空气电晕放电发展过程的特征发射光谱分析与放电识别

局部空气放电是导致高压输变电设备绝缘劣化的重要因素。空气放电中丰富的发射光谱信息与放电特征存在直接映射关系。采用针-板电极模拟了空气电晕放电的发展过程,并检测了放电由弱变强过程中的“紫外-可见光-近红外”波段在200～980 nm范围内的发射光谱。放电初期的发射光谱主要由氮气分子N₂的带状光谱组成,分别为N₂第二正带系（second positive system,SPS）和N₂第一正带系（first positive system,FPS）。放电程度加深后,发生能级跃迁的粒子种类更加丰富,由此产生了带状光谱与线状光谱相互交叠的复杂谱线,光谱范围也由放电初期的280～460 nm扩展至200～980 nm。放电处于临界击穿时,发射光谱的强度急剧增加,强度最高值出现在500.715和777.202 nm处,分别对应氮离子N+和氧原子O的辐射谱线,这意味着微观放电过程再次发生改变。基于空气放电机理分析得到：放电初期、放电加深、放电临界击穿三个阶段中强度占优的谱峰或谱带分别由N₂,NO与O和N+辐射跃迁所致,这由放电间隙的能量所决定,其特征光谱分别为336.907,239.687和500.715 nm。放电初期,336.907 nm处的强度绝对占优,239.687和500.715 nm处的相对强度极小;放电程度加深时,239.687 nm处的强度占优,500.715 nm处的相对强度极小;临界击穿时,500.715 nm处的强度占优,336.907 nm处的强度最弱。空气电晕放电的200～980 nm光谱范围内,紫外波段、可见光波段和近红外波段的光子数虽然都随着施加电压的升高而增加,但各波段光子数的归一化结果表明：随着放电程度的加深,紫外波段的光子比例逐渐减小,可见光波段的光子比例逐渐增加,近红外波段光子比例变化相对较小。不同放电阶段的“紫外-可见光-近红外”波段的相对光子数分布有较明显的差异,可以反映放电的发展程度。     

气化炉内柴油火焰光谱辐射特性及CH*二维辐射特性研究

火焰的自发辐射光谱与火焰的结构、温度分布等燃烧特征参数密切相关。对激发态自由基辐射的辐射强度与二维分布进行研究,可清晰地反映火焰燃烧状态而不对火焰产生扰动。基于多喷嘴对置式气流床气化实验平台,利用光纤光谱仪和配置CCD相机的高温内窥镜,对柴油扩散火焰的辐射光谱及CH*辐射二维分布特性进行研究。考察了当量比和撞击作用对火焰辐射光谱和CH*辐射分布的影响。结果表明,柴油火焰在306.47及309.12 nm处存在OH*辐射特征峰,在431.42 nm处存在CH*辐射特征峰,且存在明显的碱金属原子Na*(589.45 nm),K*(766.91和770.06 nm)发射光谱。此外,由于柴油不完全燃烧生成大量碳黑,在辐射光谱的可见光波段产生了强烈的连续黑体辐射。火焰中的黑体辐射对CH*辐射特征峰的检测存在干扰,且当量比越低时背景辐射越强,对自由基特征峰检测干扰越大。基于普朗克定律利用插值法可扣除430 nm附近波段背景辐射。柴油火焰中CH*辐射峰值随当量比的增加单调减小,CH*辐射等值线沿火焰发展方向依次出现三峰状、双峰状及单峰状,最终收缩为以反应核心区为中心的圆核。随着当量比的提高,出现各个形状的CH*辐射强度阈值不断降低,火焰主反应区面积减小且向下游移动,当量比增加到1.0附近时,理论上柴油完全燃烧,CH*辐射强度显著降低,贫燃火焰的CH*辐射强度及分布区域几乎稳定不变。利用CH*辐射强度值判定火焰举升长度,对于单喷嘴射流火焰,火焰举升长度随当量比的增加经历了显著增加后小幅下降的过程。相同当量比时两喷嘴撞击火焰CH*辐射强度峰值始终高于单喷嘴射流火焰对应值;火焰举升长度随当量比的增加小幅增加。火焰撞击的约束作用使得火焰举升长度不易随着当量比变化发生较大波动,燃烧更加稳定。这为定量判断火焰燃烧状态提供了一种直观、有效的方法,同时为柴油燃烧的化学动力学研究提供了实验依据。     

