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。     

激光诱导击穿火焰等离子体光谱研究

采用PI-MAX-II型增强型电荷耦合器件, 用Nd:YAG纳秒脉冲激光器输出的1064 nm强光束击穿在一个大气压的空气中燃烧的酒精灯火焰, 对激光诱导击穿酒精灯火焰产生的等离子体光谱进行了初步研究. 根据美国国家标准与技术研究院原子发射谱线数据库, 对等离子体中的主要元素的特征谱线进行了标识和归属. 通过激光诱导击穿空气等离子体光谱、激光诱导击穿酒精灯火焰等离子体光谱、激光诱导酒精喷灯火焰等离子体光谱的对比分析, 发现不同燃烧状况下的光谱中各原子谱线的相对强度是不同的. 这些结果对于使用激光诱导击穿技术分析和研究碳氢燃料在空气中的燃烧特性具有重要的意义和参考价值, 同时也为将该技术应用于燃烧诊断提供了实验依据.     

基于辐射法和原子发射光谱法的转炉口火焰温度测量

转炉炼钢的终点控制包括钢水出钢时温度及其成分的控制,炉口火焰能够反映炉内脱碳速率及转炉运行参数等。工业炉燃烧火焰可见光谱段,普遍存在着钾(K)和钠(Na)等碱金属元素的原子发射谱线,利用K的特征谱线相对比值可以计算火焰温度。基于辐射双色法,三色法和谱线相对强度法对转炉口火焰温度进行了测量;数据处理过程中对特征谱线进行了基线拟合提取,小波脊线拟合提取;特征谱线进行了Gauss函数和Lorenz函数拟合。结果表明,辐射测温法对谱线比较敏感,选择合理的波段能够有效,精确地测量火焰温度;采用谱线相对强度法受制于特征谱线的数学模型、谱线的跃迁机率、能级的简并度及火焰的光学厚度,需要分辨率非常高的光谱仪才能进行高温转炉火焰中电子温度的测量。     

基于可调谐激光吸收光谱技术的多条吸收谱线重建气体浓度二维分布的研究

针对二维气体浓度分布,主要选用多条H₂O的吸收谱线,采用代数迭代重建算法,研究了在激光光束较少且假定温度分布已知的情况下,即不考虑燃烧场中温度对谱线强度的影响时,不同谱线条数对二维浓度重建结果的影响,对比了在同一浓度模型下通过增加激光光束与增加H₂O吸收谱线条数对气体浓度重建结果的影响;研究了增加谱线条数重建气体浓度分布对不同温度与浓度分布模型的适应情况,其中,文中所选取的多条吸收谱线可以由一个激光器同时扫描得到。浓度测量区域采用10×10的网格划分,测量区域中的温度和浓度分布采用单峰不均匀分布与双峰不均匀分布,重建过程中计算了吸收谱线与激光光束的有效利用率。重建结果表明在激光光束较少时,增加吸收谱线条数可以获得更多与浓度相关的谱线参数信息,且与增加激光光束相比可以明显改善浓度重建结果,更主要的是增加谱线条数可以有效降低实验中硬件设备的成本投入以及测量系统的复杂性。     

基于紫外可调谐激光吸收光谱技术的甲烷/空气平面预混火焰温度测量研究

火焰温度是燃烧领域最重要的宏观物理量之一,使用紫外可调谐激光吸收光谱技术,以火焰中的OH自由基作为测量对象对甲烷/空气平面预混火焰进行了温度测量。首先使用平面激光诱导荧光(PLIF)技术对甲烷/空气平面预混火焰不同燃烧工况条件下火焰中的OH基分布进行了测量,选取火焰中OH基分布均匀工况进行了紫外吸收光谱温度测量。通过LIFBASE仿真计算,综合考虑温度测量灵敏度、测量信噪比等因素,选择OH基A-X(0,0)吸收带中的P_1(2)和Q_1(8)两支谱线作为被测跃迁。测量时使用Nd∶YAG激光器泵浦染料激光器,经倍频后输出308~311nm紫外可调谐激光。通过染料激光器以0.4pm为步长进行激光波长调谐,分别扫描获得两条吸收谱线的吸收峰线型。对实验数据进行voigt拟合后,通过计算两条谱线的积分吸收值之比,获得了平面预混火焰中的温度信息。分别测量了燃烧器表面不同水平位置与燃烧器中心不同高度处的火焰温度。测量结果与文献报道的采用同样结构燃烧器,通过其他光谱技术获得的测量结果进行了横向对比。在OH基浓度较高的火焰锋面区域测温结果吻合度较高,验证了该技术测量结果的可信度。由于其测量对象与双线OH-PLIF测温的一致性,该技术未来可作为局部温度测量方法,进一步应用于对双线PLIF等二维火焰温度空间分布测量结果的标定当中。     

