PDF《基于波长调制技术的温度实时测量方法研究》

300 K~900 K are consistent, and the measurement error is within ±20 K. Key words spectroscopy;

temperature measurement;

wavelength modulation absorption spectroscopy;

time- share sawtooth wave;

second harmonic signal OCIS codes 300.6260;

200.4560;

280.4788 收稿日期: 2014-08-18;

收到修改稿日期: 2014-09-25 基金项目: 国家自然科学基金(11204320)、 国家科技支撑计划 (2014BAC17B03)、 中国科学院科研装备研制项目(YZ201315) 作者简介: 孙鹏帅 (1988―) , 男, 硕士研究生, 主要从事气体检测与燃烧诊断等方面的研究.E-mail: [email protected] 导师简介: 董凤忠 (1966―) , 男, 博士, 研究员, 主要从事新型光纤传感器以及有毒有害气体的快速在线监测等方面的研 究.E-mail: [email protected] (通信联系人) 本文电子版彩色效果请详见中国光学期刊网 www.opticsjournal.net

1 光学学报0230001-

1 引言目前, 煤、 石油和天然气在我国能源结构中占主要地位, 这类化石类燃料中通常含有大量的硫和碳元 素, 在燃烧利用时会产生对环境有严重污染的 SO

2、 CO、 CO

2、 NOx 等气体.为提高燃烧效率, 减少污染物排 放, 需要能过燃烧参数的实时检测来进行燃烧过程的优化控制[1-2] .因此, 燃烧场的温度、 气体组分的浓度同 时在线测量近年来已成为一个研究热点. 可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS), 是利用分布反馈式(DFB)激光器波长的可调谐特性, 通过电流 控制输出波长, 获得被测气体的特征吸收谱, 以其灵敏度高、 选择性强、 非接触等优点广泛应用于低浓度气 体检测、 汽车尾气检测以及工业污染源排放在线检测等领域[3-6] .该技术可以同时实现气体温度、 浓度的在 线测量, 并且系统具有较好的环境适应性、 抗干扰能力和快速检测能力, 近几年来已发展成为燃烧参数诊断 的主要技术之一[7-8] .TDLAS 技术包括直接吸收光谱和波长调制吸收光谱, 直接吸收光谱技术具有装置简 便, 易于操作, 能够直接反演出吸收信号等优点, 是最常用的温度测量方法之一[9-10] .但是直接吸收光谱技术 在数据处理过程中需要对基线和吸收线型进行拟合, 这样就会引入较大的误差.特别是在吸收强度较弱或 目标气体浓度较低的情况下, 拟合误差会更大.而波长调制吸收光谱技术不需要对基线进行拟合, 测量极 限比直接吸收光谱技术高上百倍, 可有效提高信号的信噪比[11] . 本文以波长调制吸收光谱技术为基本原理, 对其温度反演公式进行了较为详细的理论分析和推导.由于 实验所用的窄线宽可调谐 DFB 激光器调谐范围最大为