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。     

基于多波长激光吸收光谱技术的气体浓度与温度二维分布遗传模拟退火重建研究

利用可调谐半导体激光吸收光谱技术实现气体浓度温度二维分布重建.设计了气体浓度温度二维分布重建测量系统,采用四路波分复用技术以减少投影光路布置数量和增加气体吸收测量信息.针对于图像重建过程中建立的非线性投影方程组,将遗传算法与模拟退火算法相结合进行求解,在实现全局最优搜索基础上提高算法搜索效率.建立燃烧环境下H2O浓度温度二维分布模型,借助于近红外波段1.3—1.5μm范围内4条H2O气体吸收谱线,利用数值模拟计算方法进行了气体分布重建,重建结果与模型符合得很好.通过在投影数据中添加不同比例的随机误差,考察其对气体分布重建结果的影响.研究表明,气体浓度分布重建结果对于投影误差不敏感,而增加投影误差幅值将导致温度分布重建均方误差增大。     

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...     

可调谐激光吸收光谱应用于气体二维浓度分布重建研究

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS),设计了气体浓度二维分布重建系统。将单路可调谐激光分为24路,交叉穿过目标区域,得到24组直接吸收信号(DA),并采用代数迭代法(ART)计算得到目标区域气体浓度二维分布。搭建了二维气体浓度分布测量试验台,利用中心波长在1.653μm的DFB激光器作为光源,选取HITRAN数据库CH4的2v3带R(3)线作为计算谱线进行数值模拟和试验验证,并对重建结果进行了误差分析。结果表明重建系统能很好的实现气体二维浓度分布重建测量。     

基于可调谐激光吸收光谱技术的脱硝过程中微量逃逸氨气检测实验研究

为了对电厂脱硝过程中逃逸的微量氨气进行在线检测,实验室采用可调谐激光吸收光谱技术对常温常压下以及不同温度下的低浓度氨气进行了测量试验,其中电厂逃逸氨气检测处温度约为650 K。通过分析近红外波段的氨气吸收谱线,并考虑实际测量环境H₂O和CO₂等浓度很大的气体吸收谱线的干扰,实验选取2.25 μm附近的ν₂+ν₃谱线作为浓度检测谱线。为了验证所选谱线对低浓度NH₃的测量能力,实验对H₂O,CO₂和NH₃的吸收谱线进行模拟,发现低浓度NH₃受较大浓度的H₂O和CO₂谱线的干扰较小,尤其是CO₂谱线的干扰可以忽略不计,且2.25 μm处谱线强度远远大于通讯波段1.53 μm处的谱线。基于新型Herriott池以及高温管式炉,结合可调谐激光吸收光谱中的直接吸收技术和波长调制技术,实现了对不同温度下超低浓度NH₃的高分辨率快速检测。常温常压下其线型函数可以利用洛伦兹线型来近似描述,直接吸收测量技术可以使探测极限降低到0.225×10-6。通过采用简单降噪处理技术如多次平均、简单小波分析等,得到不同温度下的谐波信号与浓度具有良好的线性关系,为采用可调谐激光吸收光谱技术进行现场低浓度逃逸氨气检测提供了很好的依据。     

常见氯盐溶液中阳离子对水分子氢键影响的拉曼光谱研究

为了全面认识地质流体中常见阳离子对水的结构的影响, 在室温下通过对NaCl—H₂O,CaCl₂—H₂O,MgCl₂—H₂O,CuCl₂—H₂O,ZnCl₂—H₂O和FeCl₃—H₂O体系中水的O—H伸缩振动拉曼谱3 400 cm-1左右的最大峰频率的移动和低于3 433 cm-1强肩峰强弱的系统研究,考察了常见阳离子的离子电荷、离子半径、离子所属族以及络合效应等因素对水的O—H伸缩振动拉曼光谱的影响。并首次通过络合物的生成和阳离子破坏效应的共同作用来讨论相同浓度的不同种类氯盐溶液中阳离子对水氢键的影响,得到结论,对水的氢键的破坏作用：CaCl₂＞MgCl₂＞FeCl₃＞NaCl＞ZnCl2＞CuCl₂。     

