CN102183316B - 可调谐半导体激光吸收光谱温度实时监测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可调谐半导体激光吸收光谱温度监测仪，红外激光束穿过温度待测区域，利用该区域中水汽的特征吸收光谱来实时获得测量区域的温度。本发明通过单模光纤传输发射激光，经准直扩束后穿过待测温区，再接收耦合到多模光纤，由光电探测器接收转化为电信号，采集处理反演出温度。
Description
技术领域
本发明涉及温度监测仪器领域，尤其是一种适用于燃烧现场环境的可调谐半导体激光吸收光谱温度实时监测仪。
背景技术
温度是燃烧效率衡量的最重要的参数之一，温度的测量在工业燃烧锅炉的燃烧效率优化和废气排放控制、发动机燃烧状态诊断控制等领域都占据及其重要的地位。近年来，我国为改善燃烧状况对燃烧器等做了大量改造工作，但燃烧监测技术仍是相对落后的环节。燃烧状态的监测以及新的燃烧模型建立和验证，都急需要相应的技术手段来提供燃烧场区的温度及CO、CO2、O2和NOx浓度等参数的实时准确测量。因而，燃烧温度的准确实时在线监测对燃烧优化和燃烧控制具有重要的意义。
现有的温度测量方法总体分为两类：接触式和非接触式。接触测温中广泛应用的为热电偶、黑体腔式热辐射高温计。热电偶利用两种不同导体或半导体组成的回路两端节点在不同温度环境下分别达到局域热平衡是的热电势，通过标定来测温，这种测量装置比较简单易于操作，但对氧化、还原气氛有特殊要求，存在老化更换问题；黑体腔式热辐射高温计利用耐温蓝宝石单晶光纤作基体材料在端部涂覆金属膜构成黑体腔，在和火焰达成局域热平衡时，利用黑体腔内的自发热辐射采用双色测温法测量当地温度；以上两种接触式测量均为点式侵入测量，场测量需要多点分布，实际中存在困难且会对燃烧场区造成影响，同时局域热平衡的要求也限制了其响应的速度。
燃烧温度场，特别是对瞬态燃烧温度场，接触式测量会打乱温度长的初始分布，而且接触式测量响应速度较慢，不能实现温度场的实时测量。而且对于有较高流速的燃烧气体温度场，接触式测量会因气体冲击转换的热能而温度升高，测量为总温而不是温度场的静温。因而需要发展具有较好瞬态响应特性的非接触式温度测量技术。
传统的非接触测温分为两种：一是通过燃烧介质的热力学性质参数测温，如声学法；二是利用火焰辐射特性用光学法测温(亮度法，全辐射法，比色法)；声学法测温利用声波在介质中传播速率随气体温度变化来求解温度或温度场，测温基于理想气体假设，所测火焰温度为路径平均温度，实际燃烧环境的粉尘颗粒浓度、粒径分布、气流等影响需要进行建模并对测量作出相应修正，使其普适性和精度受到很大影响。辐射测温以黑体辐射定律、普朗克定律、维恩位移定律、斯特藩-波尔兹曼定律为基础，因实际物体均不是黑体，辐射测温受实际物体发射率的影响。全辐射测温仪、亮度测温仪、比色测温仪分别通过接收目标全光谱范围总辐射、测量目标在给定波长附近一窄带光谱内的辐射亮度、两个波段内单色辐射能量比值来确定目标温度。其中全辐射测温受发射率影响大，响应慢，精度不高，测温范围较小；亮度测温测量精度相对要高，仅适用于高温测量；比色法测量误差较小，但受光路上尘埃、烟雾影响，要保证两波段的辐射吸收率相近，所选波长如在光路上存在组分的选择性吸收会产生较大误差。
新发展的非接触激光光谱测温，如瑞利散射(RS)光谱，拉曼光谱和相干反斯托克斯拉曼散射光谱法(CARS)，平面激光诱导荧光发(PLIF)及吸收光谱法(AS)。激光光谱测温除瑞利散射光谱外，总体来说是基于波尔兹曼分布的，不同温度下不同能级的布居数不同。拉曼光谱测温通过测量入射光垂直或其他方向分子对入射激光的散射，通过拉曼散射光强度分布对温度进行测量。CARS方法测温，对热平衡***，特定温度对应特定强度的相干反斯托克斯光，确定其强度来测温。PLIF方法测温用激光束激励原子或分子到激发态，在垂直激光束方向收集由不稳定激发态向低能级自发辐射产生的荧光，利用波尔兹曼分数和温度的关系进行温度测量，PLIF方法可以实现面的温度场瞬时成像。CRRS和PLIF方法测量精度相对较高，但两者光学结构复杂，信号调节和处理困难，光源功率要求高，不适宜实际的工业环境应用。
