9第九章組分濃度測(cè)量技術(shù)解讀課件

熱災(zāi)害實(shí)驗(yàn)診斷方法與技術(shù)

第九章組分濃度測(cè)量方法

一、引言

二、激光吸收法

三、發(fā)射和吸收光譜法

四、快速掃描紅外發(fā)射光譜方法

五、反演方法

六、其它方法

七、TDLAS火災(zāi)氣體探測(cè)系統(tǒng)

八、示例：滅火劑濃度測(cè)量方法簡(jiǎn)介熱災(zāi)害實(shí)驗(yàn)診斷方法與技術(shù)

第第九章組分濃度測(cè)量方法一、引言傳統(tǒng)的組分濃度測(cè)量方法以采樣分析為主，用一探針浸入到測(cè)試流場(chǎng)(如燃燒中火焰或其煙氣的熱流場(chǎng))中取樣流場(chǎng)中的氣體，將取得的樣品烘干等預(yù)處理后進(jìn)行測(cè)試和分析?；谶@一原理的組分濃度測(cè)量方法已得到了較好的發(fā)展已有不同性能的氣體(或組分)分析系統(tǒng)投入應(yīng)用。取樣分析方法的缺點(diǎn)：空間分辨性較差——由于采樣管每次只能分析取樣點(diǎn)及其附近的組分情況，且取樣探針很難做得足夠小，其測(cè)試分析的空間分辨率受到了限制。時(shí)間分辨性較差——取樣分析法所采集到的樣品在進(jìn)行測(cè)試分析之前還需經(jīng)過取樣管和其它預(yù)處理，對(duì)氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)分析受到了限制。第九章組分濃度測(cè)量方法在燃燒產(chǎn)物和煙氣中包含大量的化學(xué)活性物質(zhì)，采用取樣分析其組分，則測(cè)試結(jié)果與實(shí)際情況有一定差距，因?yàn)榛钚晕镔|(zhì)在到達(dá)分析測(cè)試段之前很可能已經(jīng)由于化學(xué)等原因其成分發(fā)生了變化。對(duì)燃燒過程中自由基的測(cè)量分析，不能采用取樣分析法，因?yàn)榇蟛糠肿杂苫膲勖芏?。基于激光測(cè)量技術(shù)的組分濃度測(cè)量方法得到應(yīng)用，有的測(cè)量系統(tǒng)將取樣分析和光學(xué)方法結(jié)合。幾種基于激光測(cè)量技術(shù)的組分濃度診斷方法：激光吸收法發(fā)射吸收光譜法快速掃描紅外發(fā)射光譜方法在燃燒產(chǎn)物和煙氣中包含大量的化學(xué)活性物質(zhì)，采用取樣分析二、激光吸收法激光吸收法測(cè)量組分濃度的基本原理：根據(jù)Lambert-Beer定律，當(dāng)光強(qiáng)為I0的激光透過一光學(xué)路徑長(zhǎng)度為L(zhǎng)、光譜吸收系數(shù)為均勻介質(zhì)后，其透過光強(qiáng)I

可表為：

(7.2.1)其中吸收系數(shù)被定義為：

=S(T)（－o）N(7.2.2)其中：S(T)是溫度為T時(shí)吸收譜線的強(qiáng)度，可通過光譜線的相關(guān)參數(shù)計(jì)算,（－o）為以o為中心波長(zhǎng)的譜線的線型，N為吸收氣體組分的濃度。二、激光吸收法激光吸收法測(cè)量組分濃度的基本原理：在空氣中燃燒的火焰的吸收光譜的線型由于既有多普勒加寬效應(yīng)的影響，又有碰撞加寬效應(yīng)的影響，通常用福格特(Voigt)線型來描述其譜線的形狀，即有

(7.2.3)這里D和C分別為多普勒加寬碰撞和加寬線型的全寬。如果火焰的溫度已知，則可以對(duì)和N進(jìn)行最小二乘擬合和光譜線的匹配計(jì)算，即可確定相應(yīng)組分的濃度。

在空氣中燃燒的火焰的吸收光譜的線型由于既有多普勒加寬二、激光吸收法激光吸收法可監(jiān)測(cè)燃燒組分:O2、CO、CO2、NO、NO2

、N2O、CH4和OH、HCO、HO2及其它碳?xì)浠衔?。為同時(shí)獲取溫度或其它參數(shù)以及對(duì)組分濃度測(cè)量結(jié)果同步比較，在采用激光吸收法時(shí)還采用其它方法(取樣等)，圖7.2.2給出一同時(shí)采用激光吸收法和快速取樣技術(shù)組分測(cè)量系統(tǒng)示意，用熱電偶測(cè)溫度。圖7.2.1

激光吸收法測(cè)量組分濃度系統(tǒng)示意圖圖7.2.2O2、CO、CO2、NO、N2O激光測(cè)量系統(tǒng)示意圖BS：分束器；PD：光電倍增管二、激光吸收法激光吸收法可監(jiān)測(cè)燃燒組分:O2、CO、CO2三、發(fā)射和吸收光譜法

發(fā)射吸收光譜法和激光吸收法相近，該方法需要同時(shí)測(cè)量目標(biāo)等的發(fā)射光譜和吸收光譜，然后通過發(fā)射光譜的分析確定組分的成分，通過對(duì)吸收光譜的分析確定各成分的濃度。anderhoff等人(1991)采用該方法對(duì)固體推進(jìn)劑火焰的組分及其濃度進(jìn)行了成功測(cè)量，其在吸收光譜的測(cè)量中采用了單色儀系統(tǒng)。三、發(fā)射和吸收光譜法發(fā)射吸收光譜法和激光吸收法相近，發(fā)射和吸收光譜法通過發(fā)射和吸收光譜的實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲取組分及其濃度的方法原理是：據(jù)玻爾茲曼分布理論，利用發(fā)射強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果可以計(jì)算處于激發(fā)態(tài)的分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)溫度，其中發(fā)射光譜線的強(qiáng)度可以表為：

(7.3.1)其中：“”和“”分別表示高能級(jí)和低能級(jí)，J和n分別為轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)量子數(shù)，C1為一常數(shù)，SJ’j”為轉(zhuǎn)動(dòng)譜線的強(qiáng)度，qv’v”為夫蘭克-康登因子(Franck-Condonfactor)，Vj’J”為躍遷頻率，F(xiàn)和G分別表示轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能量，TR’和TV’分別為轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)溫度。發(fā)射和吸收光譜法通過發(fā)射和吸收光譜的實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲取組分及其濃度若發(fā)射光譜線包含振動(dòng)帶，則TR’和TV’可通過計(jì)算得到。分子在基態(tài)的轉(zhuǎn)動(dòng)溫度可由吸收光譜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取。吸收光譜線的強(qiáng)度為：

(7.3.2)其中：C2為一常數(shù)。由上式對(duì)ln(Iabs/C2SJ’j”Vj’J”)和FJ”作圖，得斜率-hc/kTR”，可確定轉(zhuǎn)動(dòng)溫度。若吸收介質(zhì)的溫度及其分子的相關(guān)數(shù)據(jù)已知，則可由吸收光譜數(shù)據(jù)獲取絕對(duì)濃度。譜線的吸收峰可描述為：

(7.3.3)式中：L:吸收光學(xué)路徑，Dn:譜線帶寬，kn:吸收系數(shù)。三、發(fā)射和吸收光譜法

若發(fā)射光譜線包含振動(dòng)帶，則TR’和TV’可通過計(jì)算得到。分子考慮分子的參數(shù)以及峰值吸收與振動(dòng)躍遷的關(guān)系，上式可寫為：

(7.3.4)式中：NT:分子總濃度，

QT:配分函數(shù)，Bj”J’:愛因斯坦吸收系數(shù)。考慮分子的參數(shù)以及峰值吸收與振動(dòng)躍遷的關(guān)系，四、快速掃描紅外發(fā)射光譜方法需參考光源的火焰等溫度的測(cè)量法有:色溫法、空間掃描和頻譜掃描等，這些方法大都以點(diǎn)測(cè)量為主。隨著科研的深入和科技進(jìn)步，人們發(fā)展了獲取火焰熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)瞬時(shí)信息分布的光學(xué)診斷技術(shù)和方法，主要有：可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)；激光誘導(dǎo)熒光(LIF—LaserInductFluofrescence);相干反斯托克斯喇曼光譜(CARS)；傅立葉變換紅外光譜儀(FT-IS)(Best，1991)多波長(zhǎng)輻射光譜法(MWES)(Sivathanu等,1991)等。其中LIF和CARS

