基於調製光譜實現非均勻燃燒場氣體參數定量測量的方法與流程
2023-07-13 10:27:31
本發明屬於光譜測量技術領域，是針對非均勻燃燒場氣體參數定量測量開發的一種方法。
背景技術：
針對燃燒場開始研究時，大部分的燃燒場都是非均勻的，非均勻流場中氣體參數的定量測量對於分析燃燒效率以及研究燃燒過程具有十分重要的意義。熱電偶、壓力傳感器等常用的測量手段具有明顯的局限性，如侵入式測量幹擾流場、容易產生激波、測量精度有限等。本發明涉及的波長調製光譜(wavelengthmodulationspectroscopy,wms)技術屬於光譜測量技術，能夠在不幹擾流場的情況下實現流場內氣體參數的快速測量，在燃燒場診斷等領域具有廣闊的應用前景。
wms技術是利用吸收光譜信號實現氣體參數的測量，在瞬態、強震動等惡劣環境中優勢十分明顯。利用wms實現均勻燃燒場內氣體參數的定量測量問題已經得到解決，但由於吸收光譜的光線積分效應，如何實現非均勻燃燒場內氣體參數的定量測量成為了一個難題。
下述的文獻也涉及到了燃燒場氣體參數測量實現方法的相關內容。
1、美國史丹福大學l.s.chang,c.l.strand等人(「supersonicmass-fluxmeasurementsviatunablediodelaserabsorptionandnonuniformflowmodeling」，aiaajournal,vol.49,no.12,2011,pp.2783-2791.),發現了採用波長調製光譜測量時，邊界層對測量結果影響很大，選擇對邊界層不敏感的譜線對，能夠有效減少邊界層的影響。
2、美國史丹福大學liux，j.b.jeffries等人(「measurementofnon-uniformtemperaturedistributionsusingline-of-sightabsorptionspectroscopy」，aiaajournal,vol.45,no.2,2007,pp.411-419.),提出了採用多波長方法實現非均勻燃燒場氣體參數的測量，研究了吸收譜線數目和溫度區間長度對測量結果的影響。然而多波長方法的缺點十分明顯，多波長方法主要有形狀擬合法和溫度分區法，形狀擬合法需要根據經驗預先給出流場內溫度和組分濃度的分布形狀，在實際中的應用十分有限而溫度分區法只能獲得溫度和組分濃度沿光路的概率密度函數，無法獲得在光路上的具體分布。
3、英國劍橋大學的caiw和c.f.kaminski等人(「multiplexedabsorptiontomographywithcalibration-freewavelengthmodulationspectroscopy」，appliedphysicsletters,no.104,2014,pp.154106.),提出了基于波長調製光譜方法實現非均勻流場區域的二維重建研究。該方法將吸收光譜技術與圖像重建技術相結合，能夠實現氣體的溫度和組分濃度的二維分布測量。這種方法需要大量的探測和接收裝置，才能保證重建結果質量，對測量系統的硬體設備要求較高。另外該方法以基於搜索的重建算法為核心，通過大量的數值仿真過程，才能獲得較好的重建結果，具有空間解析度低、計算周期長等顯著缺點。
4、清華大學車璐等人(「calibration-freewavelengthmodulationforgassensingintunablediodelaserabsorptionspectroscopy」，appliedphysicalb,no.117,2014,pp.1211–1219.)提出了基於免標定波長調製光譜方法的氣體參數測量。分析了流場中氣體壓強和吸收分子組分濃度的定量測量過程。然而該方法只適用於均勻流場中，無法定量測量非均勻流場中氣體參數。