基于火焰发射光谱的转动温度和振动温度的测量

利用光学多通道分析仪(OMA)对酒精和煤油在大气中燃烧时的火焰发射光谱进行了分析.实验发现上述火焰发射光谱在275-600 nm波段范围内存在多支辐射强度很大的带状分子光谱,其中以OH自由基A²Σ⁺→X²Π_r(300-330 nm),CH自由基A²Δ→X²Π(410-440 nm)和C₂自由基A³Π_g→X³Π_u(500-520 nm)电子带系的发射光谱最为强烈.实验中采用高分辨率光栅对OH自由基A²Σ⁺→X²Π_r和CH自由基A²Δ→X²Π电子带系发射光谱的精细结构进行了分析.与此同时,本文基于分子光谱理论计算了不同转动温度和振动温度条件下OH自由基A²Σ⁺→X²Π_r和CH自由基A²Δ→X²Π电子带系发射光谱的强度分布,同时通过理论计算光谱和实验光谱进行比较确定了酒精燃烧火焰的转动温度和振动温度. 关键词： 火焰发射光谱 谱线强度 转动温度 振动温度     

煤粉燃烧火焰辐射光谱实验研究

针对煤粉燃烧辐射光谱问题,利用光纤光谱仪对煤粉平面火焰炉实验装置煤粉燃烧火焰辐射光谱进行了测量,详细分析了煤粉辐射光谱特征,并基于普朗克辐射传热定律,通过对光谱仪波长响应特性的标定,得到火焰绝对辐射强度随波长的分布情况,进而利用最小二乘法获得火焰温度与辐射率参数,由此提出基于煤粉燃烧火焰辐射光谱测量的火焰参数测量方法。利用该方法对不同燃烧条件下煤粉燃烧参数进行测量,开展了不同燃烧参数下煤粉火焰辐射光谱实验研究,研究结果表明：煤粉燃烧火焰辐射在200～1 100 nm波段具有较强且连续的光谱特征,基于普朗克辐射定律与最小二乘法可实现煤粉燃烧火焰温度与辐射率的测量;煤粉燃烧火焰辐射光谱在590,766,769和779 nm附近可见明显的Na和K等碱金属痕量元素原子光谱发射谱线,并且这些原子谱线的出现与火焰温度有关;随着煤粉浓度的提高,虽然燃烧温度变化不大,但由于火焰辐射率的增加,造成辐射光谱强度的大幅提升。这对锅炉煤粉燃烧优化具有重要参考价值。     

正癸烷燃烧反应中OH,CH和C2自由基的瞬态发射光谱

采用ICCD瞬态光谱测量系统和加热激波管,在点火压力2.0atm,点火温度1 100～1 600K,当量比1.0,燃料摩尔分数1.0%条件下,实时测得了正癸烷/氧气/氩气燃烧过程的瞬态发射光谱,光谱范围200～850nm。结果显示燃烧过程中主要发射光谱带归属于小分子中间产物OH,CH和C2自由基,光谱强度的变化反映了燃烧过程中三种自由基浓度的变化历程;正癸烷燃烧过程中光谱强度峰值之比大于同为链烷烃的正庚烷相应OH/CH峰强度之比,揭示出两种链烃燃烧反应机理有较大差异。实验还获得了正癸烷燃烧过程中能显示谱带转动结构的CH和C2高分辨特征发射光谱。实验结果对了解正癸烷燃烧性质和验证正癸烷燃烧反应机理很有意义。     

