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基于可调谐激光吸收光谱技术的温度测量方法研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 燃烧场温度检测方法

1.2.1 非接触式测量方法

1.2.2 激光光谱技术测量方法

1.3 TDLAS技术研究现状

1.4 论文的主要研究内容

第2章 TDLAS气体分子测温技术分析

2.1 气体分子吸收光谱理论

2.1.1 比尔-朗伯定律

2.1.2 吸收谱线线强

2.1.3 吸收谱线线型函数

2.2 TDLAS技术测量方法

2.2.1 气体环境温度反演算法

2.2.2 双谱线测温方法

2.3 直接吸收方式测量

2.4 波长调制方式测量

2.5 本章小结

第3章 吸收分子与谱线对挑选

3.1 气体分子光谱数据库

3.2 特征吸收分子挑选

3.3 分子谱线对挑选

3.3.1 谱线对选取机制

3.3.2 中心谱线选取方案

3.3.3 选定谱线对的测温论证

3.4 本章小结

第4章 TDLAS测量系统构建

4.1 系统总体方案设计

4.2 激光发射单元

4.2.1 DFB激光器

4.2.2 激光控制系统

4.3 接收单元

4.3.1 激光探测器

4.3.2 信号采集与锁相解调

4.4 TDLAS测量系统软件设计

4.4.1 数据提取及处理程序设计

4.4.2 上位机控制与通信软件

4.5 本章小结

第5章 实验测量与分析

5.1 燃烧炉温度测量实验研究

5.1.1 激光器静态调谐特性测试

5.1.2 最佳调制参数选取实验

5.2 燃烧测量结果与分析

5.3 测量系统误差分析

5.3.1 环境因素

5.3.2 理论及系统因素

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术成果

致谢

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摘要

燃烧诊断中,测量参数主要包括燃烧温度和气体产物的浓度。对高温燃烧环境中这两个参数的测量研究具有重要的意义。目前,激光光谱法作为先进的测量技术,能够实现快速、非接触,多组分多参量同时测量。
  本文采用可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术对燃烧环境的温度测量进行研究。对气体分子吸收光谱理论和测温方法、谱线对选取、设计系统并实验进行四位一体的研究。为验证TDLAS理论测温的可行性及工程化应用提供有力支持。
  测温理论方面,介绍气体吸收谱线的线强度和线型等相关理论。详细分析TDLAS技术测温的不同方法,并给出对应的温度反演算法。研究直接吸收和波长调制方法测温模型,对比两种方法优缺点,确定采用波长调制法来测量二次谐波信号反演温度值。
  特征谱线对选取方面,利用程序软件提取光谱参数数据,设计详细的吸收谱线对选择方案,确定燃烧场温度检测中可采用多分子谱线对的方法进行温度测量。进行吸收线型模拟,选出H2O水分子和CO2气体分子对应的谱线对。通过数据模拟,分析所选谱线对的测温上限和灵敏度。
  系统构建设计方面,结合谱线对的选择结果及系统分析,选取符合的器件型号,并对激光器和探测器等主要仪器进行参数分析及性能测试。通过调制测试实验,选定适合的调制参数。
  初步实验论证方面,通过设计以CO2分子为目标分子对燃烧炉的环境温度进行测量实验,并提出用实验标定的方式计算双谱线测温算法中的调制系数值。通过与K型热电偶测温结果对比,总结和分析测温过程的不确定性因素,初步验证TDLAS技术测温的可行性。

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