AS方法，利用气体在红外光谱区的特征吸收，采用双线或多条吸收线来给出温度信息，测量精度相对CARS和PLIF方法要略低。测量温度为路径平均意义下的静温，通过多条路径的测量结合CT算法可以给出温度场的分布。窄线宽的可调谐半导体激光器光源的迅速发展，推动了高分辨吸收光谱技术的发展，即可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术。国外已经在上世纪80年代即开展了TDLAS气体检测方法研究，TDLAS燃烧监测已成功应用于工业燃烧锅炉和发动机诊断。国内TDLAS燃烧监测则处于起步状态。TDLAS测温***实现简单，光纤发射和耦合方式使***容易适应测量环境和小型化。对其他测量环境气体组分没有特殊要求，不受其他气体成分及其变化的干扰，仅要求光路所需的光学发射和接收窗口，具备一定的抗粉尘、烟雾干扰能力，能够实现非侵入的实时在线温度监测，具有工业环境应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种可调谐半导体激光吸收光谱温度监测仪，以实现基于吸收光谱法对燃烧现场的非侵入式温度测量。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
可调谐半导体激光吸收光谱温度监测仪，包括有机箱，其特征在于：所述机箱中设置有红光激光器和DFB激光器，以及将红光激光器和DFB激光器的出射光合束的光合束器，所述机箱中还设置有信号发生模块，以及分别与所述信号发生模块电连接的激光器温度电流控制模块、锁相放大器，所述激光器温度电流控制模块输出端与所述DFB激光器的温度控制端电连接，所述信号发生模块的输出端分别与激光器温度电流控制模块的输入端、锁相放大器的输入端电连接，所述机箱箱壁上安装有与所述光合束器出光口通过光纤连接的FC/PC法兰、输出端与锁相放大器的输入端电连接的光电探测器，位于机箱外设置有一端接入所述FC/PC法兰上引出红光激光器和DFB激光器的合束光的单模光纤，所述单模光纤另一端接有对准待测温区域一侧的扩束准直器，位于机箱外还设置有对准待测温区域另一侧的接收望远镜，所述接收望远镜输出端通过多模光纤与所述光电探测器输入端连接，所述单模光纤的出射光经过待测温区域后被接收望远镜接收。
所述的可调谐半导体激光吸收光谱温度监测仪，其特征在于：所述扩束准直器、接收望远镜同光轴设置。
所述的可调谐半导体激光吸收光谱温度监测仪，其特征在于：所述机箱箱壁上还安装有与所述锁相放大器的输出端、信号发生模块的输出端电连接的采集卡信号端口。
所述的可调谐半导体激光吸收光谱温度监测仪，其特征在于：所述机箱内设置有给机箱内各用电单元供电的直流稳压电源，机箱箱壁上还安装有与直流稳压电源电连接的交流电插头。
所述的可调谐半导体激光吸收光谱温度监测仪，其特征在于：所述机箱箱壁上安装有向机箱内部送风的风扇。
所述的可调谐半导体激光吸收光谱温度监测仪，其特征在于：所述接收望远镜中设置有窄带滤光片。
本发明提供了一种可调谐半导体激光吸收光谱温度监测仪，设计了可实际应用于燃烧场、含有水汽温度场区的实时在线的非侵入式温度精确测量。激光经单模光纤出射准直扩束后穿过待测温区域，由接收望远镜耦合到多模光纤后将信号传回到外部的数据采集及处理部分，光电探测器接收后转换为电信号进行处理反演温度。单激光器扫描水汽的两条特征吸收线，在待测场区温度下的吸收中包含了温度信息，用于温度测量。本发明中，待测温区域现场只要求发射和接收的小光学窗口，以安装扩束准直器和接收望远镜即可。本发明对场区粉尘、烟雾等的抵抗能力使本发明容易应用于燃烧场区，包括场区中存在流速的实时在线非侵入的温度精确测量。