測(cè)量溫度和組分濃度有更高空間分辨率。四、快速掃描紅外發(fā)射光譜方法需參考光源的火焰等溫度的快速掃描紅外發(fā)射光譜方法LIF和CARS方法的缺點(diǎn)：需要有高能量的激光器作泵浦光源，系統(tǒng)龐大、復(fù)雜而且費(fèi)用昂貴。快速掃描紅外發(fā)射光譜方法LIF和CARS方法的缺點(diǎn)：FT-IR和MWES是測(cè)量火焰溫度和組分的較理想方法，他們的測(cè)量原理都是基于輻射-吸收光譜，需要外加激光光源。它主要是通過統(tǒng)計(jì)反演技術(shù)來獲取氣體組分濃度和溫度的。然而，利用發(fā)射光譜獲取火焰的溫度分布和濃度信息，不需要附加光源，其光學(xué)系統(tǒng)的準(zhǔn)直和數(shù)據(jù)的采集都比較直接和簡(jiǎn)單，其測(cè)量獲取的輻射信號(hào)是火焰燃燒組分的直接貢獻(xiàn)，因而更便于從輻射強(qiáng)度反演獲取組分濃度信息。紅外發(fā)射光譜法被認(rèn)為是獲取火焰溫度和組分濃度信息的最有前途的多參數(shù)測(cè)量方法。四、快速掃描紅外發(fā)射光譜方法FT-IR和MWES是測(cè)量火焰溫度和組分的較理想方法，他們美國(guó)NIST研制的一種快速掃描紅外光譜輻射計(jì)，應(yīng)用該機(jī)對(duì)層流氣體擴(kuò)散火焰的溫度和組分濃度實(shí)驗(yàn)測(cè)量，獲取的結(jié)果合理。美國(guó)NIST研制的一種快速掃描紅外光譜輻射計(jì)，應(yīng)用該機(jī)對(duì)層流該技術(shù)的硬件系統(tǒng)和算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)介：硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)用于同時(shí)獲取幾個(gè)（不少于四個(gè)）不同波長(zhǎng)處目標(biāo)的輻射強(qiáng)度，其一般包括：準(zhǔn)直、傳感器視場(chǎng)限定、分光和光譜輻射強(qiáng)度探測(cè)。準(zhǔn)直元件：一般有細(xì)長(zhǎng)管和狹縫、成像透鏡和反射鏡。前者的設(shè)計(jì)、加工以及準(zhǔn)直調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，但其輻射通量非常低，且不適合于大面積探測(cè)；而后者的設(shè)計(jì)雖需考慮其色差以及其精確準(zhǔn)直需借助狹縫實(shí)現(xiàn)，但其具有非常高的光通量和空間分辨率，可以配備線陣探測(cè)器，因而便于實(shí)現(xiàn)2-D測(cè)量。因此，在該技術(shù)中多采用后者。分光元件有：濾光片轉(zhuǎn)動(dòng)盤、分光光柵和棱鏡等。此三種元件分光的優(yōu)缺點(diǎn)見表7.4.1。分光光柵的光譜分辨率雖很高，但其光通量太低，不適于對(duì)火焰等的遠(yuǎn)距離測(cè)量，因而在該技術(shù)中一般采用棱鏡作為分光元件。四、快速掃描紅外發(fā)射光譜方法該技術(shù)的硬件系統(tǒng)和算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)介：四、快速掃描紅外發(fā)射光譜方法元件名稱優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)濾色輪設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、分離波長(zhǎng)精確、光通量最大、只能用于單象素探測(cè)濾色輪掃描的頻率有限(30Hz)、可動(dòng)部分的加工和制造復(fù)雜分光光柵無可動(dòng)部分、高光譜分辨率、可用于測(cè)量的波長(zhǎng)數(shù)目多設(shè)計(jì)和波長(zhǎng)的標(biāo)識(shí)復(fù)雜、光通量非常低、需要多象素探測(cè)器棱鏡無可動(dòng)部分、光通量相對(duì)較高、可測(cè)量波長(zhǎng)數(shù)目多設(shè)計(jì)和制造時(shí)需要非常精確地考慮其色散率、需要多象素探測(cè)器表7.4.1

幾種色散元件的比較四、快速掃描紅外發(fā)射光譜方法元件名稱優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)濾色輪設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、分離波長(zhǎng)精確探測(cè)元件常用單象素探測(cè)器、四象限探測(cè)器和線陣探測(cè)器。表7.4.2

幾種紅外探測(cè)元件的比較元件名稱優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)單象素探測(cè)器多種材料可供選擇、非常經(jīng)濟(jì)、高靈敏度只能和掃描頻率非常低的濾色輪配套使用四象限探測(cè)器可以和成像透鏡配合使用、多種材料的探測(cè)元件可供選擇、可用濾光片代替分光元件設(shè)計(jì)時(shí)需要散焦透鏡、波長(zhǎng)數(shù)最多為四個(gè)線陣探測(cè)器高頻、多波長(zhǎng)、高光譜分辨率昂貴、探測(cè)器可選材料有限、光學(xué)設(shè)計(jì)非常復(fù)雜探測(cè)元件常用單象素探測(cè)器、四象限探測(cè)器和線陣探測(cè)器。元件名稱四、快速掃描紅外發(fā)射光譜方法右圖是NIST研制的2-D成像光譜輻射測(cè)量系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)示意圖。系統(tǒng)包括兩個(gè)光學(xué)子系統(tǒng)，一個(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)和一個(gè)棱鏡分光系統(tǒng)。在望遠(yuǎn)系統(tǒng)和分光系統(tǒng)之間有一狹縫，以消除雜散光的影響。經(jīng)分光系統(tǒng)的單色光再經(jīng)成像透鏡LENS4后投射到線陣探測(cè)器。采用一12bit圖象捕獲卡與線陣探測(cè)器相聯(lián)。線陣探測(cè)元件為FLIRSystem公司生產(chǎn)的320244硅摻鉑(PtSi)線陣攝像頭，采用斯特林冷卻。

圖7.4.1

2-D成像光譜輻射計(jì)示意圖四、快速掃描紅外發(fā)射光譜方法右圖是NIST研制的2-D成像光該技術(shù)的算法實(shí)現(xiàn)采用了反演算法。算法主要包括兩方面的內(nèi)容：利用最大似然估計(jì)理論，從路徑積分輻射強(qiáng)度(pathintegratedintensities)中反演獲取局部輻射強(qiáng)度；由局部輻射強(qiáng)度的反演值，應(yīng)用RADCAL(Grosshandler,1980)迭代算法程序獲取溫度和氣體組分濃度的空間分布。圖7.4.2

軸對(duì)稱流中平行路徑劃分示意圖五、反演方法該技術(shù)的算法實(shí)現(xiàn)采用了反演算法。算法主要包括兩方面

設(shè)層流火焰沿平行路徑可分為三個(gè)均勻?qū)樱渲凶钔鈱勇窂街话粋€(gè)均勻?qū)?，其路徑長(zhǎng)度為S11（如圖7.4.2所示）。設(shè)均勻?qū)拥陌l(fā)射強(qiáng)度和透過率分別為I11和11，則沿該路徑I1的積分發(fā)射強(qiáng)度等于I11（這里上標(biāo)表示不同路徑，下標(biāo)表示不同的劃分層）。第二個(gè)路徑包含了三個(gè)均勻?qū)樱渎窂介L(zhǎng)度為S12、S22和S32，其相應(yīng)的發(fā)射強(qiáng)度可表為I12、I22和I32、透過率可表為12、22和32。對(duì)任一路徑N，其將包含2N+1個(gè)均勻?qū)印Ｓ谑?，路徑積分發(fā)射強(qiáng)度可以表示為：

