基于TDLAS技術(shù)的氣體參數(shù)測(cè)量研究.pdf

1、在工程領(lǐng)域中，常常需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)某些特定區(qū)域氣體組分的溫度、濃度、流速等特征參數(shù)，以研究其溫度、濃度、流動(dòng)狀態(tài)對(duì)工作過程和性能的影響?？烧{(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)以其高分辨率和非侵入式的優(yōu)勢(shì)成為氣體參數(shù)監(jiān)測(cè)的一個(gè)很好的工具。該技術(shù)包括直接吸收(DA)和波長調(diào)制光譜(WMS)兩種方法。波長調(diào)制光譜以其高靈敏度的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)而成為氣體參數(shù)監(jiān)測(cè)的首選。
　　本文首先介紹了一種基于TDLAS的免標(biāo)定調(diào)制光譜測(cè)量氣體參數(shù)的方法。其利

2、用最小二乘擬合算法通過對(duì)仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的1f歸一化的諧波波形進(jìn)行擬合來得到所需的目標(biāo)氣體的測(cè)量參數(shù)。這種新的分析方法與以往方法相比存在三個(gè)不同點(diǎn):(1)利用波長掃描的波長調(diào)制方法得到的調(diào)制光強(qiáng)MI0來仿真透射光強(qiáng)SIt;(2)利用參數(shù)設(shè)置相同的虛擬數(shù)字鎖相和低通濾波軟件來對(duì)測(cè)量和仿真得到的透射光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行分析，從而得到所需的諧波信號(hào);(3)利用諧波信號(hào)，通過最小二乘擬合算法來對(duì)待測(cè)目標(biāo)氣體的參數(shù)進(jìn)行求解。
　　接著，利用吸收譜

3、線獨(dú)立的H2O的溫度、濃度同時(shí)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。通過頻分復(fù)用的方法，利用光纖耦合器將1397nm和1392nm兩個(gè)激光器發(fā)出的近紅外調(diào)制光耦合在一起，然后，將其通入有效光程長15cm的管式爐中，在常溫、常壓的實(shí)驗(yàn)條件下，利用7168.437 cm-1和7185.6 cm-1兩條譜線對(duì)H2O的溫度和濃度進(jìn)行多參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。進(jìn)而以H2O的吸收譜線中心v0和吸光度A作為自由擬合變量，對(duì)測(cè)量和仿真得到的1f歸一化的二次諧波波形進(jìn)行最

4、小二乘擬合。之后，再利用擬合得到的兩條譜線的吸光度進(jìn)行待測(cè)H2O溫度T的求解。待測(cè)溫度T得到后，利用其中一條譜線的吸光度A對(duì)其濃度進(jìn)行計(jì)算。測(cè)量結(jié)果顯示，1f歸一化的仿真諧波信號(hào)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的諧波信號(hào)的整個(gè)波形都能很好的吻合。而且測(cè)量得到的溫度、濃度的相對(duì)誤差都分別在1.01％和2.27％以內(nèi)。
　　然后，該方法又在吸收譜線交疊嚴(yán)重的NH3濃度的免標(biāo)定測(cè)量實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證。在常溫常壓下，利用6612.7258cm-1附近的吸收譜

5、線對(duì)NH3的濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。將吸收譜線中心v0和待測(cè)NH3的濃度腓為擬合變量，對(duì)測(cè)量和仿真得到的1f歸一化的二次諧波波形（低濃度下需要去背景）進(jìn)行最小二乘擬合。結(jié)果顯示，仿真和測(cè)量到的1f歸一化的二次諧波波形能夠很好的擬合。而且最后測(cè)量得到的濃度相對(duì)誤差在5％以內(nèi)。
　　通過不同測(cè)量條件下的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到如下結(jié)論:該方法實(shí)現(xiàn)起來比較簡(jiǎn)便，使用虛擬數(shù)字鎖相和低通濾波器來從仿真透射光強(qiáng)中提取諧波信號(hào)避免了復(fù)雜的傅里葉分析。這種新的分