本发明利用近红外可调谐半导体激光吸收光谱技术，结合适用于现场环境的光纤耦合技术，利用波长调制技术，探测带有气体吸收信息的谐波信号，采集处理后反演温度。可调谐半导体激光吸收光谱的高分辨性，使其容易通过仔细的吸收线选取消除其它环境气体成分的干扰；采用波长调制技术，能有效消除低频噪声的干扰，因而对测量环境的低频背景辐射不敏感，测量结果不会受到背景辐射及其波动的影响；由于温度反演利用的是吸收线强度比值随温度变化，因而测量光路中的粉尘、烟雾等对激光传输带来的散射等衰减影响因素在做吸收强度比值时将被消去，只要接收信号的强度信噪足够，不会对测量造成影响，使得本技术方案具有一定的抗粉尘干扰能力。
本发明只需要在待测温区域现场设置发射和接收的光学观察窗，因光学非接触的特点，不会对测量区域造成影响；***采用光纤传输方式，使得本发明监测仪和外部的数据采集及处理部分可以和待测温区域现场分离放入到远离待测温区域现场的控制室；本发明能够用于含粉尘的燃烧场、有一定流速的测量环境的实时在线温度测量。
附图说明
图1为本发明结构***框图。
图2为所选取的水汽红外特征吸收线强比值随温度的变化。
图3为所选取的水汽红外特征吸收在不同温度下的二次谐波信号。
具体实施方式
如图1所示。可调谐半导体激光吸收光谱温度实时监测仪，包括有机箱2，机箱2中设置有红光激光器6和DFB激光器7，以及将红光激光器6和DFB激光器7的出射光合束的光合束器8，机箱2中还设置有信号发生模块16，以及分别与信号发生模块16电连接的激光器温度电流控制模块5、锁相放大器15，激光器温度电流控制模块5输出端与DFB激光器7的温度控制端电连接，信号发生模块16的输出端分别与激光器温度电流控制模块5的输入端、锁相放大器15的输入端电连接，机箱2箱壁上安装有与光合束器8出光口通过光纤连接的FC/PC法兰10、输出端与锁相放大器15的输入端电连接的光电探测器9，位于机箱2外设置有一端接入FC/PC法兰10上引出红光激光器6和DFB激光器7的合束光的单模光纤20，单模光纤20另一端接有对准处于外场区域21的待测温区域23一侧的扩束准直器22，位于机箱2外还设置有对准处于外场区域21的待测温区域23另一侧的接收望远镜25，接收望远镜25输出端通过多模光纤26与光电探测器9输入端连接，单模光纤20的出射光经过待测温区域后被接收望远镜25接收。
扩束准直器22、接收望远镜25同光轴设置。机箱2箱壁上还安装有与锁相放大器15的输出端、信号发生模块16的输出端电连接的采集卡信号端口11。机箱2内设置有给机箱2内各用电单元供电的直流稳压电源4，机箱2箱壁上还安装有与直流稳压电源4电连接的交流电插头3。机箱2箱壁上安装有向机箱2内部送风的风扇17。接收望远镜25中设置有窄带滤光片24。
机箱外部设置有工控机13，机箱和工控机共同放入控制室1中。工控机13的采集卡12与机箱箱壁上的采集卡信号端口连接以接收信号，工控机13外接显示器14以显示数据。机箱箱壁上还安装有红光激光器开关18和机箱总开关19。