碳氢扩散火焰实验研究：燃烧气氛对火焰光谱与温度的影响

辐射是各种燃烧过程中热传递的主要方式。在不同的火焰中,辐射光谱分布十分复杂。在这项工作中,利用光谱仪测量了可见光(200～900 nm),近红外(900～1 700 nm)和中红外(2 500～5 000 nm)波段火焰的光谱强度,分析了空气和富氧气氛下扩散火焰的光谱特征。并基于光谱分析,定量得到了火焰中碳烟以及气体发射的辐射力,计算了火焰的温度分布。结果表明,空气燃烧中的火焰温度低于富氧燃烧中的火焰温度。在空气气氛下,火焰中的碳烟和气体均对中的热辐射起着重要作用。而在富氧气氛下,气体对于火焰热辐射更为重要。在可见光和近红外波段,由于在空气气氛下火焰中碳烟的大量形成,光谱曲线显示出了良好连续性。而富氧气氛下火焰的辐射光谱降低。在中红外波段,空气气氛下火焰的气体辐射明显弱于富氧气氛下火焰的气体辐射。     

油料池火焰红外光谱特性分析研究（英文）

油罐池火燃烧污染强度大、范围广,航天遥感可成为实时动态监测油罐池火灾污染的新途径。航天遥感监测以目标光谱特性分析为基础,针对油料池火焰光谱特性研究不足的现状,通过构建全火焰红外测试系统,在室外开放空间条件下对多种油料及混合油料池火焰光谱,其他可燃物火焰的发射光谱进行了测试分析研究,光谱范围1~14μm。结果表明:92#汽油、95#汽油、0#柴油、航空煤油、润滑油池火焰的光谱曲线特征相似,在特定的波长处存在特征发射峰,在1.1,2.4,2.8及6.3μm附近存在H2O特征发射峰,在4.2及4.5μm附近存在CO2发射峰,在3.4μm处存在C—H伸缩振动发射峰,6.3μm后各光谱曲线无明显特征峰。92#汽油与0#柴油以不同比例混合的池火焰光谱与各油料池火焰光谱相比也无明显差别。92#汽油池火焰光谱与木柴及纸张火焰光谱相比,在3.4μm处存在特征发射峰;酒精火焰光谱虽然在3.4μm附近也有类似辐射发射,但辐射强度与4.5μm处CO2的辐射强度之比远低于92#汽油池火焰光谱在此两波段处辐射强度之比;蜂窝煤火焰光谱近似灰体辐射光谱。各燃料火焰光谱的差异主要由燃料的化学组成及燃烧反应机理的差异决定的。对92#汽油池火焰连续区、间歇区及烟气区的光谱特性进行了比较分析,结果表明3.4μm处的C—H伸缩振动峰只存在于连续区,证明了该发射峰是参与燃烧化学反应的油气产生的,该结果与油料池火燃烧反应机理吻合。实验结论对基于光谱特性分析的油料池火焰遥感识别具有重要借鉴意义。     