3-甲基-1-乙酰基-5-(2-羟基苯基)-4,5-二氢吡唑及其铕和铽配合物的合成与光谱学研究

以六水合硝酸铽和六水合硝酸铕,3-甲基-1-乙酰基-5-(2-羟基苯基)-4,5-二氢吡唑(HL),1,10-邻菲罗啉和三苯基氧磷(TPPO)合成了TbL₃·2H₂O,TbL₂(phen)·H₂O,TbL₂(TPPO),EuL₃·2H₂O,EuL₂(phen)·2H₂O,EuL₂(TPPO)·2H2O 6个固体配合物。用元素分析,红外光谱,荧光光谱对配合物进行了组分确定和结构表征。IR表明,自由配体HL与稀土离子配位后,位于1644 cm-1处的ν_CC发生移动,相应的ν_CN振动吸收峰降到了1 600 cm-1,结合元素分析等其他表征说明HL和稀土离子发生配位。室温下测定了配合物的荧光激发光谱和发射光谱,激发光谱表明配合物EuL₂(Phen)·2H₂O和TbL₂(Phen)·H₂O的最佳激发波长分别为310和320 nm, 在此激发波长下扫描发射光谱,EuL₂(Phen)·2H₂O和TbL₂(Phen)·H₂O相对荧光强度最强,第二配体phen对Eu3+和Tb3+离子的荧光发射强度有明显的增强作用。     

基于代数迭代算法的燃烧火焰温度场和气体浓度场重建研究

基于TDLAS(tunable diode laser absorption spectroscopy)技术,以水汽作为目标气体,采用直接吸收的测量方式,探测了甲烷空气预混平焰炉燃烧区域水汽的吸收光谱信号,通过ART(algebraic reconstruction technique)代数迭代算法对燃烧场温度和水汽浓度分布进行了模拟重建和实验研究,模拟重建采取5×5共25个网格的正方形重建区域,假定25个网格的一个温度浓度二维分布,模拟28条激光束从不同的角度方位穿越重建区域,得到模拟射线下的投影值,经ART算法重建,结果显示温度场和水汽浓度场的重建偏差均在1%以内。实验采用分布反馈式激光器作为光源,选取H₂O的7 153.722,7 153.748和7 154.354 cm-1三条吸收线作为测温谱线,其中前两条线不区分作为一条吸收线来处理。使用平移台多方位平行扫描,共获取30路光谱吸收信号,经数据处理、算法重建和双线比值法测温原理得到了圆形平焰炉16个不同区域的温度浓度值,且炉面偏向中心区域温度浓度值较高,边缘较小,结果表明代数迭代算法能够很好地实现燃烧区域温度场和水汽浓度场的反演。     

RE(POA)3phen配合物的合成、表征及荧光性能

合成了以稀土离子Sm³⁺、Eu³⁺、Tb³⁺、Dy³⁺及Tb³⁺为发光中心,以苯氧乙酸(HPOA)和邻菲罗啉(phen)为配体,掺杂La³⁺、Gd³⁺、 Y³⁺的7种稀土配合物, 对配合物进行了C、H、N元素分析、稀土络合滴定、红外光谱、紫外光谱和发光光谱的研究。结果表明配合物的组成分别为SmL₃L'·1/2H₂O,EuL₃L'·1/2H₂O,TbL₃L'· 1/2H₂O,DyL₃L'·1/2H₂O,掺杂配合物组成分别为Tb_0.5Gd_0.5L₃L'·1/2H₂O,Tb_0.5Y_0.5L₃L'·1/2H₂O,Tb_0.5La_0.5L₃L'·1/2H₂O(L=C₆H₅OCH₂COO^-, L'=phen)。配合物中的稀土离子与苯氧乙酸中羧基的一个氧原子和苯氧基的氧原子配位,与邻菲罗啉中的两个氮原子配位成键;荧光光谱表明,铽三元配合物的发射强度要远大于其它三元配合物的发光强度,掺杂发光惰性稀土离子La³⁺、Gd³⁺、Y³⁺的铽配合物中,Y³⁺掺杂配合物的发光强度有所增强。     

基于多谱线吸收光谱技术的脉冲爆轰发动机管外流场测试研究

根据时-空守恒元算法得到的脉冲爆轰发动机管外流场分布结果,针对燃气流场分布进行了重建模型假设,给出了一种基于多谱线吸收光谱技术的爆轰发动机管外流场燃气参数测试方法,并对重建模型偏差及计算方法误差进行了仿真研究。针对80 mm口径无阀式气液两相连续脉冲爆轰发动机设计搭建了爆轰燃气管外流场测试系统,通过10 kHz高频扫描四条H₂O吸收谱线采用直接吸收法结合时分复用技术同时对爆轰燃气流场进行扫描测试,实现了脉冲爆轰发动机管外流场的在线监测,并通过多点同时测试首次对管外流场燃气温度分布进行了重建,验证了测试方法的可行性。本研究为拓展激光吸收光谱技术应用于爆轰领域全方面诊断提供了实验支撑,对推进爆轰机理研究、爆轰噪声影响因素及噪声控制研究具有重要意义。     

