[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

说明书

本发明公开了一种基于石英音叉探测的激光光谱温度测量装置及方法，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。本发明解决了目前燃烧场测温中利用CO作为探测气体时，测温装置中光电探测器存在波长响应限制的问题。

技术领域

本发明涉及一种激光光谱温度测量装置及方法，具体涉及一种基于石英音叉探测的激光光谱温度测量装置及方法。

背景技术

燃烧流场过程复杂恶劣，对瞬时环境的实时诊断极其严格。燃烧流场的光学诊断技术主要是以激光技术、光谱技术、光电检测技术等作为检测原理，实现对燃烧场温度、组分、浓度、火焰构造和流速等参量的高时空分辨率精准测量。其中，温度是燃烧流场中极其重要的一个物理量，温度的测量对燃烧动力学、发动机燃烧效率和污染控制等具有重要意义。

近年来，基于激光的光谱诊断技术逐渐替代传统测温手段成为燃烧测试的主流方式。其中，可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy,TDLAS)是最常用于燃烧场中温度和组分的在线监测方法。TDLAS技术测量原理是基于Beer-Lambert定律，通过采用波长可快速调谐的半导体激光器产生单纵模激光，由探测器测量介质吸收激光前后光强的变化情况。

TDLAS测量流场温度原理为：分子不同能级上的布局数分布与温度有关(满足玻尔兹曼统计分布)，而吸收线的吸收强度与相应能级的布居数有关，通过测量不同吸收线的相对强度即可得到燃烧场的温度。具体实现方法为：选择两条谱线强度对温度有不同依赖关系的吸收谱线，通过其比值是温度的单值函数来反演出流场温度，通过两台二极管激光器同时扫描两条吸收谱线，或运用单台二极管激光器扫描两条邻近的吸收谱线。对吸收光强和基线光强作ln(I₀/I)运算便可得到两条吸收峰曲线，对于波长扫描直接吸收法来说，两个吸收峰的面积之比等价于两条吸收线的谱线强度之比。

依据比尔-朗伯定律：

ln(I₀/I)＝PXS(T)φ(ν)L (1)

式中，I₀为入射激光光强；I为出射激光光强；P为探测气体的总压强；X为探测组分的摩尔分数；S(T)为吸收谱线的谱线强度；T为测试环境的温度；为线型函数；v为激光的频率；L为激光在吸收介质中的有效传播距离。

波长扫描调制吸收法中，将正弦波叠加在锯齿波上调制激光器的波长，利用双线法，即利用两条吸收谱线的二次谐波信号高度S₁、S₂(中心频率处值)之比来进行温度测量，设两条吸收谱线的中心频率分别为ν₁和ν₂，则：

式中，R_2f为二次谐波信号强度之比；a为波长调制深度。波长调制吸收法的温度测量除了与两条吸收下的二次谐波信号强度R_2f有关外，还与波长调制深度a、激光光强I、线型函数φ有关，波长调制吸收二次谐波法的流场温度反演公式为：

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。现有的实验方案中，TDLAS测温系统主要包括光源、调制器、燃烧场、光电探测器等设备。可调谐半导体激光器输出激光经过准直后经过燃烧场中激发待测气体，气体吸收激光的部分能量，出射激光照射光电探测器光敏面上，用于检测光强的变化。