CT-TDLAS测量燃烧火焰二维温度分布

结合可调谐半导体激光吸收光谱技术与计算机断层扫描技术,通过获得与实验值最适应的拟合光谱,重构本生灯燃烧火焰二维温度分布。以零均值归一化互相关和误差平方和作为指标,分析了32路测量组件的二维重构精度。结果表明,零均值归一化互相关达到0.994,误差平方和达到0.000 86。采用32路测量系统实现了本生灯火焰二维温度的测量,并与热电偶测量结果进行对比。结果表明,两者之间的温度分布趋势相同,可调谐半导体激光吸收光谱测量具有更高的精度和分辨率,验证了可调谐半导体激光吸收光谱技术结合计算机断层扫描技术在测量二维火焰温度分布的可行性与精确性。     

TDLAS技术测量燃烧流场温度研究

介绍了TDLAS技术用于燃烧流场诊断的基本原理,比较了直接吸收法与二次谐波法两种测量方法的优缺点,并对TDLAS技术路径积分测量特性进行了分析.基于单台二极管激光器分别建立了两种方法的TDLAS测量系统,直接吸收法测量重复频率为10 kHz,获得了瞬态高温超声速流场温度随时间演化结果;二次谐波法测量重复频率为250 Hz,实现了超燃冲压模拟燃烧室温度的在线测量.对于标定燃烧炉甲烷/空气预混火焰,测量系统在1750 K时温度A类标准不确定度优于0.7%.     

基于荧光谱分辨的煤油燃烧场OH分布测量

燃烧流场浓度、温度空间分布的精细测量对发动机燃烧室设计、计算流体动力学模型建立以及数值仿真软件的验证具有重要意义,其中平面激光诱导荧光(PLIF)技术具有对象选择性、高测量灵敏度、测量信息量丰富、实验开展简单等优势,尤其是OH-PLIF浓度及温度测量技术以其理论成熟性及技术方便性得到更为广泛的应用。但该技术在煤油燃烧场的应用受到较大限制,原因在于煤油燃烧场残余煤油对OH荧光信号造成较大干扰。针对OH荧光分布测量时煤油干扰问题,开展了OH及煤油吸收谱及荧光发射谱理论及实验对比分析。其中煤油蒸汽吸收谱由氘卤灯通过煤油蒸汽前后的光强强度比获得,相比于OH在260～320 nm波段的孤立吸收线,煤油吸收为宽带吸收,煤油吸收线完全覆盖OH激励线,在煤油燃烧场在此波段对OH激励测量时,激励煤油产生荧光不可避免。另一方面,通过调节激励波长,测量获得OH/煤油混合荧光与煤油荧光发射谱。煤油蒸汽荧光发射谱为中心分别位于290及340 nm的宽带信号,OH荧光主要集中于波长300～320 nm,煤油荧光发射谱范围覆盖OH荧光,结合吸收谱测量结果,说明在煤油燃烧场燃烧不充分时,在280 nm波段激励测量OH...     

基于TDLAS技术的CH4气体检测与温度补偿方法

CH₄气体的精准检测对防止矿井瓦斯爆炸,确保安全生产至关重要。目前基于可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）存在因温度变化导致气体浓度测量误差较大。探究了基于TDLAS的CH₄气体检测系统与温度补偿方法,分析温度对CH₄气体吸收谱线的影响,通过算法补偿模型消除环境温度对CH₄气体检测的影响。依据TDLAS技术原理及相关理论,对系统发射单元、吸收池、信号接收单元、数据处理单元进行设计,搭建了基于TDLAS技术的CH₄气体浓度检测系统,实验检测了不同环境温度（10~50 ℃）时0.04%CH₄气体浓度,分析温度变化对CH₄气体在波长为1.653 μm处吸收谱线强度和半宽度的影响。为消除温度对CH₄气体检测的影响并提高补偿效果,采用粒子群优化算法（PSO）优化BP神经网络（BPNN）的最佳权值和阈值,建立CH₄气体的PSO-BP温度补偿模型,克服了BP神经网络收敛速度慢、易陷入局部最优的缺点。结果表明：（1）基于TDLAS的CH₄气体检测浓度随环境温度升高而下降,整个实验温度内相对误差范围为4.25%~12.13%,不同环境温度下CH₄气体检测浓度与温度之间的关系可用一元三次多项式表示;（2）CH₄气体的吸收强度和半宽度随着温度的升高而下降,与温度变化之间的关系为单调递减函数,温度对CH₄气体吸收谱线强度的相对变化率大于吸收谱线半宽度的相对变化率,CH₄气体吸收谱线的强度更容易受温度变化的影响;（3）BP神经网络和PSO-BP模型测试样本的绝对平均误差（MAE）分别为12.88%和1.81%,平均绝对百分比误差（MAPE）分别为2.3%和0.3%,均方根误差（RMSE）分别为15.96%和2.69%,相关系数R2分别为0.980 6和0.999 6。通过建立PSO-BP温度补偿模型,补偿效果大部分分布在±1.0%的误差范围内,MAE,MAPE,RMSE和R2等评价指标均大幅度提升,对提高TDLAS技术在矿井CH₄的精准检测具有一定的参考意义。     

