利用激光吸收光谱测量火焰中的碳烟颗粒浓度、温度以及气体浓度
可调谐半导体激光吸收光谱法监测燃烧过程中CO浓度的变化
池， 经过 １０次反射后 ， １ 光程达 到 ４ ． ９ ５ｍ，由多次发射池 出
射的光束经平面反射镜反 射后 经过 １ ｍ长的参 考池到达 自 ０ｃ 平衡探测器的信号光进光 口。自平衡探测器 把光信号转换成 电信号并 由线性输出端 口输 出，输 出信号 进入 锁相放 大器 ，
由安装在计算机上的数据采集 卡进 行采 集 ， 并对 采集到 的信 号进行积分平均 。 本实验使用 ３ ０次平 均 ， 由计算 机对采集到 的信号进行 处理得到 Ｃ 的浓度值 。喷灯 位于多次反 射池 的 Ｏ
第 １ 期 １
束光通过 自聚 焦透镜 入射 到 自平衡 探测 器 的参考 光进 光 口， 另一束光经过 自聚焦透镜 进入 Ｈｅｒ ｔ 构 的多次反射 ｒｉ 结 ｏ
Ｃ Ｏ浓度进行实时在线测量 ， 这就使 得传 统采样 的气体 检测 方法如气 相 色 谱法 ＿、湿 化学 方 法 等难 以满 足 测 量 要求 。 ３ ］
摘
要
可调谐半导体激光吸收光谱技术 （ ｎｂ ｉ ｅａｅ ａｓｒｔ ｎ ｐｃ ｏｃｐ ， Ｄ Ａ ） ｔ ａｌｄ ｄ ｓｒ ｂｏｐｉ ｅ ｒｓｏｙ Ｔ Ｌ Ｓ 是利用 二极 ｕ ｅ ｏ ｌ ｏｓ ｔ
管激光器的波长调谐 特性 ， 获得被选定的待测气体特征 吸收线 的吸收光 谱 ， 而对待 测气体进 行定性 或定 从 量分析。它具有高灵敏 、 高分辨 以及快速检测等特点 ，已经广泛用 于大气 中多种痕量气体 的检测 以及泄漏气 体 的检测 ，也是在燃烧环境下对 气体进行 非侵 入式实 时测量 的理想方法 。Ｔ Ｌ Ｄ ＡＳ技术 与开放式 的多次 反射 池相结合 ，并利用 自平衡探 测加波长调制 的新 型检测方法 ，测量了酒精喷灯燃烧 过程 中产 生的 Ｃ Ｏ浓度 ， 从
采用激光吸收光谱测量高温条件下CO体积分数及其影响因素的研究
Ｉ ｎ Ｓ ｉ ｔ ｕ Ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ Ｃ Ｏ ｉ ｎ Ｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｇ ａ ｓ ｅ ｓ Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｔ Ｄ Ｌ Ａ Ｓ ａ ｎ ｄ Ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｏ ｎ Ｒ ｅ ｌ ｅ ｖ ａ ｎ ｔ Ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｉ ｎ Ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ｙ ｇ
［］ ［］ Ｕ ｓ ｃ ｈ ｕ ｌ ｔ ｅ３ 、 Ｚ ｈ ｏ ｕ Ｘ 等 ４ 对实验室中平面火焰燃 ｐ 烧 气 体 产 物 的 体 积 分 数 进 行 了 在 线 联 合 测 量； ［］ Ｗ ａ ｎ Ｊ等 ５ 对 燃 烧 火 焰 的 温 度 进 行 了 在 线 分 析 ； ｇ ［］ Ｈ ｏ ｌ ｅ ｒ等 ６ 将可 调 谐 半 导 体 激 光 吸 收 光 谱 技 术 应 ｇ