本發明實現了非均勻燃燒場中氣體參數的定量測量，突破了理論和技術上的難題，形成了一套切實可行的方法。
技術實現要素：
本發明的目的是解決非均勻燃燒場中氣體參數的定量測量問題，提出了一種基於調製光譜實現非均勻燃燒場氣體參數定量測量的方法。從理論上分析了實現非均勻流場氣體參數定量測量存在的問題及解決的方法並通過數值仿真驗證了該方法的可能性。基於該方法能夠實現非均勻燃燒場中氣體參數的非侵入式定量測量，對於研究燃燒過程、提高燃燒效率以及減少汙染物排放等意義重大。尤其在發動機流場診斷領域，利用該技術能夠實現發動機內部流場的溫度等參數的定量測量，為發動機的故障診斷提供可靠的依據。
本發明提供了一種基於調製光譜實現非均勻燃燒場氣體參數定量測量的方法，包括：
步驟一、波長調製光譜測量步驟；
步驟二、波長調製光譜擬合步驟；
步驟三、非均勻流場中氣體參數計算步驟；
其特徵在於：
步驟一的波長調製光譜測量步驟包括：(1)預估非均勻流場中氣體溫度的變化範圍，選擇具有合適低躍遷態能級的兩條譜線，使得所選譜線的線強度在該溫度範圍內具有隨溫度近似線性變化的特性；(2)通過實驗測量所選譜線穿過非均勻流場後的透射光強信號隨時間的變化；(3)創建數值鎖相放大器，解調實驗測得的透射光強信號，得到兩條譜線的諧波信號；
步驟二的波長調製光譜擬合步驟包括：(1)計算非均勻流場中吸收譜線的積分吸光度a，高斯線寬δvd和洛倫茲線寬δvc的變化範圍；(2)以積分吸光度a，高斯線寬δvd和洛倫茲線寬δvc為自變量，仿真所選譜線的透射光強信號隨時間的變化；(3)創建數值鎖相放大器，解調仿真的透射光強信號，得到仿真的諧波信號；(4)基於最小二乘方法擬合實驗測得的諧波信號，獲得兩條譜線穿過非均勻流場後的積分吸光度a，高斯線寬δvd和洛倫茲線寬δvc；
步驟三的非均勻流場中氣體參數計算步驟包括：(1)利用線性函數擬合氣體溫度變化範圍內所選譜線的線強度隨溫度的變化；(2)利用兩條譜線的積分吸光度a計算非均勻流場內的氣體溫度和吸收分子的分壓。
本發明基於調製光譜方法，在簡化數據處理的同時實現了非均勻燃燒場氣體參數的定量測量，優點如下：
(1)解決了非均勻燃燒場氣體參數定量測量問題；選擇在溫度變化範圍內具有近似線性變化特性的線強度的吸收譜線開展測量，簡化了譜線的線強度隨溫度的變化趨勢，結合實驗和仿真的諧波信號，通過光譜擬合法實現了氣體參數的定量測量。
(2)開發了基於最小二乘方法實現諧波信號擬合的方法；以積分吸光度a，高斯線寬δvd和洛倫茲線寬δvc為自變量，實現了基於最小二乘方法實現諧波信號擬合的方法。
附圖說明
圖1為本發明的基於調製光譜實現非均勻燃燒場氣體參數定量測量的流程圖；
圖2為本發明的實驗測得的透射光強信號隨時間的變化；
圖3為本發明的基於最小二乘方法的擬合諧波信號流程圖；
圖4為本發明的仿真和實驗測得的諧波信號對比圖；
圖5為本發明的所選譜線的線強度隨溫度線性變化的示意圖；
具體實施方案
結合附圖和實施案例對本發明的基於調製光譜實現非均勻燃燒場氣體參數定量測量的實現方法作進一步詳細描述。圖1給出了本發明的基於調製光譜實現非均勻燃燒場氣體參數定量測量的流程圖。
本發明的實現方案如下：本發明方法分三個步驟，即波長調製光譜測量步驟、波長調製光譜擬合步驟、非均勻流場中氣體參數計算步驟；