(7.4.1)反卷積法是一種建立在Vardi和Lee的最大似然估計(jì)理論基礎(chǔ)上的迭代算法。局部發(fā)射強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值和均勻?qū)拥耐高^率一起按上式被用于向前卷積。設(shè)層流火焰沿平行路徑可分為三個(gè)均勻?qū)?，其中最外五、反演方?/p>

反卷積法是一種建立在Vardi和Lee的最大似然估計(jì)理論基礎(chǔ)上的迭代算法。首先，局部發(fā)射強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值和均勻?qū)拥耐高^率一起按上式被用于向前卷積。在向前卷積的過程中，相鄰?fù)ǖ赖陌l(fā)射強(qiáng)度和均勻?qū)拥耐高^率在軸坐標(biāo)上具有如下關(guān)系：IIN=(IIN-1)(SiN/SiN-1)=IN+1N(7.4.2)IN=(IN-1)(SiN/SiN-1)=N+1N(7.4.3)

五、反演方法反卷積法是一種建立在Vardi和Lee設(shè)得到的路徑積分測(cè)量值的總數(shù)目為M。然后利用強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值，根據(jù)式(7.4.1)，由路徑積分強(qiáng)度的不同測(cè)量值得到M的解。預(yù)測(cè)值的修正如下：

(7.4.4)這里Xii是M個(gè)通道的每個(gè)中間層的強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值，k是迭代次數(shù)。XI是利用等式(7.4.1)的向前卷積得到的第Ith個(gè)通道的通道積分強(qiáng)度，而Ii是路徑積分強(qiáng)度的測(cè)量值。Eij是第jth個(gè)均勻?qū)訉?duì)第i個(gè)路徑的積分強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。對(duì)M個(gè)中的每一個(gè)路徑來說，如果有兩個(gè)均勻?qū)泳哂邢嗤陌l(fā)射強(qiáng)度，則Eij可由下式得到：

Eij=+(7.4.5)設(shè)得到的路徑積分測(cè)量值的總數(shù)目為M。然后利用強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值，TJ是每個(gè)路徑對(duì)第M個(gè)路徑積分強(qiáng)度貢獻(xiàn)的總和：

Tj=7.4.6)在向前迭代過程中Xi，Eij和Tj的值可以算出，再用等式(7.4.4)可得到發(fā)射強(qiáng)度Xii的預(yù)測(cè)值的修正值。該算法大約迭代20次即可得到有效值。當(dāng)測(cè)量和計(jì)算得到的強(qiáng)度的差L2L2=(7.4.7)小于0.001時(shí)，迭代結(jié)束。對(duì)圖7.4.2路徑積分強(qiáng)度測(cè)量所獲得的局部發(fā)射強(qiáng)度如CO2和H2O的峰值大致處在相同的位置，而CH4的峰值更接近火焰中心。這是因?yàn)镃H4只在火焰的富燃料區(qū)存在。在第一階段，這種反卷積運(yùn)算法則忽略了自吸收。由反卷積得到局部輻射強(qiáng)度后，由此可得到溫度的空間分布和氣體組分的濃度，這要利用一種與RADCAL程序相關(guān)的迭代算法。一旦局部濃度和溫度得到了，那么局部吸收系數(shù)也就可以計(jì)算出來了。圖7.4.3

反演算法得局部發(fā)射強(qiáng)度五、反演方法TJ是每個(gè)路徑對(duì)第M個(gè)路徑積分強(qiáng)度貢獻(xiàn)的總和：圖7.4.3五、反演方法由收斂的局部發(fā)射強(qiáng)度，并考慮自吸收，得到的局部氣體濃度和溫度如圖7.4.4所示。上部分是通過局部發(fā)射強(qiáng)度得到的溫度。整個(gè)數(shù)據(jù)可用一條二次曲線來擬合。從所得溫度可知這是典型的層流擴(kuò)散火焰。圖7.4.4下部給出了主要?dú)怏w（水蒸氣和二氧化碳）濃度。普渡大學(xué)用氣體色譜儀在近似層流擴(kuò)散火焰中也曾得到類似結(jié)果。然而，由IR發(fā)射光譜得到的濃度曲線的輪廓比用氣體色譜儀得到的要寬，因后者的測(cè)試對(duì)象為混合流動(dòng)(co-flow)與火焰是不同的；另外通過黑體校準(zhǔn)的精度僅為20%。

CO2和H2O的峰值同樣以2的因子降低。造成這種差別有兩個(gè)可能：在照相機(jī)前面用成像的光學(xué)器件，在波長(zhǎng)位置產(chǎn)生10%的扭曲。普渡得到的光譜圖像就忽略了這點(diǎn)，在4.3μm處光譜被移動(dòng)約40nm。這個(gè)偏移導(dǎo)致得到的溫度有50K誤差，并導(dǎo)致濃度50%的縮減。因此，需要采用窄帶濾光片對(duì)每一象素的波長(zhǎng)進(jìn)行標(biāo)定，以解決因波長(zhǎng)移動(dòng)而引起的圖像扭曲。另一個(gè)原因可能是在4.5μm微米處成像分光計(jì)的光譜分辨率不足。目前的程序是假定每個(gè)像素接受的都是單色輻射。而每個(gè)像素看到的波長(zhǎng)存在一個(gè)寬度。用窄波過濾的波長(zhǎng)校準(zhǔn)執(zhí)行時(shí)，會(huì)變得很明顯。圖7.4.4

由反演算法得到的火焰局部特性參數(shù)五、反演方法由收斂的局部發(fā)射強(qiáng)度，并考慮自吸收，得六、其它方法近年發(fā)展的四波長(zhǎng)混合(DegenerateFour-waveMixing,DFWM)技術(shù)，用以測(cè)量火焰燃燒組分的濃度。如利用DFWM技術(shù)對(duì)H2/空氣預(yù)混火焰的OH、S2和其它硫化物成分進(jìn)行了成功測(cè)量。該方法的實(shí)驗(yàn)裝置與三維相位匹配或前向Boxcars相似，泵浦光束與平面成一小角度(約1)，兩束泵浦光的強(qiáng)度約占總激光強(qiáng)度的45%。相干信號(hào)一般需采用一透鏡(30mm)和一針孔(50μm)進(jìn)行濾波后由光電倍增管(PMT)進(jìn)行探測(cè)，且相干光束偏移采用透鏡進(jìn)行校正。DFWM信號(hào)與激光能量比的測(cè)量結(jié)果被用來確定觀測(cè)到的躍遷飽和度(I/ISAT1)。研究發(fā)現(xiàn)DFWM信號(hào)與粒子數(shù)差N以及分子躍遷的線強(qiáng)Bij的平方成正比?？紤]火焰燃燒組分，有N(v”,J”)>>N(v’,J’)，故可用基態(tài)的粒子數(shù)N代替

N，可得DFWM信號(hào)與相應(yīng)組分濃度之間的關(guān)系：IDFWM[BijN(v”,J”)]2(7.5.1)六、其它方法近年發(fā)展的四波長(zhǎng)混合(Degenerate可用于組分濃度測(cè)量的方法還有拉曼散射、瑞利散射、激光誘導(dǎo)熒光(LIF)和激光誘導(dǎo)分離法(LaserInducedBreakdownSpectroscopy,LIBS)。表7.5.1幾種組分測(cè)量方法的比較方法空間分辨率時(shí)間分辨率測(cè)量精度*適用情況拉曼散射1mm<1ms5%弱信號(hào)、多組分瑞利散射1mm<1ms5%清潔環(huán)境LIF1mm<1ms5%淬火CARS2mm<1ms5%中等尺度煙炱，復(fù)雜數(shù)據(jù)處理LIBS2mm100ms5%金屬或毒性氣體可用于組分濃度測(cè)量的方法還有拉曼散射、瑞利散射、激光誘導(dǎo)熒光基于TDLAS的火災(zāi)氣體探測(cè)

