[发明专利]基于石英音叉探测的激光光谱温度测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于石英音叉探测的激光光谱温度测量装置，其特征在于所述装置包括沿光束传播方向依次设置的半导体激光器、激光准直系统、燃烧场、石英音叉、控制与数据采集处理系统、计算机，经过控制与数据采集处理系统调制的半导体激光器输出激光，激光经激光准直系统后入射通过燃烧场，燃烧场中的CO气体吸收部分激光能量后照射在石英音叉根部，石英音叉产生电信号，该电信号输入到控制与数据采集处理系统中进行信号的解调与采集，控制与数据采集处理系统与计算机相连，在计算机中进行温度反演与显示。

2.根据权利要求1所述的基于石英音叉探测的激光光谱温度测量装置，其特征在于所述半导体激光器为近红外连续波输出的分布反馈式单纵模半导体激光器，线宽不10MHz。

3.根据权利要求1所述的基于石英音叉探测的激光光谱温度测量装置，其特征在于所述半导体激光器的调谐范围＞0.1nm。

4.根据权利要求1所述的基于石英音叉探测的激光光谱温度测量装置，其特征在于所述半导体激光器的激光功率＞10mW。

5.根据权利要求1所述的基于石英音叉探测的激光光谱温度测量装置，其特征在于所述半导体激光器调制频率等于石英音叉共振频率的一半，石英音叉的共振频率＞10kHz。

6.根据权利要求1所述的基于石英音叉探测的激光光谱温度测量装置，其特征在于所述控制与数据采集处理系统中锁相放大器的解调带宽10kHz。

7.根据权利要求1或5所述的基于石英音叉探测的激光光谱温度测量装置，其特征在于所述石英音叉应与燃烧场相距至少5cm以上。

8.根据权利要求1所述的基于石英音叉探测的激光光谱温度测量装置，其特征在于所述半导体激光器的波长扫描频率10Hz。

9.一种利用权利要求1-8任一项所述装置进行激光光谱温度测量的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一：选择CO作为探测气体目标，利用波长调制吸收法，控制与数据采集处理系统对半导体激光器的输出特性进行控制，使半导体激光器的输出波长由锯齿波的形式进行扫描，并在锯齿波上叠加正弦波进行调制，控制扫描范围完全覆盖CO的连续两条吸收线；

步骤二：半导体激光器输出的激光经过激光准直系统后入射到燃烧场中激发待测目标气体CO，CO气体介质吸收激光，激光的光强产生周期性变化，照射在石英音叉根部时激励石英音叉产生周期性弹性形变，石英音叉在激光的作用下发生共振摆动产生电流信号；

步骤三：石英音叉接入控制与数据采集处理系统进行信号的解调与采集，并输入到计算机中进行温度反演处理。

10.根据权利要求1所述的激光光谱温度测量方法，其特征在于所述步骤三中，温度反演公式为：

式中，E”为吸收谱线的下能级能量；h为普朗克常量；c为光速；

k为玻尔兹曼常量；T₀为参考温度；R_2f为二次谐波信号强度之比；I为出射激光光强；T为测试环境的温度；v为激光的频率；S₁、S₂为两条吸收谱线的二次谐波信号高度。