（ ） 浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室 ， 杭州 ３ １ ０ ０ ２ ７ 摘 要 ：采用 中心波长 位 于 ２． 结 合 扫描 波 长 直 接 吸 收 法 ， 对高温条件不同 ３μ ｍ 的 半导 体 激 光 器 ， 工况下的 Ｃ 分别研究了压力和温度对谱线线宽和吸收线强的影 Ｏ 气 体 谱 线 吸 收 特性 进 行了 测 量 ， 响． 结果 表 明 ： 随着 压 力 的 提 高 ， 谱 线 宽 度 逐 渐 增 加， 选 择 的 激 光 器 需 要 有 足 够 宽 度 的 扫 描 范 围， ） 谱 线 高 压 下 独立 性 好 ， 不与周围 干 扰 谱 线 发 生 叠 加， 是理想的 Ｃ 通过消除 Ｒ（ ３ ０ Ｏ 测 量 吸 收 谱 线； 背景信 号 的方 法可 减 少 颗粒 对 谱 线 吸 收测 量 精 度的影响 ； 所选 波 段 的 谱 线 在 高 温时 （ 有 ０ ０ ０Ｋ） ＞１ 可 以 得到 直接吸 收 （ 信号， 避免 了采用 调 制技术 带来 的 复 杂 性 ， 为研究 各 种 因 素 的 足够 的 线 强 ， Ｄ Ａ） 影响 提 供 了 便 利 ． 关键词 ：可 调 谐半导 体 ；激 光 吸 收 光 谱 ； Ｃ Ｏ；在 线测 量 ；燃烧 参 数
用激光感生击穿光谱技术测量燃煤含碳量
用激光感生击穿光谱技术测量燃煤含碳量李娉;陆继东;谢承利;李捷;刘彦;余亮英【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2007(28)6【摘要】研究了应用激光感生击穿光谱技术对燃煤进行元素快速定量分析的可行性.介绍了用于激光感生击穿光谱技术定量分析的定标曲线方法,并以5种煤样作为实验对象,选取激光击穿煤粉时碳元素505.2nm原子发射谱线为分析谱线,定量分析了延迟时间分别为0.8μs,1.2μs,1.6μs,2.0μs和2.4μs时煤粉中的含碳量,将测量结果与元素分析仪测量结果比较,延迟时间为1.6μs时测量误差最小.根据等离子体发射机制分析了延迟时间对定量分析的影响.实验结果表明:激光感生击穿光谱技术的分析精度较高,可望用于煤质特性快速检测.【总页数】4页(P756-759)【作者】李娉;陆继东;谢承利;李捷;刘彦;余亮英【作者单位】华南理工大学,电力学院,广东,广州,510640;华南理工大学,电力学院,广东,广州,510640;华中科技大学,煤燃烧国家重点实验室,湖北,武汉,430074;华中科技大学,煤燃烧国家重点实验室,湖北,武汉,430074;华中科技大学,煤燃烧国家重点实验室,湖北,武汉,430074;华南理工大学,电力学院,广东,广州,510640;华中科技大学,光电子科学与工程学院,湖北,武汉,430074【正文语种】中文【中图分类】TN24;O53【相关文献】1.激光感生击穿光谱技术(LIBS)的原理及影响因素 [J], 袁冬青;周明;刘长隆;言峰;戴娟;任乃飞2.激光感生击穿光谱技术在燃烧诊断中的应用 [J], 陆继东;刘彦;李娉3.用激光感生击穿光谱对大气进行定量分析 [J], 余亮英;陆继东;陈文;黄来;李捷;谢承利4.基于激光感生击穿光谱的燃煤结渣特性评估 [J], 谢承利;陆继东;李捷;刘彦;李娉5.激光感生击穿光谱技术测量飞灰含碳量 [J], 吴戈;陆继东;余亮英;陈文因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
利用可调谐半导体激光吸收光谱法同时在线监测多组分气体浓度_张志荣
前后 影 响 很 小 （幅 值 变 化 ＨＣｌ：Ｖｐｐ＝０．９９２→ ０．９９Ｖ，Ｈ２Ｓ：Ｖｐｐ＝０．６９→０．７０４ Ｖ）；光 开 关 方 法 切 换 过 程 中 略 有 不 稳 定 ；多 频 方 法 信 噪 比 有 所 提 高 ，ＨＣｌ探 测 和 Ｈ２Ｓ 探 测 时 信 噪 比 在 激 光 器 关 闭 和 打 开 情 况 下 分 别 提 高 了 ０．９５ 倍 和 ３．１７倍 。 实 验 结 果 表 明 ，这 ３ 种 方 法 操 作 简 单 ， 无 需 额 外 较 大 的 设 备 仪 器 ，可 以 方 便 地 实 现 多 气 体 组 分 的 同 时 在 线 监 测 ，在 一 定 程 度 上 提 高 了系统的监测能力。
