用于燃气温度测量的单激光器吸收光谱系统设计 (2011年)

可调谐半导体激光器吸收光谱(TDLAS)燃烧诊断技术利用双线方法可实现燃烧环境中温度的非接触和实时在线测量。针对1 000 K～2 500 K典型碳氢燃料燃烧环境，基于HITRAN光谱数据库，对通信用分布反馈式半导体激光器工作波段(1.25μm～1.65μm)内H2O吸收谱线进行优选分析，发现7 153.748、7 154.354 cm-1双线谱线对满足单激光器调谐条件，并且对高温燃气温度测量具有较好的抗干扰能力和测温灵敏度。因此，选用l 397 nm半导体激光器设计了用于燃气温度测量的单激光器吸收光谱系 ### 用于燃气温度测量的单激光器吸收光谱系统设计 #### 摘要与背景 本文介绍了一种用于测量高温燃气环境下温度的单激光器吸收光谱（TDLAS）系统的设计。此系统能够实现在碳氢燃料燃烧环境中温度的非接触式实时在线测量。在1000K到2500K这一典型温度范围内，通过分析HITRAN光谱数据库中的水蒸气吸收谱线，研究人员选取了特定波段内的双线谱线对，以实现单激光器的有效调谐。所选谱线为7153.748 cm⁻¹和7154.354 cm⁻¹，这些谱线在1.25μm至1.65μm的波段内，适合于分布反馈式半导体激光器的工作范围。这些谱线不仅满足单激光器调谐的要求，还具有良好的抗干扰能力和测温灵敏度。 #### 关键技术与理论基础 - **可调谐半导体激光器吸收光谱技术（TDLAS）**：这是一种基于半导体激光器发射的光被气体分子吸收的原理来测量气体成分浓度的技术。它通过精确地调整激光器的波长来匹配特定气体分子的吸收峰，从而实现非接触式的测量。 - **HITRAN光谱数据库**：这是由美国国家标准与技术研究所（NIST）维护的一个全球公认的数据库，包含了各种气体分子的光谱数据，对于光谱分析和模拟非常重要。 - **双线测量方法**：通过同时监测两条接近但不完全相同的吸收谱线，可以减少环境变化（如压力、背景气体浓度变化等）对测量结果的影响，提高测量的准确性和稳定性。 #### 系统设计与实现 为了实现这一目标，研究人员首先基于HITRAN数据库，选择了1.25μm至1.65μm波段内的水蒸气吸收谱线作为研究对象。通过对比分析，最终确定了7153.748 cm⁻¹和7154.354 cm⁻¹这两条谱线作为测量用的双线谱线对。这两条谱线不仅在频率上相近，而且它们之间的差异足够大，以便在单个激光器上进行有效的调谐操作。 接下来，研究人员设计了一个基于1397nm半导体激光器的单激光器吸收光谱系统。该系统包括： - **激光器模块**：采用分布反馈式半导体激光器，工作在1397nm波长附近。 - **光学调制系统**：用于精确控制激光器的发射波长，使其能够扫描选定的谱线。 - **探测系统**：利用光电二极管等设备捕捉透过样品后的激光信号。 - **数据处理系统**：负责处理采集到的数据，计算出待测气体的浓度或温度等信息。 #### 实验验证 该系统被应用于平面火焰炉中燃气温度的实际测量。通过将系统的测量结果与传统热电偶的测量结果进行比较，验证了系统的准确性和可靠性。实验结果显示，该系统的最大相对误差不超过10%，表明它在高温燃气环境下的温度测量方面具有良好的性能。 #### 结论 本文提出了一种基于TDLAS技术的单激光器吸收光谱系统设计方案，该系统能够在高温碳氢燃料燃烧环境中实现温度的非接触式实时在线测量。通过精心选择吸收谱线并设计相应的系统，实现了对高温燃气温度的有效测量。此外，通过与热电偶的测量结果比较，证明了该系统的准确性和可靠性，为今后进一步开发和完善此类系统提供了理论和技术支持。