基于时分复用技术的吸收光谱气体温度在线测量研究

可调谐半导体激光吸收光谱技术是一种具有高灵敏度、高选择性的非接触式气体在线测量技术。通过直接扫描多条H2O特征谱线并结合最小二乘算法实现对开放环境气体温度的在线测量。利用HITRAN光谱数据库详细讨论了边界效应对气体温度浓度测量的影响,计算结果表明,扫描多特征谱线并结合最小二乘算法可有效减小边界效应对开放环境气体温度测量的影响。实验中采用时分复用技术同时扫描了7 444.36,7 185.60,7 182.95和7 447.48cm-1四条H2O特征谱线,对管式炉573～973K范围内不同工况下的气体温度进行了测量。吸收光谱测量结果与热电偶信号的最大温差小于52.4K,温度测量最大相对误差为6.8%。     

基于TDLAS平衡差分技术的CO气体检测

利用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)结合平衡差分探测技术测量了1.578 μm附近的CO气体3-0带P(4)跃迁在不同压强和不同浓度下的吸收光谱信号。由于平衡差分探测方法可以有效地抑制激光光强波动、温度漂移和机械振动等共模噪声,从而提高了光谱探测灵敏度。通过与直接吸收信号相比,平衡差分的信噪比提高了3.4倍,探测极限为87 ppmv。测量了浓度为1%压强为40,55,70和85 Torr时的CO气体,结果显示在70 Torr时其光谱信号最强。并且,利用直接吸收和平衡差分技术测量了不同浓度的CO气体在总压强在70 Torr时的光谱信号,发现平衡差分技术光谱强度与浓度的关系线性度符合较好,其测量误差小于5%。为了进一步验证系统的稳定性,连续采集了324 s的光谱信号,最后通过Allan方差分析,发现本实验系统的最佳探测时间为38 s,探测极限为47.8 ppmv。     

煤油燃烧场主要组分浓度测量

利用自发振动拉曼散射技术测量了煤油燃烧场主要组分的摩尔分数。基于355nm激光激发振动拉曼散射建立了自发拉曼散射实验系统,测量了空气中主要组分的摩尔分数,分析了该技术的测量精度;测量了煤油蒸气在355nm激光激励下产生的荧光光谱,分析了荧光信号对拉曼信号的干扰;对不同燃烧条件下的煤油燃烧场进行了诊断,获得了贫油条件下煤油燃烧场主要组分(N2,O2,H2O,CO2等)的拉曼光谱,计算了组分摩尔分数及其随燃烧时间的变化规律。     

煤油燃烧场主要组分浓度测量

利用自发振动拉曼散射技术测量了煤油燃烧场主要组分的摩尔分数。基于355 nm激光激发振动拉曼散射建立了自发拉曼散射实验系统,测量了空气中主要组分的摩尔分数,分析了该技术的测量精度;测量了煤油蒸气在355 nm激光激励下产生的荧光光谱,分析了荧光信号对拉曼信号的干扰;对不同燃烧条件下的煤油燃烧场进行了诊断,获得了贫油条件下煤油燃烧场主要组分（N2,O2,H2O,CO2等）的拉曼光谱,计算了组分摩尔分数及其随燃烧时间的变化规律。     

利用可调谐激光吸收光谱技术对光路上气体温度分布的测量

利用可调谐激光吸收光谱技术(TDLAS),扫描多条吸收谱线以实现气体温度分布的测量。文章给出了温度分布测量的原理和方程离散化的方法,在气体浓度和压力均匀时,利用带约束最小二乘法计算得到温度分布。根据HITRAN中6 330 cm-1附近的4条CO谱线的参数,建立了温度在300和600 K时,路径长度均为55 cm的两段温度分布模型,模拟了测量误差与温度区间长度约束条件的影响。结果表明随着测量误差的增大和约束条件的减弱,计算结果误差相应增大。在5％的测量误差下,计算结果的最大误差为11％,平均误差为2.2％。以管式炉中的高温段和室温下的低温段作为两段温度分布模型进行试验。利用6 330 cm-1处的垂直腔面发射激光二极管(VCSEL)扫描得到的4条CO谱线,通过背景信号的三次多项式拟合得到基线,求出温度分布计算所需的光谱吸收率积分值。在四种情况下, 计算温度分布结果与模型误差分别为7.3％,6.5％,4.7％和2.7％。     