激光诱导煤样等离子体的表征

以脉冲Nd·YAG激光器泵浦的光学参量发生/放大器输出为激发源,获得了一种家庭用煤样品的激光诱导等离子体(laser induced plasma,LIP)发射光谱。谱线线型呈洛伦兹线型,表明等离子体加宽以Stark展宽为主。利用发射谱线的Stark展宽和强度,通过测量等离子体不同位置的发射光谱,确定了等离子体温度和电子密度的空间分布,发现二者在垂直等离子体发光火焰方向相对火焰中心对称分布,沿发光火焰方向不具有对称分布的特点。发光火焰中心的等离子体温度和电子密度最大,且发光强度较大,因此利用光谱技术测量等离子体特征量时,宜采集火焰中心的发射光谱。样品中有些元素的发射谱线线型显示,等离子体中存在很强的自吸收现象,自吸收程度和激发波长及激光能量密切相关,激发波长接近谱线中心波长时,自吸收现象最明显;随激光能量的增加,发射光谱强度增加的同时,自吸收的程度也增大。把这些现象归因于原子跃迁概率的增大及激光强度增加引起的等离子体中粒子数密度的增大。自吸收现象导致实验观测到的发射谱线强度小于LIP的真实辐射强度,对等离子体进行测量时,应选取不存在自吸收现象的谱线,以便于提高测量准确度。     

用相对强度法测量固体推进剂火焰温度分布

许多高温体如火焰,由于本身伴随着非常复杂的化学反应,辐射出的光谱非常复杂。这些光谱通常包括连续谱、谱线和谱带三部分,而且在许多情况下谱线非常密集。如果用谱线强度法测温,就会发现由于谱线非常密集,很难找到合适的孤立谱线。文章针对这些密集谱线,在特定条件下提出用多条谱线的总强度代替一条谱线的强度来测量温度的方法,改进了常用的相对强度法表达方式,使用密集谱线的总强度与另一条谱线强度的比值来计算温度,成功测量了固体推进剂火焰的温度分布,并将结果和热电偶测量的结果做了比较。     

基于HITRAN数据库的深海甲烷辐射光谱仿真研究

研发能够精确、实时、原位获取热液甲烷数据的深海甲烷传感器对深海研究具有非常重要的意义。前期研制的两款深海甲烷光学成像干涉系统,均利用甲烷辐射光谱开展甲烷状态参数探测和反演。首先,以分子光谱辐射理论为基础,建立了分子辐射光谱与浓度、温度、压强的理论关系式,结合深海高压环境特点,建立了基于Lorentz线型的深海分子辐射模型,该模型为利用光谱法定量反演分子浓度、温度、压强等状态参数提供理论依据,同时为深海分子光谱仿真提供有力工具。接着,借助HITRAN分子光谱数据库提供的分子基本谱线参数,挑选出甲烷成像干涉系统的光源谱线。对比CH₄分子与CO₂, H₂S, H₂O等分子的特征吸收谱线,在5 990～6 150 cm-1波段范围内,CH₄谱线强度比CO₂, H₂S, H₂O等三种干扰分子的谱线强度约高2～3个数量级,且此波段内甲烷六条有效谱线分布均匀,谱线间距皆约为2～3 nm,非常适合采用光谱法进行分子状态参数探测,因此选择谱线干扰较弱、谱线分布均匀、谱线间距适中的甲烷六条谱线(1 640.37, 1 642.91, 1 645.56, 1 648.23, 1 650.96和1 653.72 nm)作为甲烷成像干涉探测系统的目标光源谱线。最后,基于深海分子辐射模型和HITRAN数据库的甲烷分子基本谱线参数,人工合成了甲烷任意浓度,任意温度和任意压强的辐射光谱数据,并分析了甲烷辐射光谱随浓度、温度和压强的变化特征。对于单一中心谱线,甲烷分子辐亮度随着浓度的升高而线性增大,随着温度的升高而非线性增大,随着压强的升高而非线性减小。对于全波段谱线,甲烷辐射光谱的全线宽随着浓度、温度的升高而变宽,随着压强的升高而变窄。建立的深海甲烷辐射光谱理论和仿真分析结果,可以为基于光谱法的海洋原位甲烷传感器的研制和数据反演提供数据支撑和理论依据。     