早期特征氣體的探測(cè)已成為火災(zāi)探測(cè)技術(shù)中發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。將可檢測(cè)極低濃度的氣體的TDLAS（可調(diào)諧二極管激光吸收光譜）技術(shù)應(yīng)用于極早期火災(zāi)氣體產(chǎn)物的檢測(cè)是一個(gè)新的嘗試。該技術(shù)可以對(duì)氣體實(shí)現(xiàn)高靈敏度探測(cè)，并可以避免其它氣體組分的干擾。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中分別選擇中心波長(zhǎng)為1578.67nm和1579.57nm的近紅外吸收譜線，實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)早期特征氣體CO和CO2的高靈敏探測(cè)。

基于TDLAS的火災(zāi)氣體探測(cè)早期特征氣體的探測(cè)已成為火災(zāi)探TDLAS火災(zāi)氣體探測(cè)系統(tǒng)原理

TDLAS是利用半導(dǎo)體激光器的可調(diào)諧性進(jìn)行光譜測(cè)量的一種技術(shù)，利用待測(cè)氣體分子的一條孤立的吸收譜線進(jìn)行吸收光譜測(cè)量。TDLAS調(diào)制方式有：直接吸收光譜、波長(zhǎng)調(diào)制光譜（WMS）頻率調(diào)制光譜(FMS)。

波長(zhǎng)調(diào)制光譜(WMS)技術(shù)，對(duì)比于頻率調(diào)制光譜(FMS)技術(shù)，靈敏度可以滿足火災(zāi)氣體探測(cè)的要求，費(fèi)用低；對(duì)比直接吸收光譜測(cè)量，波長(zhǎng)調(diào)制光譜可更好抑制測(cè)量過程中的噪聲，數(shù)據(jù)處理算法簡(jiǎn)單。

強(qiáng)度為I0，頻率為的單色激光，通過長(zhǎng)度為L(zhǎng)的吸收介質(zhì)后，在接收端測(cè)得的強(qiáng)度為I，遵循Lambert-Beer定律。

TDLAS火災(zāi)氣體探測(cè)系統(tǒng)原理TDLAS是利用半導(dǎo)體激光器TDLAS火災(zāi)氣體探測(cè)系統(tǒng)原理

I（）=I0（）exp(-()NL)(1)其中:()為氣體分子中心吸收截面，N為氣體的摩爾濃度。當(dāng)激光的中心頻率c受到振幅為頻率為的調(diào)制波調(diào)制時(shí)，頻率可表示為：(2)將(1)式用的余弦傅立葉級(jí)數(shù)可以寫為：(3)(4)其中

理想情況下I0不是頻率的函數(shù)，在測(cè)痕量氣體時(shí)，N為一極小值，因此，(4)式近似寫成：

(5)因此，n次諧波分量與痕量氣體濃度成正比。TDLAS火災(zāi)氣體探測(cè)系統(tǒng)原理I（）=I0（）expTDLAS火災(zāi)氣體探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

調(diào)節(jié)并控制二極管激光器溫度，使激光器的中心頻率等于要檢測(cè)的火災(zāi)特征氣體的某條吸收譜線中心波長(zhǎng)。以50Hz的頻率調(diào)制激光器控制電流，來調(diào)諧激光器輸出波長(zhǎng)，對(duì)氣體吸收譜線連續(xù)掃描。用計(jì)算機(jī)記錄并處理鎖相放大器測(cè)得的n次諧波分量，得到吸收譜線的諧波譜，譜線的幅度正比于氣體的濃度。出氣進(jìn)氣2f多次反射吸收池鋸齒波掃描電路激光器溫度和電流控制系統(tǒng)高頻調(diào)制電路探測(cè)器鎖相放大器信號(hào)處理系統(tǒng)圖1TDLAS火災(zāi)氣體探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖f二極管激光器Fig.1FiregasdetectionsystemwithTDLASTDLAS火災(zāi)氣體探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)并控制二TDLAS火災(zāi)氣體探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由式(5)知，通過測(cè)得譜線與標(biāo)定氣體的譜線進(jìn)行比較，得到檢測(cè)氣體濃度值。即：其中：No為標(biāo)定氣體濃度，Ano為測(cè)得的標(biāo)定氣體諧波分量，Nx為待檢測(cè)氣體的濃度，Anx為測(cè)得的待檢測(cè)氣體諧波分量。本系統(tǒng)中用檢測(cè)二次諧波的方法，反推要檢測(cè)的氣體濃度。一是二次諧波和氣體濃度成正比，可以使數(shù)據(jù)處理大大簡(jiǎn)化。其次是，二次諧波檢測(cè)方法可以抑制激光噪聲。火災(zāi)早期探測(cè)要求在火災(zāi)發(fā)生初期的幾十秒甚至十幾秒內(nèi)，探測(cè)系統(tǒng)就可準(zhǔn)確及時(shí)報(bào)警，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性很高。基于TDLAS的火災(zāi)氣體探測(cè)系統(tǒng)，激光器的波長(zhǎng)掃描頻率、系統(tǒng)信號(hào)的采集和處理系統(tǒng)速率都容易滿足。系統(tǒng)采用吸氣采樣方式探測(cè)火災(zāi)氣體，為保證系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性，需吸氣采樣頻率足夠高。系統(tǒng)中多次反射吸收池的換氣速率為1次/s，達(dá)到火災(zāi)早期探測(cè)對(duì)實(shí)時(shí)性。TDLAS火災(zāi)氣體探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由式(5)知，通過八、示例：滅火劑濃度測(cè)量方法簡(jiǎn)介

背景：

航空事業(yè)發(fā)展的需要

飛機(jī)安全飛行的需要

科技發(fā)展和進(jìn)步的需要

測(cè)試知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)積累的需要八、示例：滅火劑濃度測(cè)量方法簡(jiǎn)介

背景：

航空事業(yè)發(fā)展的需要目標(biāo)現(xiàn)有幾種滅火劑濃度測(cè)量中可能利用的實(shí)時(shí)濃度測(cè)量方法，以期找到一種使用方便、測(cè)量結(jié)果可靠的方法；適合測(cè)量需要和符合技術(shù)要求的在線測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量場(chǎng)景：高空0~5000m，起飛上升，平飛、降落下降飛機(jī)飛行速度：80~150ms-1：加速、勻速、減速目標(biāo)測(cè)量技術(shù)指標(biāo)測(cè)量滅火劑：Halon1301、HFC-125等；測(cè)量通道數(shù)：12~16通道；測(cè)量范圍：0~20％v/v（體積百分比濃度）；測(cè)量精度：≤±1％；分辨率：0.05％；響應(yīng)時(shí)間：≤250ms；抽氣速率：2L/min（每通道）；采樣管內(nèi)徑：Φ4mm；測(cè)量方式：在線供電：220VAC，900W；尺寸：3U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，4只；便攜計(jì)算機(jī)：1臺(tái)；總重量：≤100kg。測(cè)量技術(shù)指標(biāo)測(cè)量滅火劑：Halon1301、HFC-12為明確滅火劑的滅火特性，了解滅火劑在釋放后的分散行為，有必要找到一種能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量滅火劑濃度的方法。另外，當(dāng)一種新型滅火劑在投入使用，也要對(duì)其進(jìn)行定量的測(cè)量，以確定其性能。濃度實(shí)時(shí)測(cè)量主要用于：1)分散系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；2)新型滅火系統(tǒng)的檢定?，F(xiàn)有測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介為明確滅火劑的滅火特性，了解滅火劑在釋放后的分散行為，有必要現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介FireExtinguishingAgentSensor（FEAS）

DifferentialInfraredRapidAgentSensor（DIRRACS）

CombinedAspiratedHot-Film/Cold-WireProbeStathamAnalyzerandHalonyzer現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介1）FEAS原理：紅外吸收定律；熾熱金屬絲作為紅外發(fā)射源，產(chǎn)生紅外射線，經(jīng)過鍺窗，經(jīng)由導(dǎo)光管，通過窄-紅外帶通濾波，到達(dá)熱電探測(cè)器，再由運(yùn)算放大器得到電信號(hào)。1）FEAS原理：紅外吸收定律；2）DIRRACS

