基于可调谐二极管激光吸收光谱的高温高压气体诊断方法研究

本项目主要研究高温高压环境下基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的气体诊断方法。在对高温高压下2.0 μm波段的部分CO2谱线参数及可用于谱线拟合的线型进行实验测量及理论计算分析的基础上，采用中心波长位于2.0 μm附近的可调谐二极管激光器作为光源，结合固定波长的吸收光谱调制技术，基于通过一对CO2谱线的谐波信号所实现的对高温高压环境中温度以及CO2浓度测量的相关研究，建立一种可用于高温高压环境下的温度及组份浓度的测量方法，从而可实现对内燃机气缸等设备的工作过程中燃料利用效率以及CO2气体排放的诊断。同时所进行的相关高温高压谱线参数和线型的研究，可对HITRAN 数据库中2.0 μm波段的部分CO2谱线参数进行补充和矫正，并可为高温高压环境下分子谱线的拟合及模拟寻找合适的线型。

在目前常用的燃烧系统中，很多燃烧过程都是在高压环境下进行，过程中一些重要中间产物及参数的信息对于认识燃烧现象的本质，进而发现燃烧中的新现象、提出燃烧新概念必不可少，同时也是设计新型燃烧室的前提。本项目的目标是发展一种适用于高温高压燃烧环境的气体诊断方法，该方法通过二极管激光吸收光谱对CO2位于2.0 µm的谱线进行探测，从而实现对高温高压燃烧气体中温度及CO2浓度的同时测量。. 项目组经过三年的努力，完成了本项目的主要研究任务和内容。围绕项目的任务和内容，开展了如下几个部分的工作：. （1）设计加工了能够在高温高压环境下工作的样品池，该样品池最高能够承受15 atm的压力及1500 K的温度，并在此基础上搭建了可用于高温高压环境的可调谐二极管激光吸收光谱测量系统；. （2）在搭建的光谱系统中测量了500-1200 K范围内2.0 µm波段附近部分CO2谱线的光谱参数，同时通过理论计算对更大温度范围（1200-6000 K）内的相关参数进行了计算，并把以上结果与HITRAN数据库中的数据进行了比较；另外还通过所测得的高温高压下的光谱信号，分析了非洛伦兹效应对光谱信号拟合及模拟的影响，讨论了适用于高温高压环境下气体分子吸收光谱拟合及模拟的线型；. （3）通过制定选择标准，筛选出了一对可用于本研究的CO2谱线对，采用准固定波长的调制光谱技术，利用该对谱线的一次谐波归一化的二次谐波信号峰值，结合所构建的温度及浓度反演模型，建立了可用于高温高压环境下的温度及组份浓度的测量方法，并分别在温度及压力可控的静态样品池及激波管等变化的高温高压环境中验证了该测量方法的准确性；. （4）使用近红外DFB型二极管激光器作为光源，采用吸收谱线位于测量路径和参考路径上的直接吸收光谱之间的差分吸收信号作为分析对象，建立了一种可在不需要对测量路径进行氮气吹扫及系统定标的前提下即可实现对容器中压力进行测量的方法。. 上述测量方法将为深入研究高温高压燃烧过程提供有力的测量手段。. 在项目研究过程中，已发表期刊论文9篇（含2篇已录用论文）。培养硕士研究生1名，另外协助培养硕士研究生2名。