燃烧理论与基础 12第十二章 燃烧诊断技术

三、红外辐射及颜色定量测量技术


热辐射是物体因本身的温度而以电磁波形式 向外发射能量的物理现象。 辐射测温仪按工作原理可分为“亮度测温仪 ”和“辐射比测温仪”两大类。辐射比测温 仪可分为双色和多色测温仪。

火焰辐射频谱分析方法也属于红外辐射测 温范围。火焰频谱分析试验装置由光探头 、光电转换器、放大滤波电路、A/D转换和 计算机组成。其中光电转换（光电管）和 放大滤波电路均安装在光探头内。在滤波 电路中滤除了信号的高频噪声。火焰信号 频谱估计采用通用的周期图窗函数快速 FFT法。
第三节 数字图像处理方法

数字图像测量火焰温度主要的依据是热辐 射理论和三色法测量温度理论，包括普朗 克黑体辐射定律、维恩公式、斯蒂芬-波尔 兹曼定律和三色法测温公式等，利用BP神 经网络算法、最小二乘法和改进输入的神 经网络算法进行运算。该技术属于光学测 温技术范畴。

基于数字图像处理技术的温度测量系统主 要有火焰图像获取系统和图像采集处理系 统两部分组成。其中图像获取系统包括彩 色CCD摄像机；图像采集处理系统主要是 由一台包括图像采集卡和专用图像测温软 件的多媒体计算机构成。

从激光器发出的相干单色光用分光板分为 两束，一束光经扩束后用来照明被摄物体 ，此称物体光（O光）；另一束光经扩束直 接照射到高分辨率的全息底片上，此称参 考光（R光）。当来自物体的散射光即物体 光在全息底片上与参考光相遇就进行位相 比较，其结果是产生干涉条纹。干涉条纹 经曝光记录在底片上，这就完整的记录了 被摄物体形状和位相，存储了物体景物的 三维信息系。通过干涉条纹确定温度。

实时全息干涉法：首先记录一张位相物体 未变化时物光波标准波面的全息图。经显 影、定影处理后，将该全息图准确复位于 光路中的原来位置。然后，用位相物体变 化后的被测试物光与参考光同时照射全息 图，使直接透过全息图的测试物光波与全 息图所再现的原始物光波相互干涉，从而 获得实时全息干涉图。依据该干涉图上条 纹的变化情况确定被测物理量。


荧光测温技术具有测温范围宽、测量精度 高、重复性好等特点。 必须解决材料和耦合问题。 采用LIF技术是获取被激激光照射的粒子的 诱发荧光，对实验条件要求较高，实验系 统较复杂。
2、自发（线性）拉曼散射法（SRS）


拉曼散射被证明有可能是唯一一种可以同 时测量燃烧系统气体种类（N2、O2、CO2 、H2O、CO、H2、CH4）和温度的光学诊 断技术。 激光拉曼散射诊断技术的一个重要特点是 具有很高的空间和时间分辨率。因此，自 发拉曼散射技术目前已广泛用于“清洁” 火焰的燃烧研究中。
3、相干反斯托克斯拉曼散射光谱法（ CARS）

CARS法测量原理为：当两束频率为ωp和ωs的高能 激光束（泵浦Pump和斯托克斯Stokes激光束）聚焦 在一点，入射到被测介质中时，通过分子中的非线 性过程互相作用产生第3束类似于CARS光束的偏振 光，其频率为ωR。如果ωR=2ωp-ωs正好是分子的某 一共振谱线，且满足非线性光学中的相位匹配条件 ，那么ωR频率的光会极大地增强。用这一信号就可 以对燃烧组分成分进行鉴别。最后，通过对检测光 谱与已知其温度的理论光谱的比较，就可以得到燃 烧温度。通过与配置的标准浓度的光谱的比较，可 得气体组分的浓度。要执行这些反复迭代的最小二 乘法计算程序，还需要具备相当的计算能力，这就 是CARS法。

双曝光全息干涉法：将来自激光器的光束 分成两路光束，他们分别进行扩束和准直 后重新汇聚在全息干板上。其中一束穿过 被测物场，为物光束；另一束为参考光束 。参考光束与物光束相干，在全息干板上 记录下物光全息信息。全息干板经两次曝 光，每一次曝光记录一个物光波。第一次 曝光时物场是均匀的，即没有待测物场； 第二次曝光时物光穿过待测物场。
1、激光诱导荧光法（LIF）

LIF通过高能量的脉冲激光器激发标志分子 的荧光，应用强度开启CCD相机，通过适 当选择标志分子，可以获得流体定量参数 的二维图形。根据图形得到有关标志分子 浓度的定性测量和随时间变化的扰动，来 研究燃烧过程。

在实际测量时，LIF图像所能感受的燃烧参 数包括温度、组分浓度、速度、压力和密 度。一旦获得这种2D场测量参数，即可计 算其它量。

火焰颜色，由可见光波长段的火焰发光所 决定。碳氢化合物火焰的发光光谱，由燃 烧中间产物如CH、C2中间基的非连续光谱 、CO分子与O原子再结合反应所产生的连 续光谱、作为固体的炭黑粒子所发射的连 续光谱等组成。

对火焰颜色的定量计量，可采用CIE（国际 照明委员会）定义的XYZ表色系统的表色 方法。
第二节 声学方法
一、声波法测温原理

声波传播时间和传播路径上的气体温度（ 假设为均匀温度分布）的关系式为：
L 1 20 .05 T
二、声波温度测量在燃烧诊断中的应用

二维声波温度监测在燃烧重油的试验炉上 进行应用，检测信号经过CT重建，得到的 温度测量结果与抽气热电偶测量结果进行 对比，误差在10%以内。声波传播路径及 试验结果如图12-13所示。
燃烧理论与技术
第十二章 燃烧诊断技术
第一节 光学方法

激光测量技术、全息干涉测量技术、红外 辐射及颜色定量测量技术和基于CCD的三 基色测量技术。 激光的特点 激光测量技术可分为三种方法：激光诱导 荧光法（LIF）、自发拉曼散射法（SRS） 和相干反斯托克斯光谱法（CARS）。
一、激光测量技术

二、全息干涉测量技术


全息术的原理是“干涉记录、衍射重现”，其 最成功、最广泛的应用之一是在干涉计量方面 。 按记录方式不同，可分为双曝光全息干涉法、 实时全息干涉法、时间平均全息干涉法（连续 曝光法）、双波长全息干涉法、多次曝光全息 干涉法、波前错位全息干涉法及多通道全息干 涉法等。最为常用的是双曝光法和实时法。

与自发拉曼散射不同，同一时间CARS通常 只能测量一种组分（除了N2、CO、CO2与 O2以外）。为了克服此局限性，同时测量 多组分，可用多色CARS技术。这时CARS 信号位于反斯托克斯区，要产生波混合的 各种组合，每一种需要单独的相位匹配。

在激光技术中，CARS是唯一可用于实际含 尘燃烧系统中的燃烧温度与组分浓度分布 非接触式激光诊断技术。