     

利用波长调制光谱的燃烧场温度原位测量

针对高炉煤气成分复杂、燃烧效率低、燃烧稳定性差的问题,提出了基于波长调制光谱（Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS）的高炉煤气燃烧场温度测量方法。WMS具有抗噪声能力强、测量精度高和灵敏度好的特点,适用于高炉煤气燃烧场的温度测量。基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的测量特点,以H2O为目标气体,选取波长位于1 391.67 nm和1 397.75 nm的吸收谱线,通过两个激光器时分复用的方式获取两条目标吸收谱线,对黑体炉和平面火焰燃烧炉进行温度测量,达到了实验验证的目的。实验结果表明,所提检测方案对高炉煤气所在500~2 000 K温度范围内都有较高的测量灵敏度,检测结果线性度优于99%。现场实验验证系统可满足高炉煤气的温度场测量等原位在线测量的应用,为后续的燃烧优化和节能减排奠定了基础。     

基于激光吸收光谱技术在线测量燃烧场温度研究

燃烧场温度的测量对研究燃烧机理、提高燃烧效率、降低污染物排放等至关重要。利用水在1397.75 nm和1397.87 nm处两条邻近的吸收线,采用波长扫描直接吸收法实现了单台二极管激光器对标定燃烧炉甲烷/空气预混火焰温度的测量。并利用基于Labview语言的数据采集卡对信号进行采集和实时处理,从而能够实时在线地获得测量结果,在温度1750 K时标准测量不确定度为2.3%。分析了火焰边界层对测量结果的影响,结果表明燃烧场非均匀性对路径积分测量结果影响较大,且其测量结果不是路径积分算术平均值。     

GaAs中碳局域模振动红外吸收的温度依赖关系

砷化镓中C_(As)在582cm~(-1)处的局域振动模(LVM)吸收带于低温下存在精细结构,利用其中同位素效应产生的分裂谱线很锐(25K时半高宽小于0.1cm~(-1))的特点,研究了吸收谱线的频率和半高宽以及整个吸收带的积分吸收随温度的变化关系.在GaAs中,C_(As)LVM与晶格带模振动之间的非简谐耦合虽然比离子性较强的晶体中要弱,但在温度变化引起谱线发生频移和半高宽变化时,非简谐效应起了重要的作用.在一些P型和高阻样品中,C_(As)LVM吸收带的积分吸收在低温下随温度降低而反常减小,可用带负电荷的C_(As)受主中心浓度随温度降低而减少来解释,由此获得C_(As)受主消电离情况的信息.     

基于波长调制光谱的多参数测量方法研究

基于扫描波长调制光谱技术,开发了一种同时测量气体压强、温度和组分浓度等多个参数的传感器.详细分析了利用谱线的4f_(peak)/2f_(peak)和2f/1f信号测量气体参数的迭代算法以及传感器的设计方案.采用频分复用方案,利用7 429.72 cm~(-1)和7 454.45 cm~(-1)两条H_2O谱线对温度分布在300~1 200 K范围内的静态气室进行了实验研究.实验结果表明迭代算法具有收敛速度快和测量精度高等优点,温度、压强和H_2O组分浓度的测量值与预测值基本符合,与预测值的最大相对偏差分别在4%、6%和6%以内.     

同时测量氢和氧CARS谱的新方法

提出一种仅需一台染料激光器即可同时测量火焰中氢和氧的CARS谱的新方法.取带宽为120cm~(-1).中心波长位于580.4nm的Stokes光束与532nm的泵浦光束相配合.同时测量氢扩散火焰中的氢和氧的CARS谱.用氢的S(6)和S(5)的积分强度比确定火焰中的温度并与氮的Q支CARS谱测量的温度和经过热损耗修正的热电偶测得的温度取得了相当好的一致结果.一次测出氢和氧的CARS谱.避免多次测量中参数的难以重复性.提高了以温度为参数来确定浓度的准确性.     

