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。     

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。     

基于免校准波长调制的多光程吸收光谱

为了研究免校准波长调制光谱技术对激光光强变化及外界干扰的免疫能力, 采用基于免校准波长调制技术的多光程吸收光谱, 以乙炔为测量目标, 进行了理论分析和实验验证。结果表明, 不同激光功率下得到的波长调制二次谐波信号幅值发生明显变化, 但通过免校准的方法得到的信号变化较小, 且受气流影响、部分遮光、系统振动等外界干扰影响较小; 采用免校准方法实验得到的体积分数在5×10-6 ~9×10-5范围内的光谱信号拥有较好的线性度, 相关系数达0.9997;采用Allan方差分析得到该实验系统的最小探测极限可达1.2×10-8。免校准波长调制光谱技术能较好地避免光强抖动、气流干扰、系统振动等干扰, 从而提高系统稳定性和探测灵敏度。     

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。     

非分光多波长调制吸收光谱测量方法

针对激光吸收光谱技术波长调制方法测量技术,提出了一种非分光多谱线二次谐波测量方法。通过调整谱线间相对位置,在无需光栅等分光装置条件下可实现对多谱线调制信号的解调制,进而在线测量气体温度。基于7185.60 cm^-1/7444.35 cm^-1 H₂O吸收谱线讨论了调制系数和谱线间相对位置对于测量的影响,结合调制信号频谱图分析了不同调制频率工况下的二次谐波提取方法。利用数值仿真方法建立了脉冲爆轰过程复杂流场变化模型,采用提出方法对脉冲爆轰过程燃气温度进行了测量,验证了该方法的正确性。研究结果对复杂环境条件下波长调制测量方法的应用具有重要意义。     

大光学深度波长调制吸收光谱的研究

由于在高光学深度下,比尔-朗伯特(Beer-Lambert)定律的线性近似不再成立,波长调制光谱(WMS)中常用的偶次谐波探测失效.比较研究了适用于高光学深度的对数光谱方法和比值方法,理论研究了这两种方法的测量分辨率以及信号幅度随光学深度变化的规律,研制了一套波长调制光谱光纤甲烷传感器.得到了对数方法中光源功率调制的傅里叶系数表达式;研究了制约对数光谱方法和比值方法分辨率的因素.研究表明,对数光谱方法的测量分辨率高于比值方法2～3个数量级.     

基于TDLAS的二维温度场重建算法

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术结合层析成像(CT)算法能实现流场温度、浓度等信息的二维重建测量。为研究层析成像算法对温度场二维重建质量的影响,实现了两种典型重建算法:代数迭代重建算法(ART)和模拟退火(SA)算法。在不同的射线分布和吸收谱线数目情况下,使用两种算法对给定单峰温度场和双峰温度场分别进行重建仿真,比较分析了两种算法的重建结果。仿真结果表明,影响代数迭代重建算法重建质量的主要因素是射线分布,而模拟退火算法则对吸收谱线数较为敏感;对于单峰温度场,代数迭代重建算法重建结果的最大偏差为5.6%,略好于使用6条吸收谱线时模拟退火算法重建结果的6.2%;对于双峰温度场,模拟退火算法重建结果的最大偏差为5.5%,而代数迭代重建算法的最大偏差则高达22%。     

基于跨波长调制和直接吸收光谱的宽量程多气体检测方法

针对可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)在煤矿、石油化工领域进行气体浓度检测时,遇到的高精度、宽动态范围需求,采用时分复用的方法,将直接吸收光谱技术(Direct Absorption Spectroscopy,DAS)和波长调制光谱(Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS)技术的优势相结合,完成了高精度、宽量程和免标定多气体检测系统的设计。设计激光器的驱动为线性扫描输出和叠加不同高频调制扫描输出的周期信号,用于完成高低浓度反演算法的时分复用计算,通过实验优化选择检测气体的吸光度拐点,实现对气体浓度的高精度、宽量程检测。在室温和常压下,通过实验分别对CH₄、CO和C₂H₂三种气体体积浓度进行检测,确定了两种算法最佳拐点吸光度约为0.026 cm^-1。系统对CH₄、CO和C₂H₂三种气体体积浓度的检测量程分...     

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。     

二维OMA的波长精密校准

在自编程序下,用高分辨器件与二维OMA联合使用将波长校准精度从高于1埃提高到小于0.05埃。