哈工大客戶案例：使用接近1.4μm的單二極管激光器進行溫度測量

快速穩定地測量燃燒場的溫度和燃燒產(chan) 物濃度對於(yu) 提高發動機燃燒效率、優(you) 化燃燒控製策略和減少汙染物排放至關(guan) 重要。然而，發動機燃燒過程和其環境十分複雜，傳(chuan) 統的接觸式溫度測量方法存在響應時間長、測量單點、對燃燒場幹擾程度不同等缺點，無法滿足現有的測試要求。哈爾濱工業(ye) 大學的馬欲飛老師研究組針對此一問題，提出一種基於(yu) TDLAS技術的溫度測量方法，實現快速、高精度的非接觸式燃燒場溫度檢測。研究成果《Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy Based Temperature Measurement with a Single Diode Laser Near 1.4 μm》發表於(yu) 《Sensors》。

摘要：

超燃衝(chong) 壓發動機中，燃燒溫度的快速變化和極寬動態範圍對現有測試技術來說是個(ge) 重大挑戰。基於(yu) 可調諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）的溫度測量技術具有靈敏度高、響應速度快、結構緊湊等優(you) 點。這篇特邀論文中展示了一種基於(yu) TDLAS 技術的單二極管激光器溫度測量方法，該方法使用發射波長接近 1.4 μm 的連續波 (CW)、分布反饋 (DFB) 二極管激光器進行溫度測量，可同時覆蓋位於(yu) 7153.749 cm-1 和 7154.354 cm-1 處的兩(liang) 條水蒸氣 (H2O) 吸收譜線。二極管激光器的輸出波長根據時域中的兩(liang) 個(ge) 吸收峰進行校準。采用這種策略，本文介紹的TDLAS係統具有不受激光波長偏移影響、係統結構簡單、成本降低、係統魯棒性提高等優(you) 點。室溫下，兩(liang) 條目標吸收譜線的強度約為(wei) 高溫下的千分之一，避免了環境中H2O造成的測量誤差。該係統分別在 McKenna 平麵火焰燃燒器和超燃衝(chong) 壓發動機模型發動機上進行了測試。結果發現，與(yu) CARS技術和理論計算測得的結果相比，該TDLAS係統在使用McKenna平焰燃燒器時的溫度誤差小於(yu) 4%。當采用超燃衝(chong) 壓發動機模型時，實測結果表明該TDLAS係統具有優(you) 異的動態範圍和快速響應。本文所提出的TDLAS係統將來可以在實際發動機中使用。

圖一 研究組所采用的TDLAS係統

圖一顯示了研究組所采用的TDLAS係統。係統采用了波長1397.80 nm 的 CW-DFB 二極管激光器。昕甬智測為(wei) 該係統提供了激光驅動器（Healthy Photon DFB-2000），通過溫度和電流的調諧控製二極管激光器的輸出波數，覆蓋實驗中所選用的兩(liang) 條吸收譜線（7153.749 cm-1 和 7154.354 cm-1）。激光束被準直並發送到平麵火焰的燃燒區域（麥肯納標準燃燒器），鍍金反射器將激光束折射回光電探測器以進行兩(liang) 次吸收。來自光電探測器的信號最終由數據采集卡采集並上傳(chuan) 至計算機。

該光學係統獲取了兩(liang) 條譜線的吸光度，最終利用雙線測溫原理推導出相應的溫度值。實驗中選擇了 McKenna 燃燒器以產(chan) 生平坦的火焰進行測試。經認證的甲烷和空氣分別用作平焰燃燒器的燃料和促進劑。激光束經過調整，使其在穿過燃燒區域時穿過平麵火焰燃燒器的中心，以確保有足夠的吸收路徑。

研究組首先使用了這個(ge) TDLAS係統，測量不同當量比和不同火焰高度的平焰燃燒器溫度。與(yu) CARS技術和理論計算所得結果相比，溫度測量誤差小於(yu) 4%，溫度變化趨勢一致。

圖二 使用不同方法比較 McKenna 平焰燃燒器的溫度：(a) φ 為(wei) 1.0 時不同高度的火焰溫度；(b) 在 15 mm 高度處不同 φ 的火焰溫度

為(wei) 進一步證實係統性能，研究組並將該TDLAS係統用於(yu) 超燃衝(chong) 壓發動機模型發動機的溫度測試，並展現出良好的動態範圍和快速響應。

圖三 超燃衝(chong) 壓發動機模型發動機尾焰的動態溫度測量

未來，該報告的 TDLAS 係統可應用於(yu) 超燃衝(chong) 壓發動機、航空發動機和其他燃燒器中複雜流場的多參數測試。

參考文獻：Liu, X.; Ma, Y. Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy Based Temperature Measurement with a Single Diode Laser Near 1.4 μm. Sensors 2022, 22, 6095.