2）DIRRACS3）CombinedAspirated

Hot-Film/Cold-WireProbe特點(diǎn)：熱膜流速計(jì)測(cè)量熱缸內(nèi)熱量損失主要用以速度測(cè)量，但也受濃度和溫度變化影響；流體經(jīng)過窗口的流速與上游壓力，臨界溫度，氣體分子質(zhì)量有關(guān)；用電阻溫度計(jì)記錄溫度；可用于測(cè)量二元混合氣濃度；3）CombinedAspirated

Ho4）Halonyzer

部分測(cè)量系統(tǒng)，是基于傳感器對(duì)不同濃度氣樣，因粘度不同，而對(duì)儀器的響應(yīng)不同設(shè)計(jì)制造的，適用于Halon1301,1211,1202和CO2。兩種典型的代表：

Stathamanalyzer和

Halonyzer4）Halonyzer部分測(cè)量系統(tǒng)，是基于傳Halonyzer不同濃度的氣體試樣經(jīng)過多孔介質(zhì)時(shí)，由于其粘性不同，導(dǎo)致多孔介質(zhì)兩端的壓力差不同，根據(jù)泊肅葉定律，可以得到壓力差與粘度的關(guān)系；對(duì)于二元混合氣，粘度由兩者的體積分?jǐn)?shù)確定。可得到壓力差與氣體濃度的定量關(guān)系。Halonyzer不同濃度的氣體試樣經(jīng)過多孔介質(zhì)時(shí)，由于其粘Halonyzer特點(diǎn)：

原理清楚、簡(jiǎn)單；成本低；可行性好；測(cè)量能力滿足要求。Halonyzer特點(diǎn)：研制工作工程文獻(xiàn)調(diào)研理論基礎(chǔ)研究方法選擇研究技術(shù)路線研究總體方案研究關(guān)鍵技術(shù)研究實(shí)現(xiàn)可行性研究研制工作工程采用技術(shù)方法類Halonyzer方法基于泊肅葉定律原理的滅火劑濃度測(cè)試系統(tǒng)系統(tǒng)可有12~16個(gè)測(cè)點(diǎn)系統(tǒng)由2~3臺(tái)測(cè)試單元和一臺(tái)便攜式計(jì)算機(jī)組成每臺(tái)測(cè)試單元具有4~8個(gè)獨(dú)立的測(cè)試通道，可同時(shí)對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行采樣測(cè)試。便攜式計(jì)算機(jī)與測(cè)試單元由串口連接，獲取測(cè)點(diǎn)的滅火劑濃度采樣數(shù)據(jù)；按照特定算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，保存并實(shí)時(shí)圖文顯示各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

采用技術(shù)方法依據(jù)低速流體的泊肅葉定律和低壓混合氣體粘度關(guān)系；實(shí)驗(yàn)測(cè)定混合物的粘度，結(jié)合相關(guān)的理論模型對(duì)兩相混合氣體的粘度理論值進(jìn)行計(jì)算研究；以理論研究為據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⑦M(jìn)行驗(yàn)證研究。

采用技術(shù)的理論基礎(chǔ)依據(jù)低速流體的泊肅葉定律和低壓混合氣體粘度關(guān)系；采用技術(shù)的技術(shù)路線技術(shù)路線關(guān)鍵技術(shù)研究主要實(shí)驗(yàn)裝置器材：取樣管；恒溫裝置研制；多孔介質(zhì)選擇；傳感器選?。粩?shù)據(jù)采集系統(tǒng)研制；真空泵選擇.關(guān)鍵技術(shù)研究主要實(shí)驗(yàn)裝置器材：測(cè)量結(jié)果示例單通道測(cè)量結(jié)果測(cè)量結(jié)果示例單通道測(cè)量結(jié)果測(cè)量結(jié)果四通道測(cè)量結(jié)果測(cè)量結(jié)果四通道測(cè)量結(jié)果結(jié)束語列舉了幾種滅火劑濃度測(cè)量的方法；分析了各自方法的原理；試驗(yàn)了Halonyzer方法的可行性，并得到初步的測(cè)量結(jié)果；對(duì)于Halonyzer改進(jìn)系統(tǒng)，仍有工作需要完善，如電子信號(hào)的漂移問題，數(shù)據(jù)采集頻率，以及系統(tǒng)對(duì)于不同種類滅火劑的適應(yīng)性問題等，需要進(jìn)一步的研究探索。結(jié)束語列舉了幾種滅火劑濃度測(cè)量的方法；

熱災(zāi)害實(shí)驗(yàn)診斷方法與技術(shù)

第九章組分濃度測(cè)量方法

一、引言

二、激光吸收法

三、發(fā)射和吸收光譜法

四、快速掃描紅外發(fā)射光譜方法

五、反演方法

六、其它方法

七、TDLAS火災(zāi)氣體探測(cè)系統(tǒng)

八、示例：滅火劑濃度測(cè)量方法簡(jiǎn)介熱災(zāi)害實(shí)驗(yàn)診斷方法與技術(shù)

第第九章組分濃度測(cè)量方法一、引言傳統(tǒng)的組分濃度測(cè)量方法以采樣分析為主，用一探針浸入到測(cè)試流場(chǎng)(如燃燒中火焰或其煙氣的熱流場(chǎng))中取樣流場(chǎng)中的氣體，將取得的樣品烘干等預(yù)處理后進(jìn)行測(cè)試和分析?；谶@一原理的組分濃度測(cè)量方法已得到了較好的發(fā)展已有不同性能的氣體(或組分)分析系統(tǒng)投入應(yīng)用。取樣分析方法的缺點(diǎn)：空間分辨性較差——由于采樣管每次只能分析取樣點(diǎn)及其附近的組分情況，且取樣探針很難做得足夠小，其測(cè)試分析的空間分辨率受到了限制。時(shí)間分辨性較差——取樣分析法所采集到的樣品在進(jìn)行測(cè)試分析之前還需經(jīng)過取樣管和其它預(yù)處理，對(duì)氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)分析受到了限制。第九章組分濃度測(cè)量方法在燃燒產(chǎn)物和煙氣中包含大量的化學(xué)活性物質(zhì)，采用取樣分析其組分，則測(cè)試結(jié)果與實(shí)際情況有一定差距，因?yàn)榛钚晕镔|(zhì)在到達(dá)分析測(cè)試段之前很可能已經(jīng)由于化學(xué)等原因其成分發(fā)生了變化。對(duì)燃燒過程中自由基的測(cè)量分析，不能采用取樣分析法，因?yàn)榇蟛糠肿杂苫膲勖芏?。基于激光測(cè)量技術(shù)的組分濃度測(cè)量方法得到應(yīng)用，有的測(cè)量系統(tǒng)將取樣分析和光學(xué)方法結(jié)合。幾種基于激光測(cè)量技術(shù)的組分濃度診斷方法：激光吸收法發(fā)射吸收光譜法快速掃描紅外發(fā)射光譜方法在燃燒產(chǎn)物和煙氣中包含大量的化學(xué)活性物質(zhì)，采用取樣分析二、激光吸收法激光吸收法測(cè)量組分濃度的基本原理：根據(jù)Lambert-Beer定律，當(dāng)光強(qiáng)為I0的激光透過一光學(xué)路徑長(zhǎng)度為L(zhǎng)、光譜吸收系數(shù)為均勻介質(zhì)后，其透過光強(qiáng)I

可表為：

(7.2.1)其中吸收系數(shù)被定義為：

=S(T)（－o）N(7.2.2)其中：S(T)是溫度為T時(shí)吸收譜線的強(qiáng)度，可通過光譜線的相關(guān)參數(shù)計(jì)算,（－o）為以o為中心波長(zhǎng)的譜線的線型，N為吸收氣體組分的濃度。二、激光吸收法激光吸收法測(cè)量組分濃度的基本原理：在空氣中燃燒的火焰的吸收光譜的線型由于既有多普勒加寬效應(yīng)的影響，又有碰撞加寬效應(yīng)的影響，通常用福格特(Voigt)線型來描述其譜線的形狀，即有

(7.2.3)這里D和C分別為多普勒加寬碰撞和加寬線型的全寬。如果火焰的溫度已知，則可以對(duì)和N進(jìn)行最小二乘擬合和光譜線的匹配計(jì)算，即可確定相應(yīng)組分的濃度。

