TDLAS高温气体测量系统的谱线选择及实验研究

摘要

燃烧是世界上使用最广泛的能量转换技术。对燃烧过程中重要燃烧参数的测量和监测，对于理解燃烧过程、改进燃烧效率以及减少大气污染物的排放有着至关重要的意义。随着近年来光学非接触式气体检测技术的迅速发展，基于可调谐半导体激光器的吸收光谱气体测量技术（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS），因其高灵敏性、高精度的光谱分辨率、快速响应性、非接触性以及多参数同时检测等优势，成为了当前气体实时在线检测的代表性技术之一，为对燃烧中关键参数如气体温度、浓度等重要参数的现场实时测量提供了有效的方法和途径。本文研究的主要目的是利用可调谐半导体激光吸收光谱技术，对适用的H2O吸收谱线进行筛选，对所选谱线温度特性进行实验研究，为最终实现对锅炉燃烧温度的实时测量提供参考。
　　本文首先简要概述了课题研究的背景、意义和主要技术的发展现状。然后对TDLAS技术的基本原理作了阐述，包括气体分子吸收光谱学基本理论、比尔-朗伯定律、TDLAS技术的主要实现方式以及两线法温度测量的基本原理。在进行TDLAS测量之前最重要的一步便是选出最优谱线对，为此利用MATLAB软件强大的GUI功能，开发了一款用于TDLAS谱线选择的工具软件，该软件可实现快速读取HITRAN光谱数据库、有效计算光谱各参数并绘图，用于最优谱线对选择。对选线经验准则的研究，有助于帮助更好的理解并制定满足应用要求的选线标准。通过选线软件的仿真计算以及相应的选线准则，选取了在近红外1547nm附近的两条H2O吸收谱线1547.68nm和1547.84nm作为目标吸收谱线进行气体温度特性实验测量。在已有的TDLAS实验系统平台的基础上，先对所使用的DFB激光器的调谐特性进行了实验研究，在充分了解激光器特性的基础上，对所选谱线的调制深度进行了理论和实验研究，为二倍频法的使用奠定基础。利用直接吸收法和二倍频法进行了TDLAS气体谱线温度特性测量的初步实验，包括实验方法、实验数据处理、实验结果分析等，最后根据实验结果，分析了实验系统可能存在的问题和原因，提出了一系列优化改进实验系统的方案和建议，为后续进一步研究奠定基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的目的和意义

1．2 TDLAS技术特点和研究现状

1．3 论文主要研究内容及章节安排

第二章 可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)基本原理

2．1 气体分子吸收光谱理论

2．1．1 吸收光谱来源

2．1．2 比尔-朗伯定律

2．1．3 光谱谱线线型以及线型函数

2．2 直接吸收光谱技术

2．2．1 扫描波长直接吸收光谱技术

2．2．2 固定波长直接吸收光谱技术

2．3 调制光谱技术

2．3．1 波长调制光谱技术

2．3．2 频率调制光谱技术

2．4 两线法测温原理

2．4．1 扫描波长直接吸收光谱技术中的两线法

2．4．2 波长调制光谱技术中的两线法

2．5 本章小结

第三章 TDLAS选线工具软件的开发及其应用

3．1 HITRAN以及HITEMP

3．2 开发背景以及开发平台

3．2．1 开发背景

3．2．2 开发平台

3．3 主要功能模块介绍

3．3．1 软件系统整体框图

3．3．2 主要模块功能

3．3．3 子模块功能

3．4 实例分析

3．5 本章小结

第四章 谱线对选择

4．1 选线经验准则研究

4．1．1 一般选线准则

4．1．2 高压环境下选线准则

4．1．3 高温环境下选线准则

4．2 近红外1562nm～1587nm范围内CO2温度测量谱线对选择

4．3 近红外1547．72nm附近H2O温度测量谱线对选择

4．4 本章小结

第五章 TDLAS温度测量系统特性的实验研究

5．1 TDLAS实验系统架构

5．2 可调谐半导体DFB激光器的特性测试

5．2．1 可调谐半导体DFB激光器工作原理

5．2．2 静态调谐特性测试

5．2．3 动态调谐特性测试

5．3 调制深度研究

5．4 利用直接吸收法进行初步实验测量及结果分析

5．4．1 实验测量

5．4．2 实验数据处理

5．4．3 气体谱线温度特性测量结果分析

5．5 利用波长调制法进行初步实验测量及结果分析

5．5．1 实验测量

5．5．2 实验数据处理

5．5．3 气体谱线温度特性测量结果分析

5．6 实验系统优化研究

5．6．1 噪声分析

5．6．2 实验系统优化方案

5．7 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间的科研成果