基于最小二乘法的激光吸收光谱非均匀温度/浓度分布研究

研究了可调谐半导体激光吸收光谱技术实现非均匀温度/浓度分布测量。通过扫描多条H₂O吸收谱线,利用最小二乘算法求解非线性方程,数值模拟和实验得到沿光路方向上的两区温度和浓度分布。计算结果表明采用10条H₂O吸收谱线,计算得到温度相对模型温度的最大偏差为8.3%,浓度偏差为7.6%。通过增加扫描吸收谱线数目和减少未知数个数可以提高计算结果精度。实验测量得到高温区和低温区温度较热电偶读数偏差分别为13.8%和3.5%,数值计算结果与实验结果基本吻合。     

基于TDLAS的近红外甲烷高灵敏检测技术

为增强甲烷气体检测技术的气体吸收率,提高检测灵敏度,利用可调谐二极管激光吸收光谱技术,采用中心波长为1 653.7 nm的分布反馈激光器作为光源,研制了有效光程为14.5 m的Herriott型气体吸收池,并采用波长调制光谱法进行甲烷气体浓度检测。结果表明,二次谐波峰值信号与甲烷气体浓度成较强的线性关系,线性度为0.998 52,检测下限为4.82 ppm;初始积分时间为1 s时的Allan方差为6.37 ppm;积分时间到112 s时,Allan方差为427 ppb,检测灵敏度为4.27×10^-7。     

可调谐二极管激光吸收光谱法测量气体温度

研究了一种新型的非接触式测温技术——可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)测温技术。介绍了温度测量及调制吸收光谱技术原理,分析了调制幅度对气体温度测量的影响。优选了氧气吸收谱线对13163.78 cm-1和13164.18 cm-1,在搭建的高温实验系统上,实现了气体温度和浓度的同时测量。通过分析实测波形获得了谱线13164.18 cm-1在823~1323 K温度范围内的碰撞展宽系数和温度指数。实验结果表明,在823~1323 K温度范围内,系统温度测量的线性误差为0.65%,最大波动为±15 K。     

基于TDLAS技术的水汽低温吸收光谱参数测量

精确的气体光谱参数对气体浓度、温度等的光谱精确反演测量具有十分重要的意义,针对当前主流光谱数据库(例如HITRAN)中数据与实际数值存在相当误差的问题,自主研制了一套基于静态冷却技术的低温光谱实验平台,用于精确测量低温下的气体吸收光谱参数.运用该低温光谱实验平台,采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术测量了温度为230—340 K、压强为10—1000 Pa时7240—7246 cm~(-1)波段的纯水汽振转跃迁光谱.采用Voigt线型多峰拟合方法,获得了5条水汽振转跃迁谱在不同温度、不同压强下的积分吸光度值及洛伦兹展宽值,运用线性拟合的方法得到这5条吸收线的自展宽半峰全宽系数及参考温度下的线强值.运用不确定度传递公式,计算得到实验结果的不确定度,与HITRAN2012数据库中的线参数进行对比,所测的5条吸收线中实验结果与数据库值最大相差10.96%,且实验结果的不确定度为1.11%—2.98%(置信概率p=95%,包含因子k=2),小于HITRAN2012数据库值的不确定度.     

基于TDLAS技术的全量程激光甲烷传感器

根据煤矿安全生产监控系统对测量甲烷浓度全量程高准确度的需要,基于可调谐半导体激光吸收光谱技术,设计了一种全量程一体化激光甲烷传感器.采用1 653.72nm分布式反馈半导体激光器作为系统光源,单板电路实现激光器驱动、温度控制、信号调制与解调、浓度反演.为兼顾高测量准确度和大动态测量范围,系统在低浓度时利用波长调制技术进行甲烷浓度在线检测;当气体浓度大于阈值时,自动切换到直接吸收检测技术.实验结果表明,该传感器在浓度范围为0~5%内误差小于±0.06%,在浓度范围为5~100%内误差小于真值的±6%,响应时间约为15s,满足矿井实际测量需要.     