本發明基於調製光譜實現非均勻燃燒場氣體參數定量測量的實現方法，實施步驟如下：
步驟一、波長調製光譜測量步驟
基於調製光譜實現非均勻燃燒場氣體參數定量測量的實施方法第一步，是波長調製光譜測量步驟，共分為3個任務，實施方案如下：
①、選擇合適的吸收譜線
預估被測流場的氣體溫度變化範圍，根據譜線的低躍遷態能級選擇兩條在該溫度變化範圍內具有線性變化特性的譜線。
②、採集波長調製光譜測量信號
調節雷射器的電流和溫度，使得雷射波長在所選兩條譜線附近。雷射器輸出的光經合束器後變成一束光。雷射穿過非均勻流場後由探測器接收，而後讀取探測到的光電信號。該信號是經過非均勻燃燒場的透射光強信號，在吸收譜線中心頻率附近產生了吸收，可作為了實驗測得的調製光譜信號。實驗測得的透射光強信號隨時間的變化如圖2所示。
③、解調調製光譜信號
利用鎖相放大技術解調實驗測得的透射光強信號，獲得所選譜線諧波信號。兩條譜線的調製頻率不同，鎖相放大時通過調製頻率區別兩條譜線的諧波信號。
步驟二、波長調製光譜擬合步驟
①、計算譜線積分吸光度的變化範圍
根據預估的燃燒場氣體溫度、壓強和吸收分子組分濃度的變化範圍，計算所選譜線的積分吸光度a的變化範圍，計算公式為
a＝pxs(t)l(1)
式中，p為氣體壓強，x為吸收分子的組分濃度，s(t)為吸收譜線的線強度，l為吸收光程。
②、計算譜線高斯線寬和洛倫茲線寬的變化範圍
根據流場內氣體參數(溫度、氣體壓力和吸收分子組分濃度)變化範圍，計算所選譜線高斯線寬δvd和洛倫茲線寬δvc的變化範圍，計算公式為
式中，v0是譜線的中心頻率，m是吸收分子的摩爾質量，γi(t0)是譜線的展寬係數，t0是參考溫度，ni是相應的溫度指數。
③、最小二乘方法擬合諧波信號
譜線的諧波信號是關於譜線積分吸光度a，高斯線寬δvd和洛倫茲線寬δvc的函數，以實驗測得的譜線的諧波信號為基準，採用最小二乘方法擬合實驗測得的諧波信號，獲得所選譜線的積分吸光度a，高斯線寬δvd和洛倫茲線寬δvc。
最小二乘擬合步驟為：將積分吸光度a，高斯線寬δvd和洛倫茲線寬δvc的變化範圍離散成若干個點，以這三個變量變化範圍內的離散點為自由變量，仿真基於不同離散點的所選譜線的所有諧波信號，計算所有諧波信號與實驗測得的諧波信號所有點的平方差之和(sse)，判斷是否滿足條件(sse≤ε，ε為很小的數，可設為0.01)，滿足，擬合結束，獲得a，δvd和δvc，不滿足，更新a，δvd和δvc，重新擬合直至滿足收斂條件。基於最小二乘方法的擬合諧波信號流程見圖3。仿真和實驗測得的諧波信號對比圖見圖4。
步驟三、非均勻流場中氣體參數計算步驟；
①擬合溫度變化範圍內所選譜線的線強度隨溫度的變化
所選譜線的線強度在溫度變化範圍內具有隨溫度線性變化的特性，所選譜線的線強度隨溫度線性變化的示意圖見圖5。利用線性函數擬合譜線的線強度在該溫度範圍內的變化特性，擬合公式為
s1(t)＝m1t+b1，s2(t)＝m2t+b2(3)
式中，s1(t)和s2(t)分別為擬合後兩條譜線的線強度，m1、b1、m2和b2分別為常數，可通過線性擬合獲得。
②、計算計算非均勻流場內的氣體溫度和吸收分子的分壓。
利用最小二乘方法獲得的兩條譜線穿過非均勻流場的積分吸光度(a1和a2)計算非均勻流場內的氣體溫度，計算公式為
式中，溫度t的物理含義是吸收分子分壓權重的溫度積分平均值，其表達式為
利用計算獲得的氣體溫度t，可計算吸收分子的分壓，計算公式為
式中，分壓pl的物理含義是光路上吸收分子分壓的平均值。