热氧喷嘴水煤浆扩散火焰辐射光谱特性研究

火焰的辐射光谱可为燃烧诊断提供诸多信息,因此目前对简单的气态火焰自由基辐射特性已进行了大量研究,而关于非均相火焰的辐射光谱特性研究则相对较少。采用改进的热氧喷嘴技术在敞开空间下直接点燃水煤浆,并利用光纤光谱仪和紫外成像系统,着重对甲烷和水煤浆火焰的辐射光谱及OH*的二维分布特性进行研究。结果表明：与甲烷火焰的光谱辐射相比,水煤浆火焰不仅存在OH*,CH*和C₂*特征辐射,还产生了Na*,Li*,K*和H*的发射谱线,并出现了连续的黑体辐射,这些光谱辐射特征可作为水煤浆气化或燃烧的标志,也可作为水煤浆是否点燃的判据;通入水煤浆后,OH*强度明显下降,而CH*和C₂*强度增大。对比甲烷火焰OH*二维分布,水煤浆火焰OH*峰值强度明显下降,化学反应区域面积显著减小;沿着火焰传播方向,甲烷和水煤浆火焰轴向的OH*强度均呈先增大后减小的趋势;甲烷火焰径向的OH*在反应核心区出现了双峰形态分布,而水煤浆火焰OH*径向始终呈单峰分布。随着氧碳当量比增大,水煤浆火焰OH*的存在范围扩大,说明氧气的增加促进了OH*的产生;随水煤浆流量提高,OH*的反应核心区域缩小,峰值强度明显下降,CH*,C₂*,Na*,Li*,K*和H*的强度显著增强,连续的黑体辐射强度也明显增大,这些辐射光谱的变化可用于表征操作负荷的变化。     

光声光谱在蜂蜜品质鉴定中的应用

利用单光束光声光谱实验装置,分别测量了葡萄糖溶液、 蔗糖溶液和蜂蜜溶液在可见光波段的光声光谱,并与分光光度法测得的数据进行了比较。上述溶液的光谱特征表明：不同种类的溶液,光谱背景强度和轮廓有明显差异。三种溶液的光谱在485和655 nm处都有较强峰,但二者的强度比在不同溶液中有一定差异。另外,葡萄糖还在475,576和630 nm处有特征峰;蔗糖在632 nm处出现明显特征峰;这些光谱特征为鉴别天然蜂蜜中是否有葡萄糖或蔗糖掺假提供了依据。比较同种溶液的两种光谱发现：光声信号强度随波长的变化更灵敏, 说明在物质成分检测中,光声光谱法具有更高的灵敏度。     

基于光谱分析的油料池火内部传热特性研究

油料池火焰内部分为不同燃烧区域,目前对油池火内部传热特性研究较少。针对油池火内部传热特性研究不足的现状,构建了红外火焰光谱测试系统,研究分析了92#汽油、95#汽油及润滑油池火焰红外光谱特性,对油池火焰不同燃烧区域的光谱信息进行了提取分析,结果表明：三种油料池火焰光谱特征相似,存在多个CO₂,H₂O及炭黑颗粒等燃烧产物的特征发射波段,3.4 μm处C—H伸缩振动峰明显;火焰烟气区主要光谱特征为4～4.5 μm波段范围内高温CO₂发射峰,该区域火焰与空气换热剧烈,温度变化不稳定,火焰脉动频率较高;火焰间歇区的光谱特征是4～4.5 μm波段范围内高温CO₂发射峰,与烟气区相比,火焰间歇区脉动频率相对较低;与烟气区及间歇区相比,火焰连续区燃烧较为稳定,该区域的光谱特征明显,在2.5～3 μm波段范围内炭黑粒子发射光谱强度较高,且在3.4 μm处存在C—H伸缩振动峰,表明油料池火焰光谱3.4 μm处的特征峰由高温油蒸汽产生。油池火焰不同燃烧区域光谱特征分析表明,油池火焰液态油表面的“富燃料层”吸收火焰传热,引起3.4 μm附近油蒸汽分子能级的改变。油池火焰不同燃烧区域发射光谱强度计算表明,火焰连续区的强度最大,其次为间歇区,火焰烟气区与空气对流强烈,测得的发射光谱强度最低。研究结果为火焰—油料传热模型的修正提供了参考。     