在空氣中燃燒的火焰的吸收光譜的線型由于既有多普勒加寬二、激光吸收法激光吸收法可監(jiān)測(cè)燃燒組分:O2、CO、CO2、NO、NO2

、N2O、CH4和OH、HCO、HO2及其它碳?xì)浠衔?。為同時(shí)獲取溫度或其它參數(shù)以及對(duì)組分濃度測(cè)量結(jié)果同步比較，在采用激光吸收法時(shí)還采用其它方法(取樣等)，圖7.2.2給出一同時(shí)采用激光吸收法和快速取樣技術(shù)組分測(cè)量系統(tǒng)示意，用熱電偶測(cè)溫度。圖7.2.1

激光吸收法測(cè)量組分濃度系統(tǒng)示意圖圖7.2.2O2、CO、CO2、NO、N2O激光測(cè)量系統(tǒng)示意圖BS：分束器；PD：光電倍增管二、激光吸收法激光吸收法可監(jiān)測(cè)燃燒組分:O2、CO、CO2三、發(fā)射和吸收光譜法

發(fā)射吸收光譜法和激光吸收法相近，該方法需要同時(shí)測(cè)量目標(biāo)等的發(fā)射光譜和吸收光譜，然后通過發(fā)射光譜的分析確定組分的成分，通過對(duì)吸收光譜的分析確定各成分的濃度。anderhoff等人(1991)采用該方法對(duì)固體推進(jìn)劑火焰的組分及其濃度進(jìn)行了成功測(cè)量，其在吸收光譜的測(cè)量中采用了單色儀系統(tǒng)。三、發(fā)射和吸收光譜法發(fā)射吸收光譜法和激光吸收法相近，發(fā)射和吸收光譜法通過發(fā)射和吸收光譜的實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲取組分及其濃度的方法原理是：據(jù)玻爾茲曼分布理論，利用發(fā)射強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果可以計(jì)算處于激發(fā)態(tài)的分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)溫度，其中發(fā)射光譜線的強(qiáng)度可以表為：

(7.3.1)其中：“”和“”分別表示高能級(jí)和低能級(jí)，J和n分別為轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)量子數(shù)，C1為一常數(shù)，SJ’j”為轉(zhuǎn)動(dòng)譜線的強(qiáng)度，qv’v”為夫蘭克-康登因子(Franck-Condonfactor)，Vj’J”為躍遷頻率，F(xiàn)和G分別表示轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能量，TR’和TV’分別為轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)溫度。發(fā)射和吸收光譜法通過發(fā)射和吸收光譜的實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲取組分及其濃度若發(fā)射光譜線包含振動(dòng)帶，則TR’和TV’可通過計(jì)算得到。分子在基態(tài)的轉(zhuǎn)動(dòng)溫度可由吸收光譜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取。吸收光譜線的強(qiáng)度為：

(7.3.2)其中：C2為一常數(shù)。由上式對(duì)ln(Iabs/C2SJ’j”Vj’J”)和FJ”作圖，得斜率-hc/kTR”，可確定轉(zhuǎn)動(dòng)溫度。若吸收介質(zhì)的溫度及其分子的相關(guān)數(shù)據(jù)已知，則可由吸收光譜數(shù)據(jù)獲取絕對(duì)濃度。譜線的吸收峰可描述為：

(7.3.3)式中：L:吸收光學(xué)路徑，Dn:譜線帶寬，kn:吸收系數(shù)。三、發(fā)射和吸收光譜法

若發(fā)射光譜線包含振動(dòng)帶，則TR’和TV’可通過計(jì)算得到。分子考慮分子的參數(shù)以及峰值吸收與振動(dòng)躍遷的關(guān)系，上式可寫為：

(7.3.4)式中：NT:分子總濃度，

QT:配分函數(shù)，Bj”J’:愛因斯坦吸收系數(shù)。考慮分子的參數(shù)以及峰值吸收與振動(dòng)躍遷的關(guān)系，四、快速掃描紅外發(fā)射光譜方法需參考光源的火焰等溫度的測(cè)量法有:色溫法、空間掃描和頻譜掃描等，這些方法大都以點(diǎn)測(cè)量為主。隨著科研的深入和科技進(jìn)步，人們發(fā)展了獲取火焰熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)瞬時(shí)信息分布的光學(xué)診斷技術(shù)和方法，主要有：可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)；激光誘導(dǎo)熒光(LIF—LaserInductFluofrescence);相干反斯托克斯喇曼光譜(CARS)；傅立葉變換紅外光譜儀(FT-IS)(Best，1991)多波長(zhǎng)輻射光譜法(MWES)(Sivathanu等,1991)等。其中LIF和CARS

測(cè)量溫度和組分濃度有更高空間分辨率。四、快速掃描紅外發(fā)射光譜方法需參考光源的火焰等溫度的快速掃描紅外發(fā)射光譜方法LIF和CARS方法的缺點(diǎn)：需要有高能量的激光器作泵浦光源，系統(tǒng)龐大、復(fù)雜而且費(fèi)用昂貴。快速掃描紅外發(fā)射光譜方法LIF和CARS方法的缺點(diǎn)：FT-IR和MWES是測(cè)量火焰溫度和組分的較理想方法，他們的測(cè)量原理都是基于輻射-吸收光譜，需要外加激光光源。它主要是通過統(tǒng)計(jì)反演技術(shù)來獲取氣體組分濃度和溫度的。然而，利用發(fā)射光譜獲取火焰的溫度分布和濃度信息，不需要附加光源，其光學(xué)系統(tǒng)的準(zhǔn)直和數(shù)據(jù)的采集都比較直接和簡(jiǎn)單，其測(cè)量獲取的輻射信號(hào)是火焰燃燒組分的直接貢獻(xiàn)，因而更便于從輻射強(qiáng)度反演獲取組分濃度信息。紅外發(fā)射光譜法被認(rèn)為是獲取火焰溫度和組分濃度信息的最有前途的多參數(shù)測(cè)量方法。四、快速掃描紅外發(fā)射光譜方法FT-IR和MWES是測(cè)量火焰溫度和組分的較理想方法，他們美國(guó)NIST研制的一種快速掃描紅外光譜輻射計(jì)，應(yīng)用該機(jī)對(duì)層流氣體擴(kuò)散火焰的溫度和組分濃度實(shí)驗(yàn)測(cè)量，獲取的結(jié)果合理。美國(guó)NIST研制的一種快速掃描紅外光譜輻射計(jì)，應(yīng)用該機(jī)對(duì)層流該技術(shù)的硬件系統(tǒng)和算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)介：硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)用于同時(shí)獲取幾個(gè)（不少于四個(gè)）不同波長(zhǎng)處目標(biāo)的輻射強(qiáng)度，其一般包括：準(zhǔn)直、傳感器視場(chǎng)限定、分光和光譜輻射強(qiáng)度探測(cè)。準(zhǔn)直元件：一般有細(xì)長(zhǎng)管和狹縫、成像透鏡和反射鏡。前者的設(shè)計(jì)、加工以及準(zhǔn)直調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，但其輻射通量非常低，且不適合于大面積探測(cè)；而后者的設(shè)計(jì)雖需考慮其色差以及其精確準(zhǔn)直需借助狹縫實(shí)現(xiàn)，但其具有非常高的光通量和空間分辨率，可以配備線陣探測(cè)器，因而便于實(shí)現(xiàn)2-D測(cè)量。因此，在該技術(shù)中多采用后者。分光元件有：濾光片轉(zhuǎn)動(dòng)盤、分光光柵和棱鏡等。此三種元件分光的優(yōu)缺點(diǎn)見表7.4.1。分光光柵的光譜分辨率雖很高，但其光通量太低，不適于對(duì)火焰等的遠(yuǎn)距離測(cè)量，因而在該技術(shù)中一般采用棱鏡作為分光元件。四、快速掃描紅外發(fā)射光譜方法該技術(shù)的硬件系統(tǒng)和算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)介：四、快速掃描紅外發(fā)射光譜方法元件名稱優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)濾色輪設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、分離波長(zhǎng)精確、光通量最大、只能用于單象素探測(cè)濾色輪掃描的頻率有限(30Hz)、可動(dòng)部分的加工和制造復(fù)雜分光光柵無可動(dòng)部分、高光譜分辨率、可用于測(cè)量的波長(zhǎng)數(shù)目多設(shè)計(jì)和波長(zhǎng)的標(biāo)識(shí)復(fù)雜、光通量非常低、需要多象素探測(cè)器棱鏡無可動(dòng)部分、光通量相對(duì)較高、可測(cè)量波長(zhǎng)數(shù)目多設(shè)計(jì)和制造時(shí)需要非常精確地考慮其色散率、需要多象素探測(cè)器表7.4.1

