哈工大客户案例：使用接近1.4μm的单二极管激光器进行温度测量

快速稳定地测量燃烧场的温度和燃烧产物浓度对于提高发动机燃烧效率、优化燃烧控制策略和减少污染物排放至关重要。然而，发动机燃烧过程和其环境十分复杂，传统的接触式温度测量方法存在响应时间长、测量单点、对燃烧场干扰程度不同等缺点，无法满足现有的测试要求。哈尔滨工业大学的马欲飞老师研究组针对此一问题，提出一种基于TDLAS技术的温度测量方法，实现快速、高精度的非接触式燃烧场温度检测。研究成果《Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy Based Temperature Measurement with a Single Diode Laser Near 1.4 μm》发表于《Sensors》。

摘要：

超燃冲压发动机中，燃烧温度的快速变化和极宽动态范围对现有测试技术来说是个重大挑战。基于可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）的温度测量技术具有灵敏度高、响应速度快、结构紧凑等优点。这篇特邀论文中展示了一种基于 TDLAS 技术的单二极管激光器温度测量方法，该方法使用发射波长接近 1.4 μm 的连续波 (CW)、分布反馈 (DFB) 二极管激光器进行温度测量，可同时覆盖位于 7153.749 cm-1 和 7154.354 cm-1 处的两条水蒸气 (H2O) 吸收谱线。二极管激光器的输出波长根据时域中的两个吸收峰进行校准。采用这种策略，本文介绍的TDLAS系统具有不受激光波长偏移影响、系统结构简单、成本降低、系统鲁棒性提高等优点。室温下，两条目标吸收谱线的强度约为高温下的千分之一，避免了环境中H2O造成的测量误差。该系统分别在 McKenna 平面火焰燃烧器和超燃冲压发动机模型发动机上进行了测试。结果发现，与CARS技术和理论计算测得的结果相比，该TDLAS系统在使用McKenna平焰燃烧器时的温度误差小于4%。当采用超燃冲压发动机模型时，实测结果表明该TDLAS系统具有优异的动态范围和快速响应。本文所提出的TDLAS系统将来可以在实际发动机中使用。

图一 研究组所采用的TDLAS系统

图一显示了研究组所采用的TDLAS系统。系统采用了波长1397.80 nm 的 CW-DFB 二极管激光器。昕甬智测为该系统提供了激光驱动器（Healthy Photon DFB-2000），通过温度和电流的调谐控制二极管激光器的输出波数，覆盖实验中所选用的两条吸收谱线（7153.749 cm-1 和 7154.354 cm-1）。激光束被准直并发送到平面火焰的燃烧区域（麦肯纳标准燃烧器），镀金反射器将激光束折射回光电探测器以进行两次吸收。来自光电探测器的信号最终由数据采集卡采集并上传至计算机。

该光学系统获取了两条谱线的吸光度，最终利用双线测温原理推导出相应的温度值。实验中选择了 McKenna 燃烧器以产生平坦的火焰进行测试。经认证的甲烷和空气分别用作平焰燃烧器的燃料和促进剂。激光束经过调整，使其在穿过燃烧区域时穿过平面火焰燃烧器的中心，以确保有足够的吸收路径。

研究组首先使用了这个TDLAS系统，测量不同当量比和不同火焰高度的平焰燃烧器温度。与CARS技术和理论计算所得结果相比，温度测量误差小于4%，温度变化趋势一致。

图二 使用不同方法比较 McKenna 平焰燃烧器的温度：(a) φ 为 1.0 时不同高度的火焰温度；(b) 在 15 mm 高度处不同 φ 的火焰温度

为进一步证实系统性能，研究组并将该TDLAS系统用于超燃冲压发动机模型发动机的温度测试，并展现出良好的动态范围和快速响应。

图三 超燃冲压发动机模型发动机尾焰的动态温度测量

未来，该报告的 TDLAS 系统可应用于超燃冲压发动机、航空发动机和其他燃烧器中复杂流场的多参数测试。

参考文献：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.