快速穩定地測量燃燒場的溫度和燃燒產物濃度對于提高發動機燃燒效率、優化燃燒控制策略和減少污染物排放至關重要。然而，發動機燃燒過程和其環境十分復雜，傳統的接觸式溫度測量方法存在響應時間長、測量單點、對燃燒場干擾程度不同等缺點，無法滿足現有的測試要求。哈爾濱工業大學的馬欲飛老師研究組針對此一問題，提出一種基于TDLAS技術的溫度測量方法，實現快速、高精度的非接觸式燃燒場溫度檢測。研究成果《Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy Based Temperature Measurement with a Single Diode Laser Near 1.4 μm》發表于《Sensors》。

摘要：

超燃沖壓發動機中，燃燒溫度的快速變化和極寬動態范圍對現有測試技術來說是個重大挑戰。基于可調諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）的溫度測量技術具有靈敏度高、響應速度快、結構緊湊等優點。這篇特邀論文中展示了一種基于 TDLAS 技術的單二極管激光器溫度測量方法，該方法使用發射波長接近 1.4 μm 的連續波 (CW)、分布反饋 (DFB) 二極管激光器進行溫度測量，可同時覆蓋位于 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根據時域中的兩個吸收峰進行校準。采用這種策略，本文介紹的TDLAS系統具有不受激光波長偏移影響、系統結構簡單、成本降低、系統魯棒性提高等優點。室溫下，兩條目標吸收譜線的強度約為高溫下的千分之一，避免了環境中H2O造成的測量誤差。該系統分別在 McKenna 平面火焰燃燒器和超燃沖壓發動機模型發動機上進行了測試。結果發現，與CARS技術和理論計算測得的結果相比，該TDLAS系統在使用McKenna平焰燃燒器時的溫度誤差小于4%。當采用超燃沖壓發動機模型時，實測結果表明該TDLAS系統具有優異的動態范圍和快速響應。本文所提出的TDLAS系統將來可以在實際發動機中使用。

圖一 研究組所采用的TDLAS系統

圖一顯示了研究組所采用的TDLAS系統。系統采用了波長1397.80 nm 的 CW-DFB 二極管激光器。昕甬智測為該系統提供了激光驅動器（Healthy Photon DFB-2000），通過溫度和電流的調諧控制二極管激光器的輸出波數，覆蓋實驗中所選用的兩條吸收譜線（7153.749 cm-1 和 7154.354 cm-1）。激光束被準直并發送到平面火焰的燃燒區域（麥肯納標準燃燒器），鍍金反射器將激光束折射回光電探測器以進行兩次吸收。來自光電探測器的信號最終由數據采集卡采集并上傳至計算機。

該光學系統獲取了兩條譜線的吸光度，最終利用雙線測溫原理推導出相應的溫度值。實驗中選擇了 McKenna 燃燒器以產生平坦的火焰進行測試。經認證的甲烷和空氣分別用作平焰燃燒器的燃料和促進劑。激光束經過調整，使其在穿過燃燒區域時穿過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TDLAS系統，測量不同當量比和不同火焰高度的平焰燃燒器溫度。與CARS技術和理論計算所得結果相比，溫度測量誤差小于4%，溫度變化趨勢一致。

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

為進一步證實系統性能，研究組并將該TDLAS系統用于超燃沖壓發動機模型發動機的溫度測試，并展現出良好的動態范圍和快速響應。

圖三 超燃沖壓發動機模型發動機尾焰的動態溫度測量

未來，該報告的 TDLAS 系統可應用于超燃沖壓發動機、航空發動機和其他燃燒器中復雜流場的多參數測試。

參考文獻：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.