延迟双脉冲激光产生的空气等离子体的光谱研究

使用激光双光束方法，对激光大气等离子体的光谱进行了实验研究.由一台激光器产生的两束激光，其中一束用于产生等离子体(电离激光束)，另一束则用于对已产生的等离子体施加影响(作用激光束).作用激光束所引起的光谱特征变化的实验研究结果和相应的初步分析.结果表明，在作用激光束的影响下，激光大气等离子体光谱的强度在整体上都有明显的增加，而且，连续光谱的增强大于线状光谱；短波连续光谱的增强大于长波连续光谱；作用激光束相对于电离激光束的延时越大，谱线增强的相对值也越大；作用激光束对谱线的增强不存在明显的阈值效应.结果还表明，作用激光束除导致光谱幅度增强外，对激光大气等离子体中各种类谱线成分的衰变时间也有明显的影响：除个别谱线外，大多数谱线的衰变时间都有不同程度的延长.对结果的初步分析指出，上述结果是激光大气等离子体中的自由电子吸收作用激光束的能量后，在等离子体中有不同传递途径和不同传递效率的体现.该结果为深入了解激光大气等离子体衰变过程中的微观物理现象提供了新的线索，也为以延长激光大气等离子体衰变过程为目标的技术应用提供了实验依据. 关键词： 大气等离子体 双光束 等离子体光谱 谱线演化     

海水养殖黑色珍珠UV-Vis反射光谱的类型及其特异的PL光谱特征

采用紫外-可见(ultraviolet-visible,UV-Vis)反射光谱并结合405 nm为激发光源的光致发光(photoluminescence,PL)光谱对海水养殖的黑色系珍珠进行较系统的光谱采集、比对,以期探究天然色黑色珍珠在上述光谱中的异同特性。结果表明:(1)基于UV-Vis反射光谱中250～800 nm区间的谱图特征,首次将黑色系珍珠的UV-Vis反射特性归类为四大类,即①在约400, 500和700 nm处均存在吸收峰;②在约400和500 nm两处存在吸收峰;③在约400和700 nm两处存在吸收峰;④在约500和700 nm两处存在吸收峰;(2)在405 nm激发光源下,黑色珍珠的PL光谱在约620, 653和677 nm处皆出现特征吸收,上述各吸收峰位在其他类别的淡海水珍珠的PL光谱中未曾见有具体报道。且有趣的是,首次发现黑色珍珠的PL光谱中约677 nm处的特征吸收峰表现出较强的光敏特征,即随着激发光源辐照时间的延长,该处吸收峰的强度渐弱甚至消失。研究结果可为黑色系珍珠其颜色形成属性的鉴定、判断提供理论与技术支撑。     

Z箍缩Al等离子体X辐射谱线的分离及电子温度的提取

以"强光一号"Z箍缩装置10174发次光谱诊断实验结果为例,描述了一种对Z箍缩等离子体X辐射光谱分离提纯、诊断的方法.对连续辐射谱和特征辐射线谱进行分离,并从连续辐射谱和特征辐射线谱中提取了等离子体电子温度信息.结果显示:等离子体连续谱主要由等离子体中心的高温区(Te=290.7 eV±1.2 eV)和温度较低的壳层区域(Te=95.3 eV±8.3 eV)两部分叠加而成;特征辐射线谱主要反映了等离子体中心的高温区信息,根据非局域热动平衡模型计算提取的电子温度约为299—313 eV,与连续谱诊断结果基本符合.     

火焰特征发射谱线研究

本文利用CCD光纤光谱仪,通过实验确定了木基燃料燃烧火焰光谱中出现的特征谱线是K,Na 的原子发射谱线,测定了特征谱线出现时的火焰温度,指出可以通过特征谱线的出现与否来确定火焰的温度范围。还发现火焰的光谱形状和火焰的燃烧状态密切相关,包含大量和燃烧有关的信息,并且对煤烟颗粒有较强的抗干扰性。通过对火焰光谱形状的分析可判断出火焰的燃烧状况,进行燃烧诊断。     

激光诱导镍等离子体的自吸收时间分辨特性研究

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是一种新兴的元素分析技术,但自吸收效应对LIBS测最的影响较大.文中利用Nd:YAG激光器产生的基频1 064 nm脉冲激光在空气中击穿镍靶产生等离子体,观测了四条跃迁对应同一电子组态(3d<'9>(<'2>D)4p-3d<'9>(<'2>D)4s)谱线Ni I 341.476/351.034/351.505/352.454 nm的自吸收现象.实验发现,谱线Ni I 351.034 nm没有出现自吸收现象,其下能级电子组态为3d9(<'2>D)4s的各能级中能量最高的<'3>D,态.对于其他三条谱线,在等离子体辐射初期白吸收较为严重,随着等离子体的演化,自吸收减弱.不同谱线的自吸收持续时间不同,其中谱线Ni I 352.454 nm自吸收最为严重,且当门延时为1 100 ns时仍存在明显自吸收现象,而NiI 341.476/351.505 nm的自吸收持续时间分别为900和500 ns.自吸收现象随着激光脉冲能量的增加而减弱.结果表明通过选择合适的谱线、激光脉冲能量和较长的探测门延时可以有效避免自吸收现象对LIBS测量的影响.文章还对不l司谱线自吸收持续时间小同的原因进行了讨论.     