三种二元水溶液体系中氢键对拉曼线宽的影响

采用显微共聚焦拉曼光谱对三种二元水溶液(乙腈/水、二甲基亚砜(DMSO)/水和丙酮/水)进行测量,得到含有氢键作用的水溶液体系拉曼频移和线宽随浓度的变化规律。应用混合模型和相互作用体系的线宽经验公式对实验结果进行了分析。结果表明,含有氢键作用的水溶液体系中,氢键作用越强线宽越大,并且线宽随单位浓度变化率大;同种氢键体系中,线宽不仅受浓度浮动的影响,氢键作用也是一个重要的影响因素,定量分析证明线宽与浓度、氢键作用关系很好地符合Ojha等提出的线宽公式。     

三价铕荧光络合物与聚乙烯吡咯烷酮复合物研究

为研究稀土荧光络合物与高分子形成的复合物的结构与发光性能间的关系,利用α-噻吩甲酰三氟丙酮（TTA）和三苯基氧化膦（TPPO）与氯化铕（EuCl₃）分别制备了Eu(TTA)₃·2H₂O和Eu(TTA)₃·(TPPO)₂络合物,及其与聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的复合物。采用荧光光谱,红外光谱和透射电镜等方法对复合物进行了表征。荧光光谱测定结果表明Eu(TTA)₃·2H₂O与PVP K30结构单元摩尔比为1∶35的PVP/Eu(TTA)₃·2H₂O复合物的612　nm发射峰的荧光强度较Eu(TTA)₃·2H₂O络合物有显著提高。红外光谱研究表明络合物的Eu3+与PVP分子的羰基之间存在着明显的配位作用,并且存在多种配位方式。透射电镜观察结果表明复合物具有微相分离结构,其中的稀土络合物为无定形结构,这进一步表明PVP与络合物分子间存在相互作用。     

基于石英增强光声光谱的痕量气体实时检测研究

石英增强光声光谱技术(QEPAS)出现时间较晚,是一种较为新颖的痕量气体探测手段,本文以大气中的水汽作为测量目标,开展对基于QEPAS技术的痕量气体探测系统的研究。理论上,首先对激光器波长调制及信号谐波探测的原理进行了分析,得到了可用于气体浓度信号反演及激光器波长锁定的实现方案,并讨论了可用于高灵敏度气体探测的吸收谱线的选择原则。实验中,以输出波长为1.39 μm的连续波分布反馈单纵模二极管激光器作为激发光源,采用激光器波长调制和2次谐波探测技术,首先研究了激光波长调制深度对QEPAS系统产生的信号幅度的影响,接下来对声波探测系统中微共振腔强声波增强特性进行了研究。QEPAS系统经过优化后,获得了5.9 ppm的探测极限,同时对不同浓度的水汽进行了测量,实验数据线性拟合后,得到R-Square为0.98,证明了此QEPAS系统具有良好的线性响应度。最后,运用基于3次谐波探测的激光器波长锁定技术,对大气中的水汽变化进行了长达12 h的连续测量,实验结果表明,该系统性能稳定,具有良好的连续测量能力,可广泛应用于其他痕量气体的高灵敏度连续在线测量的研究上。     

磷石膏中微量含氟物相的光谱分析

磷石膏中二水硫酸钙(CaSO₄·2H₂O)的含量高达90%以上,是一种重要的再生石膏资源。然而与天然石膏不同,磷石膏中磷、氟、有机物等有害杂质限制了它的实际利用。探明微量杂质氟物相的存在形态、含量及分布规律,对高效脱除磷石膏中杂质氟具有重要的理论价值。采用X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)与电子显微探针(electron microprobe analysis, EMPA)相结合的分析方法,研究了磷石膏中微量含氟物相的主要存在形式和分布规律。结果表明,磷石膏中微量含氟物相主要包括NaF,KF,CaF₂,K₂SiF₆,Na₂SiF₆,Na₃AlF₆,K₃AlF₆,AlF₃·3H₂O,AlF_2.3(OH)_0.7·H₂O,Ca₅(PO₄)₃F,Ca₁₀(PO₄)₆F₂。其中,4.83%的氟以NaF,KF,CaF₂等氟化物形式存在,8.42%的氟以氟磷酸盐Ca₅(PO₄)₃F和Ca₁₀(PO₄)₆F₂形式存在,12.21%的氟以氟铝酸盐Na₃AlF₆和K₃AlF₆形式存在,41.52%的氟以氟硅酸盐K₂SiF₆和Na₂SiF₆形式存在,33.02%的氟以带结晶水的氟化铝AlF₃·3H₂O和AlF_2.3(OH)_0.7·H₂O形式存在。研究表明分析固体样品中微量元素物相时,采用XPS与EMPA相结合的分析方法更具有优势。本研究为磷石膏中微量杂质氟的脱除以及有效回收氟资源提供理论依据。     

