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。     

燃烧流场波长调制光谱吸收模型的研究

基于可调谐半导体吸收光谱的波长调制技术,建立了精确的吸收模型。通过两条已知吸收中心的吸收谱线,对标准具自由光谱范围进行标定,并利用更贴近激光器出光特性的描述模型,得到激光器频率-时间响应,结合实验室标定和HITEMP数据库的杂合吸收谱线参数,建立了可与实际吸收直接比较的精确模型,以诊断燃烧流场。本研究以H_2O为目标分子,选取吸收中心为7185.60 cm~(-1)和6807.83 cm~(-1)两条吸收线,利用扣除背景的归一化二次谐波信号峰值反演流场温度,并在管式高温炉上进行实验验证,最高测量温度为1500 K,相对误差小于3.1%。吸收模型的准确性决定了所测流场参数的准确性,该模型可应用到更为复杂的燃烧流场环境,实现流场参数的精确测量。     

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。     

程差法测量1．315μm附近CO2的吸收

CO2在碘激光波长(1.315 μm)的吸收截面比水汽小得多.我们利用可调谐激光长程吸收光谱测量实验系统,测量了1.315 μm附近CO2的高分辨率吸收光谱,采用测量不同光程的相对透过率方法(程差法)计算出碘激光波长CO2的微弱吸收.结果表明,在1.315 μm波段存在CO2的吸收谱线和连续吸收.在氧碘激光频率(7603.1385 μm-1)CO2的吸收截面(1×10-24 cm2量级) 比按HITRAN 96谱线参数计算的线翼吸收大;与Bragg用光声方法测量的结果相当.本报告将介绍测量实验方法和计算分析结果.(PG8)     

非均匀流场CO2浓度分布测量方法研究

在使用TDLAS技术测量高温燃烧环境下CO2浓度分布时,由于流场的分布非均匀性以及近红外波段的CO2谱线吸收较弱且容易受H2O的吸收干扰,使得二维浓度场的重建测量尤为困难.为解决上述问题,本文提出了一种基于TDLAS技术的非均匀流场二维浓度分布重建方法.该方法利用CO2的吸收谱线R(50)具有R2f/1f在中心频率处的...     

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。     

聚氯乙烯C-Cl伸缩振动模式的ATR二维红外光谱研究

采用变温傅里叶变换衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)技术,分别研究了聚氯乙烯C-Cl伸缩振动模式(νC-Cl)的红外一维光谱、红外二阶导数光谱、红外四阶导数光谱、红外去卷积光谱和二维相关红外光谱。研究发现:在700~600cm~(-1)的频率范围内,聚氯乙烯νC-Cl分别在604、615、637和695cm~(-1)频率处有红外吸收峰。玻璃化转变温度前,随着测定温度的升高,聚氯乙烯νC-Cl红外吸收强度的变化快慢顺序为:604cm~(-1)>695cm~(-1)>615cm~(-1)>637cm~(-1)。玻璃化转变温度后,而随着测定温度的升高,聚氯乙烯νC-Cl红外吸收强度的变化快慢顺序为:695cm~(-1)>604cm~(-1)>615cm~(-1)>637cm~(-1)。     

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.     

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TDLAS的气体温度测量

介绍了基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)的气体温度测量原理,选择了1对O2吸收谱线13 163.78 cm-1和13 164.18 cm-1,理论计算了此谱线对线强比值R与温度的关系,在搭建的高温实验装置上实现了O2温度和浓度的同时测量,并分析了压力对温度测量的影响。实验结果表明:在823~1 323 K内,温度测量的线性误差为0.65%。最大波动为±15 K,压力变化对温度测量的影响可忽略不计。     

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。     

TDLAS燃烧气体温度测量吸收谱线对的选择

高温气体的温度场测量,一直以来是一项重大科研课题,而利用可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)测量燃烧气体温度的基础是吸收谱线对的选择。本文首先系统地给出吸收分子及其谱线对的选择标准,而后重点对HITEMP数据库中1547.72 nm附近的水分子吸收谱线进行研究与筛选,通过仿真分析验证了谱线对6460.595 cm-1和6461.271 cm-1适合用于TDLAS高温气体温度测量系统,最后通过搭建的实验设备验证了这一对吸收谱线对很适合用作氢气或碳氢化合物做燃料的高温气体的温度测量,对TDLAS温度场测量系统的设计具有参考意义。     