第 ２１ 卷 第 １１ 期 ２０１３年１１月
光学 精密工程
Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．２１ Ｎｏ．１１
Ｎｏｖ．２０１３
文 章 编 号 １００４－９２４Ｘ（２０１３）１１－２７７１－０７
利用可调谐半导体激光吸收光谱法同时在 线监测多组分气体浓度
Ｉ（υ）＝Ｉ０（υ）ｅｘｐ（－σ（υ）ｃＬ），
（１）
其中：σ（υ）是吸收 截 面，ｃ 为 吸 收 气 体 的 分 子 数 浓
度。对 于 近 红 外 分 子 吸 收 来 说，公 式 （１）可 近
似为：
Ｉ（ｖ）≈Ｉ０（ｖ）（１－σ（ｖ）ｃＬ），
（２）
即通过吸收气体之后光强变化与浓度和光程成线
性关系。由于大 气 中 痕 量 气 体 含 量 比 较 低，吸 收
在研究大气痕量成分的变化过程中或者是区 分混合物中多种 气 体 成 分 的 相 对 浓 度 时，希 望 能 够同时测量多种气体的成分。 然而 ＴＤＬＡＳ技术 一般需要为每一种感兴趣的气体选用一套专门的 系统进行检测，因 此 该 技 术 在 多 组 分 气 体 浓 度 同 时在线监测 方 面 略 显 逊 色。 近 年 来，人 们 发 现 两 种吸收谱线相近的气体，如 ＣＯ、ＣＯ２，在１ ５７９ｎｍ 附近存在吸收且 不 互 相 干 扰，因 此 可 以 通 过 温 度 控制和注入电流 使 一 个 ＤＦＢ 激 光 器 同 时 扫 描 上 述气体 的 吸 收 波 长［８］，最 终 实 现 同 时 在 线 监 测。 这 样 既 降 低 了 仪 器 的 复 杂 性 ，操 作 简 单 ，又 提 高 了 测量速度，但是 大 多 数 气 体 并 不 具 备 像 ＣＯ、ＣＯ２ 这 样 的 临 近 谱 线 ，因 此 需 要 寻 求 其 它 方 法 。
碳烟测量方法综述
碳烟测量方法综述纯属交流，谢绝他用背景柴油机具有比汽油机更高的动力性和经济性，但因不均匀混合气燃烧产生碳烟的排放特性限制了其应用范围。
虽然作为机外净化技术的微粒捕集器可以大幅减少碳烟排放，但人们更希望通过优化改进缸内流动、燃烧过程实现高效清洁燃烧，从根本上降低碳烟排放。
缸内碳烟测试技术不仅可以对缸内燃烧过程中产生的碳烟进行精确的时间、空间解析，为柴油机设计优化提供参考依据，实现更低的排放，而且为深入理解碳烟生成和排放机理，建立更加精确的燃烧排放模型提供强有力的支持，具有重要的学术价值和应用前景。
测量方法历史及进展：早期缸内碳烟研究主要采用瞬态缸内采样技术，可以测得采样体积内碳烟的数量信息，具有良好的时间、空间分辨率，并可应用先进的测量设备对采样碳烟的粒子颗粒和体积分布进行准确的测量统计。
但此方法受区域限制不能获得全场数据，且插入采样口会对燃烧过程产生干扰，从一定程度上影响碳烟结果的准确性。
光学测量属于非接触式测量，对测试区域干扰较小，具有良好的时间、空间分辨率。
近年来，随CCD、ICCD 和高速摄像机等探测器件的应用，消光法、散射法、双色法和激光诱导白炽光法等缸内碳烟光测试技术逐渐发展、完善。
消光法（Light Extinction）原理如图所示：当激光束穿过碳烟粒子区域时，由于碳烟颗粒对光的散射和吸收作用使入射光强度降低，导致接收端探测到的能量有所减少。
由于碳烟属于吸收能量很强的介质，对光线的吸收能力远远大于散射能力，因此可以用Lambert Beer 理论描述穿越粒子区域的光强变化，可得出碳烟体积分数。