油砂光谱特性及其含油率遥感估算研究

可见光-近红外(visible near infrared, VNIR)高光谱以其光谱分辨率高、波段连续性强,能够反映烃类物质诊断性吸收特征,在烃类能源的识别和调查研究中得到广泛应用。对研究区的油砂光谱进行特征分析,研究显示油砂样品在1 740～1 780,2 300～2 340和2 340～2 360 nm波段均具有由烃类基团弯曲和伸缩振动引起的吸收光谱特征,同时当油砂含油率较低时,引起1 700～1 730 nm波段振动的烃类基团较少,使得在此波段区间产生较微弱甚至不产生烃类吸收特征,随着含油率的增加,1 700～1 730 nm附近开始出现明显的烃类吸收谱带。鉴于含油率是油砂资源储量分析过程中的关键参数,基于油砂中烃类基团在VNIR波段由于弯曲和伸缩振动等引起的一级倍频和合频形成的特征吸收,采用光谱的吸收深度量化特征吸收谱带的响应强度,根据含油率与油砂光谱中1 740～1 780,2 300～2 340和2 340～2 360 nm等烃类特征谱带吸收深度的Pearson和偏相关关系,确立含油率光谱响应强度的关联模式,进而应用单变量一元线性回归方法(unary linear regression,ULR)和多变量偏最小二乘方法(partial least squares regression,PLSR)进行油砂含油率光谱估算研究。结果表明,利用2 350 nm附近吸收深度作为变量的含油率URL估算模型和1 758,2 310和2 350 nm附近吸收深度作为变量的PLSR估算模型精度较高,可为含油率的快速估算提供科学的参考依据。     

油料池火焰红外光谱特性分析研究

油罐池火燃烧污染强度大、范围广,航天遥感可成为实时动态监测油罐池火灾污染的新途径。航天遥感监测以目标光谱特性分析为基础,针对油料池火焰光谱特性研究不足的现状,通过构建全火焰红外测试系统,在室外开放空间条件下对多种油料及混合油料池火焰光谱,其他可燃物火焰的发射光谱进行了测试分析研究,光谱范围1~14 μm。结果表明：92#汽油、95#汽油、0#柴油、航空煤油、润滑油池火焰的光谱曲线特征相似,在特定的波长处存在特征发射峰,在1.1,2.4,2.8及6.3 μm附近存在H₂O特征发射峰,在4.2及4.5 μm附近存在CO₂发射峰,在3.4 μm处存在C—H伸缩振动发射峰,6.3 μm后各光谱曲线无明显特征峰。92#汽油与0#柴油以不同比例混合的池火焰光谱与各油料池火焰光谱相比也无明显差别。92#汽油池火焰光谱与木柴及纸张火焰光谱相比,在3.4 μm处存在特征发射峰;酒精火焰光谱虽然在3.4 μm附近也有类似辐射发射,但辐射强度与4.5 μm处CO₂的辐射强度之比远低于92#汽油池火焰光谱在此两波段处辐射强度之比;蜂窝煤火焰光谱近似灰体辐射光谱。各燃料火焰光谱的差异主要由燃料的化学组成及燃烧反应机理的差异决定的。对92#汽油池火焰连续区、间歇区及烟气区的光谱特性进行了比较分析,结果表明3.4 μm处的C—H伸缩振动峰只存在于连续区,证明了该发射峰是参与燃烧化学反应的油气产生的,该结果与油料池火燃烧反应机理吻合。实验结论对基于光谱特性分析的油料池火焰遥感识别具有重要借鉴意义。     

胭脂红荧光光谱机理研究

胭脂红是食品添加剂中最常用的一种食用色素之一,国家标准对其在食品中添加的剂量有明确的规定,研究其荧光光谱特性具有一定的实际意义。文章分别从理论与实验上对220～400 nm不同激发波长下胭脂红标准溶液的荧光光谱进行了分析,结果表明,胭脂红可以产生较强的荧光,分别在420,530,635,687 nm波长处产生了4个荧光峰,各荧光峰的最佳激发波长也不尽相同,文章给出了相应的荧光光谱图。经研究认为胭脂红荧光是由—OH中的n电子的n→π*跃迁和奈环中的π电子的π→π*跃迁这两类跃迁而产生的,其中420 nm处的荧光峰是由n→π*跃迁产生的, 而530, 635和687 nm这3个波长处的荧光峰是由π→π*跃迁而产生的, 同时其4个波长处的荧光相对强度随激发波长的变化相对改变不同,文章分别从微观机理上给出了一定的解释。研究胭脂红的荧光光谱及其特性可为其他偶氮类色素的荧光光谱研究提供参考,同时能为食品安全检测提供新的方法与途径。     