幾種色散元件的比較四、快速掃描紅外發(fā)射光譜方法元件名稱優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)濾色輪設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、分離波長(zhǎng)精確探測(cè)元件常用單象素探測(cè)器、四象限探測(cè)器和線陣探測(cè)器。表7.4.2

幾種紅外探測(cè)元件的比較元件名稱優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)單象素探測(cè)器多種材料可供選擇、非常經(jīng)濟(jì)、高靈敏度只能和掃描頻率非常低的濾色輪配套使用四象限探測(cè)器可以和成像透鏡配合使用、多種材料的探測(cè)元件可供選擇、可用濾光片代替分光元件設(shè)計(jì)時(shí)需要散焦透鏡、波長(zhǎng)數(shù)最多為四個(gè)線陣探測(cè)器高頻、多波長(zhǎng)、高光譜分辨率昂貴、探測(cè)器可選材料有限、光學(xué)設(shè)計(jì)非常復(fù)雜探測(cè)元件常用單象素探測(cè)器、四象限探測(cè)器和線陣探測(cè)器。元件名稱四、快速掃描紅外發(fā)射光譜方法右圖是NIST研制的2-D成像光譜輻射測(cè)量系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)示意圖。系統(tǒng)包括兩個(gè)光學(xué)子系統(tǒng)，一個(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)和一個(gè)棱鏡分光系統(tǒng)。在望遠(yuǎn)系統(tǒng)和分光系統(tǒng)之間有一狹縫，以消除雜散光的影響。經(jīng)分光系統(tǒng)的單色光再經(jīng)成像透鏡LENS4后投射到線陣探測(cè)器。采用一12bit圖象捕獲卡與線陣探測(cè)器相聯(lián)。線陣探測(cè)元件為FLIRSystem公司生產(chǎn)的320244硅摻鉑(PtSi)線陣攝像頭，采用斯特林冷卻。

圖7.4.1

2-D成像光譜輻射計(jì)示意圖四、快速掃描紅外發(fā)射光譜方法右圖是NIST研制的2-D成像光該技術(shù)的算法實(shí)現(xiàn)采用了反演算法。算法主要包括兩方面的內(nèi)容：利用最大似然估計(jì)理論，從路徑積分輻射強(qiáng)度(pathintegratedintensities)中反演獲取局部輻射強(qiáng)度；由局部輻射強(qiáng)度的反演值，應(yīng)用RADCAL(Grosshandler,1980)迭代算法程序獲取溫度和氣體組分濃度的空間分布。圖7.4.2

軸對(duì)稱流中平行路徑劃分示意圖五、反演方法該技術(shù)的算法實(shí)現(xiàn)采用了反演算法。算法主要包括兩方面

設(shè)層流火焰沿平行路徑可分為三個(gè)均勻?qū)?，其中最外層路徑只包含一個(gè)均勻?qū)樱渎窂介L(zhǎng)度為S11（如圖7.4.2所示）。設(shè)均勻?qū)拥陌l(fā)射強(qiáng)度和透過率分別為I11和11，則沿該路徑I1的積分發(fā)射強(qiáng)度等于I11（這里上標(biāo)表示不同路徑，下標(biāo)表示不同的劃分層）。第二個(gè)路徑包含了三個(gè)均勻?qū)?，其路徑長(zhǎng)度為S12、S22和S32，其相應(yīng)的發(fā)射強(qiáng)度可表為I12、I22和I32、透過率可表為12、22和32。對(duì)任一路徑N，其將包含2N+1個(gè)均勻?qū)印Ｓ谑?，路徑積分發(fā)射強(qiáng)度可以表示為：

(7.4.1)反卷積法是一種建立在Vardi和Lee的最大似然估計(jì)理論基礎(chǔ)上的迭代算法。局部發(fā)射強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值和均勻?qū)拥耐高^率一起按上式被用于向前卷積。設(shè)層流火焰沿平行路徑可分為三個(gè)均勻?qū)?，其中最外五、反演方?/p>

反卷積法是一種建立在Vardi和Lee的最大似然估計(jì)理論基礎(chǔ)上的迭代算法。首先，局部發(fā)射強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值和均勻?qū)拥耐高^率一起按上式被用于向前卷積。在向前卷積的過程中，相鄰?fù)ǖ赖陌l(fā)射強(qiáng)度和均勻?qū)拥耐高^率在軸坐標(biāo)上具有如下關(guān)系：IIN=(IIN-1)(SiN/SiN-1)=IN+1N(7.4.2)IN=(IN-1)(SiN/SiN-1)=N+1N(7.4.3)

五、反演方法反卷積法是一種建立在Vardi和Lee設(shè)得到的路徑積分測(cè)量值的總數(shù)目為M。然后利用強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值，根據(jù)式(7.4.1)，由路徑積分強(qiáng)度的不同測(cè)量值得到M的解。預(yù)測(cè)值的修正如下：

(7.4.4)這里Xii是M個(gè)通道的每個(gè)中間層的強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值，k是迭代次數(shù)。XI是利用等式(7.4.1)的向前卷積得到的第Ith個(gè)通道的通道積分強(qiáng)度，而Ii是路徑積分強(qiáng)度的測(cè)量值。Eij是第jth個(gè)均勻?qū)訉?duì)第i個(gè)路徑的積分強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。對(duì)M個(gè)中的每一個(gè)路徑來說，如果有兩個(gè)均勻?qū)泳哂邢嗤陌l(fā)射強(qiáng)度，則Eij可由下式得到：

Eij=+(7.4.5)設(shè)得到的路徑積分測(cè)量值的總數(shù)目為M。然后利用強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值，TJ是每個(gè)路徑對(duì)第M個(gè)路徑積分強(qiáng)度貢獻(xiàn)的總和：

Tj=7.4.6)在向前迭代過程中Xi，Eij和Tj的值可以算出，再用等式(7.4.4)可得到發(fā)射強(qiáng)度Xii的預(yù)測(cè)值的修正值。該算法大約迭代20次即可得到有效值。當(dāng)測(cè)量和計(jì)算得到的強(qiáng)度的差L2L2=(7.4.7)小于0.001時(shí)，迭代結(jié)束。對(duì)圖7.4.2路徑積分強(qiáng)度測(cè)量所獲得的局部發(fā)射強(qiáng)度如CO2和H2O的峰值大致處在相同的位置，而CH4的峰值更接近火焰中心。這是因?yàn)镃H4只在火焰的富燃料區(qū)存在。在第一階段，這種反卷積運(yùn)算法則忽略了自吸收。由反卷積得到局部輻射強(qiáng)度后，由此可得到溫度的空間分布和氣體組分的濃度，這要利用一種與RADCAL程序相關(guān)的迭代算法。一旦局部濃度和溫度得到了，那么局部吸收系數(shù)也就可以計(jì)算出來了。圖7.4.3

反演算法得局部發(fā)射強(qiáng)度五、反演方法TJ是每個(gè)路徑對(duì)第M個(gè)路徑積分強(qiáng)度貢獻(xiàn)的總和：圖7.4.3五、反演方法由收斂的局部發(fā)射強(qiáng)度，并考慮自吸收，得到的局部氣體濃度和溫度如圖7.4.4所示。上部分是通過局部發(fā)射強(qiáng)度得到的溫度。整個(gè)數(shù)據(jù)可用一條二次曲線來擬合。從所得溫度可知這是典型的層流擴(kuò)散火焰。圖7.4.4下部給出了主要?dú)怏w（水蒸氣和二氧化碳）濃度。普渡大學(xué)用氣體色譜儀在近似層流擴(kuò)散火焰中也曾得到類似結(jié)果。然而，由IR發(fā)射光譜得到的濃度曲線的輪廓比用氣體色譜儀得到的要寬，因后者的測(cè)試對(duì)象為混合流動(dòng)(co-flow)與火焰是不同的；另外通過黑體校準(zhǔn)的精度僅為20%。