本发明利用水汽和频跃迁v1+v3带在1.4μm附近的比较靠近的一对吸收线线强比值随温度单调变化来反演温度。因选择的吸收线比较靠近，可以采用单个半导体激光器实现两个吸收线的扫描。由激光器温度电流控制模块5控制DFB激光器7的基准工作状态，通过激光器工作温度和激光器基本偏置电流的调节来改变激光器的出光中心波长。信号发生模块16产生的锯齿信号和高频正弦信号叠加到DFB激光器7的偏置电流上，锯齿信号周期性的改变激光器的注入电流大小实现周期性的波长扫描，这样重复扫描过所选的两条吸收线。在此基础上叠加的正弦信号对电流进行高频调制，实现对激光器出光波长的调制(同时产生了强度调制)。DFB激光器7和红光激光器6的出射光经光合束器8合成为一束光出射，红光用于外光路的辅助调制。合束后的出射光经***机箱2的FC/PC法兰接头10耦合到单模光纤21中，在扩束准直器22扩束后发射，穿过待测温区域23。经待测温区域23中水汽吸收后的激光由接收望远镜25耦合到多模光纤26中，将激光传输回控制室1，其中窄带滤光片24为选用测温的红外波段的带通滤光片，置于接收望远镜25内，用来过滤去除待测温区域23中存在的辐射背景，防止光电探测器9饱和，同时辐射背景的过滤也提高了信噪；光电探测器9将光信号转换为电信号送入锁相放大器15，信号发生模块16同时将与叠加到DFB激光器7上正弦信号的同频正弦信号送入到锁相放大器15作频率参考，锁相放大器15解调出信号中的两倍参考频率的谐波信号分量，即二次谐波信号(如图3所示)。信号发生模块16提供的与锯齿信号同步的触发信号和二次谐波信号一起经采集卡信号端口11进入工控机13的采集卡12，由程序控制采集卡12的采集，采集原始信号进行平均处理后提取光谱信息得到所选两条吸收线强度的比值(如图2所示)，从而反演出温度。
反演结果在显示器14软件界面上显示。初始光路调节时，打开红光激光器开关18，利用红光调整扩束准直器22，接收望远镜25使其同轴；然后关闭红光激光器开关18，利用红外光和光电探测器探测器信号或者红外光功率计作进一步调节。
如图2所示。图2为测温所选水汽吸收线线强比值随温度的变化曲线。线强比值为温度的单调函数，实际测得线强比值即可用来反演温度。
如图3所示。图3为不同温度下所选两条水汽吸收线(分别标记为line1，line2)的二次谐波信号，图中已按其中的一条吸收线line1中心波长处的幅值(即为二次谐波的峰值)对二次谐波进行了归一化。
Claims (5)
1.可调谐半导体激光吸收光谱温度实时监测仪，包括有机箱，其特征在于：所述机箱中设置有红光激光器和DFB激光器，以及将红光激光器和DFB激光器的出射光合束的光合束器，所述机箱中还设置有信号发生模块，以及分别与所述信号发生模块电连接的激光器温度电流控制模块、锁相放大器，所述激光器温度电流控制模块输出端与所述DFB激光器的温度控制端电连接，所述信号发生模块的输出端分别与激光器温度电流控制模块的输入端、锁相放大器的输入端电连接，所述机箱箱壁上安装有与所述光合束器出光口通过光纤连接的FC/PC法兰、输出端与锁相放大器的输入端电连接的光电探测器，位于机箱外设置有一端接入所述FC/PC法兰上引出红光激光器和DFB激光器的合束光的单模光纤，所述单模光纤另一端接有对准待测温区域一侧的扩束准直器，位于机箱外还设置有对准待测温区域另一侧的接收望远镜，所述接收望远镜输出端通过多模光纤与所述光电探测器输入端连接，所述单模光纤的出射光经过待测温区域后被接收望远镜接收；所述机箱箱壁上还安装有与所述锁相放大器的输出端、信号发生模块的输出端电连接的采集卡信号端口。
2.根据权利要求1所述的可调谐半导体激光吸收光谱温度实时监测仪，其特征在于：所述扩束准直器、接收望远镜同光轴设置。
3.根据权利要求1所述的可调谐半导体激光吸收光谱温度实时监测仪，其特征在于：所述机箱内设置有给机箱内各用电单元供电的直流稳压电源，机箱箱壁上还安装有与直流稳压电源电连接的交流电插头。
4.根据权利要求1所述的可调谐半导体激光吸收光谱温度实时监测仪，其特征在于：所述机箱箱壁上安装有向机箱内部送风的风扇。
5.根据权利要求1所述的可调谐半导体激光吸收光谱温度实时监测仪，其特征在于：所述接收望远镜中设置有窄带滤光片。
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