快速穩(wěn)定地測(cè)量燃燒場(chǎng)的溫度和燃燒產(chǎn)物濃度對(duì)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率、優(yōu)化燃燒控制策略和減少污染物排放至關(guān)重要。然而，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程和其環(huán)境十分復(fù)雜，傳統(tǒng)的接觸式溫度測(cè)量方法存在響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)量單點(diǎn)、對(duì)燃燒場(chǎng)干擾程度不同等缺點(diǎn)，無(wú)法滿足現(xiàn)有的測(cè)試要求。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的馬欲飛老師研究組針對(duì)此一問(wèn)題，提出一種基于TDLAS技術(shù)的溫度測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)快速、高精度的非接觸式燃燒場(chǎng)溫度檢測(cè)。研究成果《Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy Based Temperature Measurement with a Single Diode Laser Near 1.4 μm》發(fā)表于《Sensors》。

摘要：

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃燒溫度的快速變化和極寬動(dòng)態(tài)范圍對(duì)現(xiàn)有測(cè)試技術(shù)來(lái)說(shuō)是個(gè)重大挑戰(zhàn)。基于可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）的溫度測(cè)量技術(shù)具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。這篇特邀論文中展示了一種基于 TDLAS 技術(shù)的單二極管激光器溫度測(cè)量方法，該方法使用發(fā)射波長(zhǎng)接近 1.4 μm 的連續(xù)波 (CW)、分布反饋 (DFB) 二極管激光器進(jìn)行溫度測(cè)量，可同時(shí)覆蓋位于 7153.749 cm-1 和 7154.354 cm-1 處的兩條水蒸氣 (H2O) 吸收譜線。二極管激光器的輸出波長(zhǎng)根據(jù)時(shí)域中的兩個(gè)吸收峰進(jìn)行校準(zhǔn)。采用這種策略，本文介紹的TDLAS系統(tǒng)具有不受激光波長(zhǎng)偏移影響、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本降低、系統(tǒng)魯棒性提高等優(yōu)點(diǎn)。室溫下，兩條目標(biāo)吸收譜線的強(qiáng)度約為高溫下的千分之一，避免了環(huán)境中H2O造成的測(cè)量誤差。該系統(tǒng)分別在 McKenna 平面火焰燃燒器和超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)模型發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與CARS技術(shù)和理論計(jì)算測(cè)得的結(jié)果相比，該TDLAS系統(tǒng)在使用McKenna平焰燃燒器時(shí)的溫度誤差小于4%。當(dāng)采用超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)模型時(shí)，實(shí)測(cè)結(jié)果表明該TDLAS系統(tǒng)具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)范圍和快速響應(yīng)。本文所提出的TDLAS系統(tǒng)將來(lái)可以在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中使用。

圖一 研究組所采用的TDLAS系統(tǒng)

圖一顯示了研究組所采用的TDLAS系統(tǒng)。系統(tǒng)采用了波長(zhǎng)1397.80 nm 的 CW-DFB 二極管激光器。昕甬智測(cè)為該系統(tǒng)提供了激光驅(qū)動(dòng)器（Healthy Photon DFB-2000），通過(guò)溫度和電流的調(diào)諧控制二極管激光器的輸出波數(shù)，覆蓋實(shí)驗(yàn)中所選用的兩條吸收譜線（7153.749 cm-1 和 7154.354 cm-1）。激光束被準(zhǔn)直并發(fā)送到平面火焰的燃燒區(qū)域（麥肯納標(biāo)準(zhǔn)燃燒器），鍍金反射器將激光束折射回光電探測(cè)器以進(jìn)行兩次吸收。來(lái)自光電探測(cè)器的信號(hào)最終由數(shù)據(jù)采集卡采集并上傳至計(jì)算機(jī)。

該光學(xué)系統(tǒng)獲取了兩條譜線的吸光度，最終利用雙線測(cè)溫原理推導(dǎo)出相應(yīng)的溫度值。實(shí)驗(yàn)中選擇了 McKenna 燃燒器以產(chǎn)生平坦的火焰進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)認(rèn)證的甲烷和空氣分別用作平焰燃燒器的燃料和促進(jìn)劑。激光束經(jīng)過(guò)調(diào)整，使其在穿過(guò)燃燒區(qū)域時(shí)穿過(guò)平面火焰燃燒器的中心，以確保有足夠的吸收路徑。

研究組首先使用了這個(gè)TDLAS系統(tǒng)，測(cè)量不同當(dāng)量比和不同火焰高度的平焰燃燒器溫度。與CARS技術(shù)和理論計(jì)算所得結(jié)果相比，溫度測(cè)量誤差小于4%，溫度變化趨勢(shì)一致。

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

為進(jìn)一步證實(shí)系統(tǒng)性能，研究組并將該TDLAS系統(tǒng)用于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)模型發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度測(cè)試，并展現(xiàn)出良好的動(dòng)態(tài)范圍和快速響應(yīng)。

圖三 超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)模型發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰的動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量

未來(lái)，該報(bào)告的 TDLAS 系統(tǒng)可應(yīng)用于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)和其他燃燒器中復(fù)雜流場(chǎng)的多參數(shù)測(cè)試。

參考文獻(xiàn)：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.