2-(4-氟代苯甲酰基)苯甲酸-铕配合物的合成、结构表征及荧光性能的研究

以硝酸铕、2-(4-氟代苯甲酰基)苯甲酸(HL)、1,10-菲咯啉(Phen)和三苯基氧膦(TPPO)合成了EuL₃(H₂O)₆,EuL₃Phen(H₂O)₄和EuL₃(TPPO)(H₂O)₅三种固态配合物。用元素分析、红外光谱、核磁共振氢谱对配合物进行了组分确定和结构表征。IR表明,2-(4-氟代苯甲酰基)苯甲酸与Eu3+形成配合物后,位于1 692 cm-1处羧基的ν_CO峰消失,2 500～3 200 cm-1处羧基的ν_O—H峰也消失,出现了羧酸盐特有的反对称伸缩振动吸收峰(ν_as(CO-₂))和对称伸缩振动吸收峰(ν_s(CO-₂)),且Δν(ν_as(CO-₂)-ν_s(CO-₂))与钠盐的Δν相近,说明羧酸根与Eu3+以对称双齿桥式配位。在1H NMR中,形成配合物后第一配体苯环上的质子峰变为宽峰且移向高场,Phen和TPPO中质子化学位移移向低场。室温下测定了配合物的荧光激发光谱和发射光谱,激发光谱表明配合物EuL₃(H₂O)₆,EuL₃Phen(H₂O)₄和EuL₃(TPPO)(H₂O)₅的最佳激发波长分别为353.0,355.0和357.0 nm;发射光谱均显示Eu3+离子的特征发射光谱,且表明Phen对Eu3+离子的荧光发射有明显增强作用。     

含氮配体构筑的单核锌Zn(Ⅱ)/双核Cu(Ⅰ)配合物蓝光材料的结构和荧光性能研究

采用溶剂热法合成出单核Zn(Ⅱ)配合物[Zn(2,6-PDA)(phen)H₂O]·H₂O (1)和双核Cu(Ⅰ)配合物{[Cu(μ-Ⅰ)(phen)H₂O]·H₂O}₂ (2) (2,6-H₂PDA=2,6吡啶二甲酸,phen=1,10-邻菲罗啉),通过单晶结构测试、元素分析和红外吸收光谱对结构进行表征,并研究了两种配合物在二甲基亚砜(DMSO)中及固态时的荧光光谱及DMSO溶液中紫外可见吸收光谱。配合物1和2的最大吸收峰分别出现在253和242 nm附近,相比于配体吸收峰均发生红移,在1和2中,主要呈现出中心金属离子微扰的phen的π→π*的跃迁,且吸收强度强于phen,说明中心金属离子与phen配位后,增加了有机配体在紫外区的吸收,利于配体对能量的吸收。1在DMSO溶液中的荧光发射峰位于361,379和392 nm,在固态时的荧光发射峰为407,434和467 nm,2在DMSO溶液中的荧光发射峰出现在422,443和461 nm,固态时荧光发射峰在442,469,501 nm,均呈现蓝光发射。配合物1和2的固态荧光发射光谱与相应的DMSO溶液中的发射峰相比分别红移55和23 nm,这是由于在固态时配合物1和2的分子中的π—π堆积相互作用和分子间的相互作用,特别是配合物2中存在强烈的Cu(Ⅰ)…Cu(Ⅰ)相互作用,降低了体系前线轨道之间的能量差。     

均苯三甲酸铽掺杂(钇、钆)配合物的合成及荧光性质

以均苯三甲酸(H₃BTC)为配体,用水热法合成了系列稀土掺杂发光配合物,通过元素分析,EDTA滴定,红外光谱等确定了其组成为Tb_(1-x)Ln_xBTC·0.5H₂O(Ln=Y,Gd,x=0,0.1,0.3,0.5,0.7,0.9)。研究了配合物的荧光性质。该类配合物均能发出Tb3+的特征荧光,并且不发光的Y3+和Gd3+的掺入使配合物的荧光强度得到了增强,这可能是由于分子内能量传递的结果。Tb3+受到敏化作用而使荧光增强,但发射峰的位置基本上没有发生变化。在Tb3+的4个发射峰中5D₄→7F₅(544nm)处的发射峰强度最强,并在此条件下确定了掺杂离子的最佳掺入量,当Tb3+∶Y3+=0.5∶0.5, Tb3+∶Gd3+=0.3∶0.7时Tb_(1-x)Ln_xBTC·0.5H₂O(Ln=Y,Gd)的荧光强度最强。同时发现在最佳掺入量条件下Gd3+对Tb3+的敏化程度大于Y3+对Tb3+的敏化程度。