消光法的优点在于实验装置比较简单，只需要一个激光点光源和一个光电二极管，且测量结果准确性较高。
但此方法只能记录碳烟生成区域的一个点，如果要对整个碳烟生成区域进行研究，则需要重复的完成多点测量，效率较低。
消光法测量碳烟原理图光源后置消光法（BILE）是基于消光原理，在单点消光法基础上发展成的二维碳烟分布测量方法。
基于红外吸收光谱的气体浓度测量实验方法
基于红外吸收光谱的气体浓度测量实验方法随着环境污染的不断加剧，气体浓度的准确测量成为了环境保护和工业安全领域的重要课题。
本文将介绍一种基于红外吸收光谱的气体浓度测量实验方法，该方法借助红外光谱仪器，通过测量样品在特定波长下的红外光吸收，实现对气体浓度的准确测量。
一、实验步骤1. 样品准备：根据实验需要选择待测气体，并准备一个装有气体的容器。
为确保实验结果的准确性，应确保样品的纯度和浓度符合要求。
2. 红外光谱仪器设置：将红外光谱仪器设置在适当的工作条件下，包括选择适当的波长范围和设置样品室的温度和压力等参数。
3. 样品测量：将准备好的样品容器放入红外光谱仪器的样品室中，确保样品与波长选择器对准。
启动仪器并开始测量。
4. 数据采集：红外光谱仪器将通过红外吸收光谱分析技术，对样品在特定波长下的光强进行测量。
根据测量结果，可以得到样品在不同波长下的吸收峰值。
5. 浓度计算：根据样品在特定波长下的吸收峰值，结合事先建立的吸收系数与浓度之间的关系曲线，可以计算出待测气体的浓度。
需要注意的是，建立关系曲线时应尽量采用多个浓度级别的标准样品，以提高计算结果的准确性。
二、实验注意事项1. 样品的选择与准备：为确保实验结果的准确性，应选择纯度高、浓度稳定的标准样品，并在使用前进行适当的准备处理。
2. 仪器参数设置：在进行实验前，应仔细设置红外光谱仪器的工作条件，包括波长范围、样品室温度和压力等参数。
保证仪器处于最佳工作状态，以获得准确可靠的测量结果。
3. 数据采集与处理：在进行数据采集时，应保证仪器处于稳定状态，避免干扰源的干扰。
对于采集到的数据，应进行适当处理，例如平滑处理、背景校正等，以提高测量结果的准确性。
4. 比较分析：在进行测量前后，可以采用对照试验或与其他方法进行比较分析，以验证红外吸收光谱的测量结果的准确性和可靠性。
三、实验应用与发展基于红外吸收光谱的气体浓度测量方法具有许多优点，如高灵敏度、快速测量、非破坏性等。
基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统研究
基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统研究近年来，气体检测技术在环境监测、工业生产、安全保障等领域得到了广泛应用。
其中，基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统由于其高精度、高灵敏度和快速响应等特点而受到了研究者的关注。
红外激光吸收光谱技术是基于分子物质对红外辐射产生吸收和发射的原理进行气体检测的一种方法。
红外激光可以通过调整其波长，选择适合被检测气体的特征吸收线，从而实现气体的精确检测。
对于大气环境中常见的一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等有害气体，红外激光吸收光谱技术能够提供高精度的定量测量结果。
此外，红外激光吸收光谱技术还具有实时性强、非接触式探测等优点，在被检测物质浓度变化较快的情况下表现出较好的适应性。
在构建基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统时，一般包括光源、光学系统、探测器和信号处理等组成部分。