原子特征谱线对法测量火焰温度的温标元素研究

研究发现煤炭、木材、汽油、柴油等燃料的火焰光谱中都存在Na(589.,589. nm)和K(766.,769. nm)特征辐射谱线对,谱线对的相对强度比与温度有关,由此可以测量火焰温度.本文介绍了测量原理和方法,对K、Na、Fe、Zn作为温标元素时的误差传递进行了分析,得出K、Na作为温标元素时误差传递大,测量精度低; Fe、Zn作为温标元素时误差传递小,测量精度高.     

基于宽带可调谐、窄线宽掺铥光纤激光器的2μm波段水的超光谱吸收测量

1.8—2.0μm波段包含大量水的吸收谱线,且吸收强度高于传统的1.3—1.5μm波段,在水的吸收光谱测量中具有很大的应用潜力.超光谱吸收测量技术可以利用宽带范围内的大量吸收谱线来实现物理参数的反演,与传统的单/双谱线的可调谐二极管吸收光谱技术相比具有更好的稳定性、准确性和更宽的使用范围.宽带调谐的窄线宽激光光源是实现超光谱吸收测量的关键器件.利用可调谐法布里-珀罗(FP)腔和光纤可饱和吸收体,搭建了宽带调谐的窄线宽2μm光纤激光器.利用掺铥光纤的再吸收特性,通过合理设计增益光纤长度,得到了在1910—1970 nm约60 nm的光谱范围内连续可调的激光输出,且激光器静态线宽小于0.1 nm,能够满足水的超光谱吸收测量实验的要求.利用该激光器分别对空气和酒精火焰中水在2μm波段的宽带吸收光谱进行了测量.在常温空气中,该光源可以在1910—1965 nm的光谱范围内有效分辨40余条水的吸收谱线;在酒精火焰中,该光源可以在1950—1970 nm的光谱范围内有效分辨近50条水的吸收谱线.通过与HITRAN2016数据库的比对反演得到激光器在动态扫描过程中的线宽约为0.06nm,与静态测试结...     

“磁氢原子”的光谱

对于以荷正电的磁单极子为核的原子(简称“磁氢原子”),本文计算了它的能级、选择规则、跃迁几率、光谱和谱线强度。其中三条特征吸收谱线(2774?,2734?,2191?)的相对强度是37:50:6。 关键词：     

LIPS技术探测CH4/空气火焰中的OH自由基

论述了激光诱导偏振光谱技术的基本原理,实验方法及其对燃烧场的测量结果.利用光谱扫描方法获得了A2∑ -X2Ⅱ(0,0)跃迁带系列吸收谱线及P1(2)谱线的线型轮廓.测量了CH4/空气预混火焰不同化学配比、不同空间位置OH自由基的相对分布.实验中通过设计精密旋转调节装置有效提高了信噪比.     

癌细胞对血清光谱的影响

研究了在血清中加入不同剂量的癌细胞对血清光谱的影响。比较了两种癌细胞的光谱 ,并与正常血清的谱线做了比较。实验结果表明 :随着癌细胞个数的降低 ,吸收谱和荧光谱强度均呈增加趋势 ,但增加到一定程度时又开始下降 ;正常血清的谱线强度明显较强。结论 :荧光光谱表明癌细胞抑制了正常血清中某种基团的振动 ,吸收光谱则表明癌细胞抑制了酪氨酸对光的吸收。     

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。     

基于炉口辐射光谱支持向量机回归的转炉终点碳含量检测

转炉终点碳含量在线检测对实现炼钢终点准确控制,提高钢铁产品质量,降低能耗,减少废气排放具有重要意义。针对转炉冶炼终点控制及碳含量检测的难题,研究了一种新的基于炉口辐射光谱分析的非接触式在线碳含量检测方法。方法基于辐射光谱的支持向量机回归(SVR)实现转炉终点前过程的碳含量预测。通过远距离光谱采集系统获取炉口火焰光谱信息,基于冶炼过程炉口火焰辐射光谱变化规律的分析,分别提取了表征辐射光谱整体特征的两个参数即总谱宽和辐射峰值、以及表征发射谱的三个特征波长600,630和775 nm处的幅值作为支持向量机的输入,结合脱碳理论和实测碳值拟合重构的脱碳函数曲线作为支持向量机的输出,利用支持向量机回归方法建立光谱分布与碳含量的关系模型。通过训练样本集和测试集循环优化确定模型最佳参数。设计的仪器和优选的模型已安装在转炉生产现场长时间运行,现场实验结果表明,终点碳含量检测准确率为90.2%,测量时间小于0.3 s,可实时在线检测,能够满足生产需求,为转炉冶炼终点的精确控制提供了重要依据。