CO2和H2O的峰值同樣以2的因子降低。造成這種差別有兩個(gè)可能：在照相機(jī)前面用成像的光學(xué)器件，在波長(zhǎng)位置產(chǎn)生10%的扭曲。普渡得到的光譜圖像就忽略了這點(diǎn)，在4.3μm處光譜被移動(dòng)約40nm。這個(gè)偏移導(dǎo)致得到的溫度有50K誤差，并導(dǎo)致濃度50%的縮減。因此，需要采用窄帶濾光片對(duì)每一象素的波長(zhǎng)進(jìn)行標(biāo)定，以解決因波長(zhǎng)移動(dòng)而引起的圖像扭曲。另一個(gè)原因可能是在4.5μm微米處成像分光計(jì)的光譜分辨率不足。目前的程序是假定每個(gè)像素接受的都是單色輻射。而每個(gè)像素看到的波長(zhǎng)存在一個(gè)寬度。用窄波過濾的波長(zhǎng)校準(zhǔn)執(zhí)行時(shí)，會(huì)變得很明顯。圖7.4.4

由反演算法得到的火焰局部特性參數(shù)五、反演方法由收斂的局部發(fā)射強(qiáng)度，并考慮自吸收，得六、其它方法近年發(fā)展的四波長(zhǎng)混合(DegenerateFour-waveMixing,DFWM)技術(shù)，用以測(cè)量火焰燃燒組分的濃度。如利用DFWM技術(shù)對(duì)H2/空氣預(yù)混火焰的OH、S2和其它硫化物成分進(jìn)行了成功測(cè)量。該方法的實(shí)驗(yàn)裝置與三維相位匹配或前向Boxcars相似，泵浦光束與平面成一小角度(約1)，兩束泵浦光的強(qiáng)度約占總激光強(qiáng)度的45%。相干信號(hào)一般需采用一透鏡(30mm)和一針孔(50μm)進(jìn)行濾波后由光電倍增管(PMT)進(jìn)行探測(cè)，且相干光束偏移采用透鏡進(jìn)行校正。DFWM信號(hào)與激光能量比的測(cè)量結(jié)果被用來確定觀測(cè)到的躍遷飽和度(I/ISAT1)。研究發(fā)現(xiàn)DFWM信號(hào)與粒子數(shù)差N以及分子躍遷的線強(qiáng)Bij的平方成正比?？紤]火焰燃燒組分，有N(v”,J”)>>N(v’,J’)，故可用基態(tài)的粒子數(shù)N代替

N，可得DFWM信號(hào)與相應(yīng)組分濃度之間的關(guān)系：IDFWM[BijN(v”,J”)]2(7.5.1)六、其它方法近年發(fā)展的四波長(zhǎng)混合(Degenerate可用于組分濃度測(cè)量的方法還有拉曼散射、瑞利散射、激光誘導(dǎo)熒光(LIF)和激光誘導(dǎo)分離法(LaserInducedBreakdownSpectroscopy,LIBS)。表7.5.1幾種組分測(cè)量方法的比較方法空間分辨率時(shí)間分辨率測(cè)量精度*適用情況拉曼散射1mm<1ms5%弱信號(hào)、多組分瑞利散射1mm<1ms5%清潔環(huán)境LIF1mm<1ms5%淬火CARS2mm<1ms5%中等尺度煙炱，復(fù)雜數(shù)據(jù)處理LIBS2mm100ms5%金屬或毒性氣體可用于組分濃度測(cè)量的方法還有拉曼散射、瑞利散射、激光誘導(dǎo)熒光基于TDLAS的火災(zāi)氣體探測(cè)

早期特征氣體的探測(cè)已成為火災(zāi)探測(cè)技術(shù)中發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。將可檢測(cè)極低濃度的氣體的TDLAS（可調(diào)諧二極管激光吸收光譜）技術(shù)應(yīng)用于極早期火災(zāi)氣體產(chǎn)物的檢測(cè)是一個(gè)新的嘗試。該技術(shù)可以對(duì)氣體實(shí)現(xiàn)高靈敏度探測(cè)，并可以避免其它氣體組分的干擾。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中分別選擇中心波長(zhǎng)為1578.67nm和1579.57nm的近紅外吸收譜線，實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)早期特征氣體CO和CO2的高靈敏探測(cè)。

基于TDLAS的火災(zāi)氣體探測(cè)早期特征氣體的探測(cè)已成為火災(zāi)探TDLAS火災(zāi)氣體探測(cè)系統(tǒng)原理

TDLAS是利用半導(dǎo)體激光器的可調(diào)諧性進(jìn)行光譜測(cè)量的一種技術(shù)，利用待測(cè)氣體分子的一條孤立的吸收譜線進(jìn)行吸收光譜測(cè)量。TDLAS調(diào)制方式有：直接吸收光譜、波長(zhǎng)調(diào)制光譜（WMS）頻率調(diào)制光譜(FMS)。

波長(zhǎng)調(diào)制光譜(WMS)技術(shù)，對(duì)比于頻率調(diào)制光譜(FMS)技術(shù)，靈敏度可以滿足火災(zāi)氣體探測(cè)的要求，費(fèi)用低；對(duì)比直接吸收光譜測(cè)量，波長(zhǎng)調(diào)制光譜可更好抑制測(cè)量過程中的噪聲，數(shù)據(jù)處理算法簡(jiǎn)單。

強(qiáng)度為I0，頻率為的單色激光，通過長(zhǎng)度為L(zhǎng)的吸收介質(zhì)后，在接收端測(cè)得的強(qiáng)度為I，遵循Lambert-Beer定律。

TDLAS火災(zāi)氣體探測(cè)系統(tǒng)原理TDLAS是利用半導(dǎo)體激光器TDLAS火災(zāi)氣體探測(cè)系統(tǒng)原理

I（）=I0（）exp(-()NL)(1)其中:()為氣體分子中心吸收截面，N為氣體的摩爾濃度。當(dāng)激光的中心頻率c受到振幅為頻率為的調(diào)制波調(diào)制時(shí)，頻率可表示為：(2)將(1)式用的余弦傅立葉級(jí)數(shù)可以寫為：(3)(4)其中

理想情況下I0不是頻率的函數(shù)，在測(cè)痕量氣體時(shí)，N為一極小值，因此，(4)式近似寫成：

(5)因此，n次諧波分量與痕量氣體濃度成正比。TDLAS火災(zāi)氣體探測(cè)系統(tǒng)原理I（）=I0（）expTDLAS火災(zāi)氣體探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

調(diào)節(jié)并控制二極管激光器溫度，使激光器的中心頻率等于要檢測(cè)的火災(zāi)特征氣體的某條吸收譜線中心波長(zhǎng)。以50Hz的頻率調(diào)制激光器控制電流，來調(diào)諧激光器輸出波長(zhǎng)，對(duì)氣體吸收譜線連續(xù)掃描。用計(jì)算機(jī)記錄并處理鎖相放大器測(cè)得的n次諧波分量，得到吸收譜線的諧波譜，譜線的幅度正比于氣體的濃度。出氣進(jìn)氣2f多次反射吸收池鋸齒波掃描電路激光器溫度和電流控制系統(tǒng)高頻調(diào)制電路探測(cè)器鎖相放大器信號(hào)處理系統(tǒng)圖1TDLAS火災(zāi)氣體探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖f二極管激光器Fig.1FiregasdetectionsystemwithTDLASTDLAS火災(zāi)氣體探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)并控制二TDLAS火災(zāi)氣體探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由式(5)知，通過測(cè)得譜線與標(biāo)定氣體的譜線進(jìn)行比較，得到