光源是红外激光的产生装置，常用的有半导体激光器、红外激光二极管等。
光学系统的作用是将光源发出的激光通过聚焦、分束等方式将其引导到检测区域。
探测器是光信号的接收器，将光强信号转化为电信号。
信号处理部分则对接收到的电信号进行分析和处理，得到气体浓度信息。
在实际应用中，基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统可以用于工业安全监测、环境保护等方面。
例如，工业生产过程中常常会释放出一些有害气体，如苯、甲醛等。
通过布置红外激光吸收光谱传感器，可以及时监测这些有害气体的浓度，当浓度超过一定阈值时，及时发出报警信号，保障工作人员的生产安全。
同时，红外激光吸收光谱技术还可以用于环境监测。
城市中的汽车尾气、工业排放等会导致空气中有害气体浓度的变化。
通过在定点或移动设备上部署气体检测系统，可以实时监测环境中有害气体的浓度，及时采取措施改善环境质量。
虽然基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统已经取得了很大的应用进展，但仍然存在一些挑战和需要解决的问题。
首先，红外激光吸收光谱系统成本高、体积大，限制了其在实际中的应用范围。
基于激光的测量技术在燃烧流场诊断中的应用
在处于高压、高温等严苛环境的现代燃烧系 统中，基于激光的测量技术既能为燃烧基础研究 提供测量手段，同时也能在实际燃烧装置中，为燃 烧效率最大化、污染最小化提供经验性的解决策 略。此外，激光诊断技术在解决实际燃烧问题如 催化燃烧、火焰抑制、燃烧控制、燃气轮机和内燃 机的燃料注入与混合、材料燃烧合成等方面都具 有重要的作用。
激光燃烧诊断技术是以激光器件、光谱物理、 光电探测、数据图像处理等为基础的非接触式测 量技术，当前已发展成为燃烧实验研究的主要测 量工具之一。与传统的接触式测量手段相比，其 具有如下优势：首先，它是非侵入式测量方法，对 燃烧流场基本没有扰动，测量结果能更好地反映 真实的燃烧过程；其次，测量信息丰富，可获取燃 料雾化、流动速度、燃烧场温度及组分浓度等各种 信息，有利于较全面地了解燃烧过程；第三，它具 有很高的时空分辨力，其时间分辨力可以达到纳 秒甚至飞秒量级，空间分辨力可以达到毫米甚至 微米量级，可为认识和理解发动机湍流与燃烧相 互作用提供信息；第四，能够用于燃烧流场参数的 可视化测量，结合图像处理与图像显示等手段，可 以显现燃烧场的各种变化特性。
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利用激光吸收光谱测量火焰中的碳烟颗粒浓度、温度以及气体浓
度
燃烧过程是化学反应和物理变化耦合的极其复杂的反应系统,对燃烧过程中的温度、气体组分浓度以及碳烟颗粒浓度等多种关键参数实现准确可靠的在线监测,以及对多种参数空间分布的同时测量与重建,对优化燃烧系统设计、提高能量利用效率等有着重要的现实意义。
此外,对燃烧过程中的多种关键参数实现同时在线监测,对理解燃烧过程中的碳烟等污染物的生成机理也有着非常重要的帮助。
在此背景之下,本文开展了火焰中气固两相多种参数同时测量以及燃烧场中多种参数空间分布重建的研究,并且将新型的多参数同时测量方法应用碳烟颗粒生成的相关化学反应机理研究中。
本文首先对研究过程中的分子吸收光谱技术的基本原理及各重要参数进行了详细阐述。
对基于吸收光谱技术的不同测量方法的特点及其适用范围进行了讨论,包括扫描波长直接吸收测量方法、固定波长直接吸收测量方法以及波长调制测量方法等。
此外,还详细介绍了用于固体颗粒测量的Mie散射理论及其近似求解方法Rayleigh散射理论。
其次,研究了对高温环境下多种气体的温度和浓度的同时测量。