多种薄油膜光谱反射率特性外场测试方法及结果分析

水面溢油机载航测工作需要以全面的溢油模拟目标的光谱反射率特性数据作为支撑,选择合适的工作波段,并通过获得的数据对溢油情况进行分析与判断。针对汽油、柴油、润滑油、煤油与原油五种目标样本,油膜从紫外波段到近红外波段进行了反射光谱测量,并将结果与相同实验环境下的水的反射光谱对比。实验结果表明油膜的光谱反射特性与油品类型以及油膜的厚度相关。不同种类的油膜在相同厚度的情况下,光谱反射率曲线的差异很大,而同一种类的油膜,随着油膜厚度的改变,光谱反射率曲线亦随之发生改变,因而就单一油膜而论,可以通过反射率曲线区分不同的油膜厚度。以相同的油膜厚度而论,柴油,煤油,润滑油在380 nm附近存在反射率峰值,与水的反射率差异明显,原油在大于340 nm波长的反射率远小于水,所得到的反射光谱能够在一定程度上区分不同类型油膜。实验涉及主要溢油油种,数据全面覆盖探测常用的光谱波段,定量化描述了油膜光谱反射率特性,为机载水面溢油探测工作的波段选择与水面溢油的早期发现与分析提供了全面的理论与数据支持。     

SrB_4O_7掺杂二价镧系离子的荧光光谱特性研究

采用高温固相法通过掺杂不同种类的镧系元素以及改变掺杂元素的浓度制备了系列SrB_4O_7∶Re~(2+)(Re代表Ce,Nd,Gd和Lu)荧光材料,利用实验室自建的非偏振显微共聚焦荧光/拉曼测量系统重点研究了其荧光光谱特性。研究发现,SrB_4O_7∶Re~(2+)和SrB_4O_7∶Sm~(2+)具有相似的荧光特性,最强单峰对应~5 D_0-~7 F_0电子跃迁所产生的荧光峰(0-0峰),峰位为685.41nm;在700和730nm附近还对应有~5 D_0-~7 F_1和~5 D_0-~7 F_2电子跃迁所产生的两条强度较弱的荧光带;在相同条件下,SrB_4O_7∶Re~(2+)的0-0峰强度较SrB_4O_7∶Sm~(2+)的0-0峰强度至少要弱一个量级。对SrB_4O_7∶Re~(2+)荧光光谱分析结果显示,掺杂元素种类和掺杂元素浓度是影响荧光光谱强度的关键因素,两者直接决定了能参与发光的Re~(2+)离子的总量。     

基于激光拉曼光谱的水面油膜厚度测量方法研究

为了实现水体表面油膜厚度的快速非接触检测,基于激光拉曼光谱检测技术,搭建了水体表面油膜厚度拉曼光谱检测系统。以532 nm激光作为激发光源,以常见的柴油和汽油为例研究了不同油品的拉曼光谱特性,研究结果表明,油膜拉曼光谱响应特性与油品密切相关,相同油膜厚度情况下不同油品的拉曼光谱曲线有明显的差异,97#汽油在1 651 cm-1光谱强度要高于90#汽油。随着油膜厚度的增加,柴油316和1 451 cm-1光谱强度和汽油1 651 cm-1拉曼位移光谱强度增加,油拉曼光谱信号变强;根据油水界面拉曼光谱特征,设计了油膜厚度计算因子,实验证明随着油膜厚度增加,油膜厚度计算因子r_film呈下降趋势。可以将油膜厚度计算因子作为水体表面油膜厚度测量的一种依据。