可调谐TEA CO2激光器技术

近年发展起来的激光差分吸收雷达用于遥测大气污染状况,可获得大气污染物浓度的时空分布,这对了解大气污染的分布实况、寻找主要大气污染来源、防治大气污染等均有很重要的价值.TEACO2激光器工作在9～μM的红外波段,大部分大气污染物和化学物质的特征吸收谱都在此波段内.高重复率可调谐的.TEACO2激光器的研制已成为C02激光差分吸收雷达的关键技术.差分吸收雷达从探测方式上可分为相干探测和直接探测方式,其中直接探测方式又可分为后向地物反射方式和距离分辨方式.早期,由于单台激光器快调谐问题尚未解决,一般都采用多台波长固定的CO2激光器组合使用.随着快速调谐技术的发展,差分吸收雷达系统开始采用单台CO2激光发射器.这就使差分吸收雷达系统更加趋于小型化和实用化.利用符合TEA CO2激光器内多种激光混合气体组分的五温度、六温度模型速率方程理论,详细分析了TEACO2激光器的动力学过程,确定激光谐振腔初始条件后,计算了激光器的各种输出特性.激光器输出脉冲参数如峰值功率、粒子数反转、光强、激光能量等均为时间的函数,并且随着输入参数(气压、温度、耦合输出镜反射率等)的不同而作相应的变化.根据理论计算结果,设计研制了两台高重频快调谐TEA CO2激光器,分别采用高频步进电机驱动光栅和扫描振镜+光栅的技术方案实现了激光的快调谐输出.设计了小型化高重复率可调谐的TEA CO2激光器,激光谐振腔长55 cm,采用高频步进电机驱动光栅法,预电离方式为表面电晕紫外预电离,实验得到激光器的一级调谐输出谱线50余条,激光脉冲输出能量30～100 J,峰值功率0.3～1w,谱线分布于9R、9P、10R、10P四个谱区.单片机控制在单台CO2激光器上实现快速调谐输出波长不同的激光脉冲,不同谱线的输出时间间隔约10ms.采用扫描振镜+光栅的调谐技术,又研制了一种双通道放电激励折叠腔.TEA CO2激光器.详细分析了折叠腔TEACO2激光器的结构及其设计特点,谐振腔长约120 cm,影响气体快放电过程的各种因素,如储能电容与峰值电容的比值、工作气压、充放电电感及输入电压的范围等进行了实验研究,确定了充放电谐振回路的最佳参数,实现了双通道的稳定辉光放电.对激光器输出能量与激励电压、混合气体工作气压等参数的关系进行了实验研究,得到激光器自由振荡最大输出能量约为722 mJ.工控机程序控制扫描振镜+光栅的偏转角度,实现了激光的可调谐输出.激光器脉冲重复频率可达到100 Hz,实验得到一级调谐输出谱线80条.强支谱线如10P(20)、9P(18)支输出能量约400 mJ,弱支谱线如10P(48)、9P(42)支谱线能量约100 mJ.经测量,弱支谱线的远场发散角水平方向和垂直方向均为1.21 mrad,约为2倍衍射极限.实现了任意波长两条谱线在10 ms时间内快速切换输出.     

基于室温脉冲量子级联激光器的脉内光谱技术研究

介绍了基于量子级联激光器的脉内光谱技术,一个长激发脉冲应用在中心波长为7.85 μm脉冲量子级联激光器上,用于快速波长扫描,通过分析比较不同工作参数下的激光光谱信号,寻求最佳的激光器工作参数,并且在选定的工作参数下对目标气体的吸收谱线进行测量,得到了中心在1273.7 cm-1的N2O 吸收谱线.     

基于光声光谱技术的CO气体探测

搭建了基于2.3μm中红外可调谐二极管激光器的CO气体的光声光谱测量系统,并选取4300.699 cm~(-1)处的CO吸收谱线作为传感目标。为了消除较长的CO分子弛豫时间对测量的影响,采用在实验气体中混入水汽的方式来增强光声信号。通过优化调制参数确定出系统的最佳调制振幅和调制频率分别为4.29 cm~(-1)和785 Hz。在最优的实验条件下,所选谱线的二次谐波信号与CO浓度间具有良好的线性关系,其线性度为0.994,利用该关系反演出空气中CO的体积分数约为2.13×10~(-6)。最后利用Allan方差对干湿条件系统的长期稳定性进行了分析,得到系统在干湿条件下的探测极限分别为1.18×10~(-7)和0.58×10~(-7),验证了水汽的加入可以有效提高系统对CO的探测灵敏度。