选择位于4996 cm-1附近的CO<sub>2</sub>吸收谱线作为本实验研究过程中高温下
CO<sub>2</sub>温度和浓度同时测量的目标谱线对。
对吸收池内不同温度工况（873 K～1273 K）下不同CO<sub>2</sub>浓度（4%～10%）的CO<sub>2</sub>/N2混合气体的温度以及CO<sub>2</sub>浓度的进行了同时在线测量,温度值与设定温度值相比,平均偏差为2.07%,峰值偏差为3.49%;测量得到CO<sub>2</sub>气体浓度值与配比浓度值相比,平均偏差为
2.25%,峰值偏差为4.75%。
同时在实验室对不同燃烧工况下的乙烯/空气预混火
焰中的CO<sub>2</sub>浓度、温度以及H<sub>2</sub>O浓度进行了实验测量,
得到的温度结果与热电偶测量结果十分接近,两者平均偏差为0.6%,峰值偏差为3.9%;测量得到的CO<sub>2</sub>和H<sub>2</sub>O度值与理论计算值吻合良好。
测量结果表明该波长位置处的CO<sub>2</sub>吸收谱线非常适用于高温环
境下浓度和温度的同时测量。
提出了在同时考虑气体吸收作用、碳烟颗粒吸收作用以及火焰自身辐射的情况下,采用单台可调谐半导体激光器同时测量并分离气体吸收系数和碳烟颗粒吸收系数的新方法,并且详细介绍了理论推导和计算过程。
对不同预混气体流速和不同燃烧当量比工况下的乙烯/空气预混平面火焰中不同高度位置处的碳烟颗粒浓度、温度以及H<sub>2</sub>O浓度实现了同时在线监测。
温度测量结果与热电偶测量结果之间平均偏差小于3%,峰值偏差小于5%。
碳烟颗粒浓度测量结果与其他研究学者的测量结果相吻合。
H<sub>2</sub>O 浓度测量的结果与理论计算结果相比,平均偏差为5%,峰值偏差小于10%。
此外,在实验室内搭建了扩散火焰燃烧试验台,利用自行设计并加工制造的
改进型Wolfhard-Parker燃烧器,产生了稳定燃烧的矩形乙烯/空气扩散火焰。
基于本文提出的火焰中气固两相多参数同时在线监测的新方法,采用三台中心工作波长分别位于1398.3 nm、2001.6 nm以及2302 nm处的可调谐半导体激光器,
对扩散火焰中温度、碳烟浓度、H<sub>2</sub>O浓度、CO浓度以及CO<sub>2</sub>浓度进行了同时测量。
分析和讨论了 H<sub>2</sub>O和CO<sub>2</sub>对火焰中碳烟生成的影响。
得出了 H<sub>2</sub>O和CO<sub>2</sub>能够抑制火焰中碳烟的生成,且
抑制作用主要是由于H<sub>2</sub>O和CO<sub>2</sub>的存在导致了火焰中OH 浓度的升高,从而抑制了碳烟气态前驱物PAHs的生成这一重要结论。
实验测量结果和得出的结论与其他研究学者基于化学反应动力学提出的数
值模拟计算结果相吻合,为碳烟生成机理的相关研究提供了实验数据支撑。
最后,将火焰中多参数同时测量技术与层析成像技术相结合,对燃烧环境中火焰的温度、H<sub>2</sub>O浓度以及碳烟颗粒浓度等多种参数的空间分布进行同时重建。
搭建了预混火焰燃烧试验台,提出相关的重建模型,利用单台可调谐半导体
激光器结合光纤分束技术,采用ART算法,对不同燃烧工况、不同高度测量平面内的甲烷/空气预混火焰中的温度和H<sub>2</sub>O浓度的二维分布进行了同时
重建。
此外,搭建了轴对称扩散火焰燃烧试验台,提出了适用于对轴对称扩散火焰的二维重建模型。
在测量过程中,采用本文提出的火焰中气固多参数同时测量方法,结合LSQR
算法,对火焰中的碳烟颗粒浓度、H<sub>2</sub>O浓度以及温度进行了同时重建。