L-M非线性拟合的TDLAS氧气测量研究

氧气浓度是工业生产过程中重要监测参数,采用可调谐二极管激光吸收光谱法(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS),结合波长调制技术,可以实现对现场氧气浓度的高精度在线监测,利用氧气位于760 nm处的特征吸收峰进行了氧气浓度的测量。由于激光具有很强的相干性,所以TDLAS技术的检测灵敏度受到光学干涉噪声的严重制约,特别在低浓度时,光学干涉引起的基线起伏使得提取吸收峰波形信号时出现较大误差,影响了TDLAS分析仪的监测灵敏度。针对这一情况,采用了Levenberg-Marquardt非线性拟合算法,并且利用了吸收谱线线型——洛伦兹线型的导数形式对波长调制后获得的二次谐波波形信号进行拟合,提取波形信息。另一方面Levenberg-Marquardt非线性拟合方法需要有大量的计算,为了使研制的TDLAS分析仪能够实现现场的实时监测,采用了支持浮点运算的DSP的C28系列芯片进行数据处理,实现仪器在现场实时监测的功能。实验结果表明,该算法能够有效提取二次谐波信号的吸收峰特征值、克服背景噪声影响,由算法反演得到的氧气浓度与实际浓度的线性比值为1.01,浓度测量的线性误差为1.18%。     

可调谐二极管激光吸收光谱测量真空环境下气体温度的理论与实验研究

真空环境不仅会导致热电偶等温度传感器表面材料解吸,而且其传热机理也与常压不同,因此采用常压下校准和溯源的温度传感器测量真空环境下气体温度存在诸多不确定性问题,为此,本文利用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)测量真空环境下气体温度,探索TDLAS温度测量技术在真空环境下的应用前景,在模拟热真空实验过程中,首先将真空气室浸没于恒温槽中,然后利用TDLAS测量真空气室中气体温度,同时利用一等标准铂电阻测量恒温槽的温度,试验结果表明:TDLAS和一等标准铂电阻测量得到的气体温度和恒温槽温度具有高度的一致性,两者之间的误差在恒温槽温度稳定时不超过±0.2℃。     

基于二维吸收光谱重建的数值迭代算法的比较

基于可调谐激光吸收光谱的二维温度和浓度分布重建对于燃烧诊断具有重要意义,而数值迭代算法在温度和组分浓度的重建中起着重要作用。通过对比发现自适应迭代算法和最小二乘QR分解算法对于重建二维温度和气体浓度分布具有很好的优势。研究表明,波长7 154.35, 7 153.75, 7 185.60和7 444.36 cm^-1四条H₂O的吸收谱线,非常适合测量高温预混火焰中的温度和水蒸气浓度分布。与7 444.36, 7 185.60, 7 154.35和7 153.75 cm^-1处的吸收谱线相比,CO₂和CH₄的光谱吸光非常微弱,在该波段O₂和CO基本没有吸收,因此燃烧环境中CO₂, CH₄, O₂和CO等气体对于H₂O吸收谱线基本没有影响。通过比较不同算法的最优松弛因子、计算时间和重建误差等,发现与最小二乘QR分解算法相比,自适应迭代算法具有更好的重建质量和更短的计算时间。在自...     

基于激光吸收光谱技术的燃烧场气体温度和浓度二维分布重建研究

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术和代数迭代算法（ART）实现燃烧场温度和浓度二维分布重建．采用时分复用技术,在1kHz扫描频率下分别扫描H2O的两条吸收谱线,7205．25和7416．05cm^-1,对温度分布在300-1100K范围内的气体温度场进行了重建．研究了投影角度和投影光线数目对温度场和浓度场重建结果的影响,并将温度场重建结果与热电偶测量结果进行比较,结果表明,采用四个投影方向时,温度场重建结果与热电偶测量结果除中心低温区域外基本符合．当光线数目减少时,通过在两条光线间增加虚拟光线,代入到迭代算法中,增加光线数目,提高了温度场和浓度场的重建效果．但此方法受到燃烧场温度梯度大小的影响,即在两条光线之间气体温度梯度较大,增加虚拟光线提高温度场重建效果不明显．     

TDLAS气体检测系统仿真与影响因素分析

船舶运输作为大宗货物的重要流通手段,为我国经济社会发展做出了巨大贡献,但与此同时船用柴油机带来了严重的污染排放问题.在全球排放限制日益严峻的背景下,实现对其排放参数的实时监测,对环境保护、节能减排、优化柴油机控制策略与燃烧性能等都具有重要意义.近年来可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术因其精度高、响应快等优点逐渐...