QCLAS在JLMPGF6.5发动机CO体积分数测量中的应用

为了精确测量吸收光谱，并尽量减小温度与湍流波动对光谱测量结果的影响，采用谱线模拟仿真模拟和20kHz高频扫描的方法，选取中红外基频跃迁带内低温度敏感性谱线P(10)，进行了理论分析和实验验证，取得了发动机CO吸收光谱及其体积分数随时间变化的数据，变化范围为(153±123)×10-6。结果表明，P支谱线扫描范围内可降低48.28%目标气体温度变化对体积分数反演的影响。该方案能够为发动机尾气CO激光遥感测量提供一个高速、精准、实时的监测方案。     

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.     

温度对CO光谱线吸收的影响分析

为了研究温度变化对CO吸收光谱线的影响,首先从吸收光谱原理出发,采用理论分析的方法,并利用高分辨率分子透射吸收数据库得出与温度有关的CO吸收光谱线谱线强度、综合加宽线型函数和吸收系数,然后通过MAT-LAB数值仿真出温度与CO吸收光谱线的谱线强度、综合加宽线型函数和吸收系数的变化关系曲线,并分析讨论温度与它们的关系。结果表明,温度对CO吸收光谱线的影响,特别是对综合加宽线型函数的影响是复杂的,并且不同激光频率还会影响线型函数和吸收系数随温度的变化关系,这对于实际应用中CO的吸收与测量具有重要的参考价值。     

基于光纤激光器的机动车尾气CO排放浓度检测方法

传统方法检测CO浓度时,对CO分子激发态限值的判断不够精确,导致浓度检测存在一定误差。为此,提出基于光纤激光器的机动车尾气CO排放浓度检测方法。入射具有一定波长的光束,使CO分子对光子进行选择性吸收,得到CO红外吸收光谱,选取一条具有CO光谱特征的谱线,利用光纤激光器进行光谱检测,计算CO谱线特征参数,划分红外光谱,计算红外光谱产生热能,并将热能转换为声波,检测声波信号,通过声传播波动方程计算CO浓度。此次提出方法与三种传统方法进行对比实验,利用可调谐光纤激光器,获取CO吸收峰位置,分别对该位置的CO浓度进行检测,结果表明,当配制浓度和实验温度不同时,此次方法检测误差都要小于传统方法,提高了CO排放浓度检测灵敏度。     

基于双谱线吸收光谱的温度测试技术及校正方法研究北大核心CSCD

基于双谱线的激光吸收光谱技术具有测试精度较高、响应速度快等优点,常被应用于燃烧场和爆炸场的温度测量中,但在测试中,容易受到环境等因素的影响,带来较大的测试误差。本文基于双谱线吸收光谱技术,选择波数分别为7182.94962 cm^(-1)和7179.7524 cm^(-1)的两条水分子吸收谱线,研发了温度快速测试系统,测试周期为500μs,并对高温炉内的温度测试技术开展了相关研究。实验结果表明,通过双谱线直接计算得到的温度误差较大,在综合考虑了环境因素和邻近谱线干扰因素情况下,对温度计算结果进行了相应的修正,经过修正之后,温度测试精度得到极大的提高,误差约为5%。因此,测试方案和测温系统具有较高的准确性,为后续燃烧和爆炸等瞬态温度场测试技术研究奠定基础。     

硅中氧的FTIR研究

对不同氧含量的硅片在300K到4.2K温度范围进行红外吸收测量表明:低温(80～4.2K)下硅的红外吸收谱中1127cm~(-1)处的吸收是硅中氧的吸收峰.     

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。     

2μm附近二极管激光吸收光谱CO2浓度测量研究

采用波长2μm附近的可调谐半导体激光二极管作为光源,结合多步吸收光程和光纤传输技术,通过激光吸收光谱直接测量方法对CO2分子浓度进行测量研究。实验在标定了激光器调谐范围内17条CO2吸收谱线的波长及相应的吸收带跃迁的基础上,研究了不同压力下纯CO2气体在2008nm附近的吸收光谱,由吸收信号随气体压力的变化关系得到低气压下实验装置的系统刻度因子。并进一步对样品气体的CO2浓度进行测量,测量给出CO2分子浓度为(2.754±0.145)×1016 cm-3,测量误差主要来源于目前实验中所使用的气压计的精度和读数局限性。该研究为气体分子浓度测量、同位素含量分析提供了一种光谱测量方法。