《燃烧诊断技术》PPT课件.ppt

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1、第一节第一节 光学方法光学方法n激光测量技术、全息干涉测量技术、红外激光测量技术、全息干涉测量技术、红外辐射及颜色定量测量技术和基于辐射及颜色定量测量技术和基于CCD的三的三基色测量技术。基色测量技术。一、激光测量技术一、激光测量技术n激光的特点激光的特点n激光测量技术可分为三种方法：激光诱导激光测量技术可分为三种方法：激光诱导荧光法（荧光法（LIF）、自发拉曼散射法（）、自发拉曼散射法（SRS）和相干反斯托克斯光谱法（和相干反斯托克斯光谱法（CARS）。）。nLIF通过高能量的脉冲激光器激发标志分子通过高能量的脉冲激光器激发标志分子的荧光，应用强度开启的荧光，应用强度开启CCD相机，通过适相

2、机，通过适当选择标志分子，可以获得流体定量参数当选择标志分子，可以获得流体定量参数的二维图形。根据图形得到有关标志分子的二维图形。根据图形得到有关标志分子浓度的定性测量和随时间变化的扰动，来浓度的定性测量和随时间变化的扰动，来研究燃烧过程。研究燃烧过程。n在实际测量时，在实际测量时，LIF图像所能感受的燃烧参图像所能感受的燃烧参数包括温度、组分浓度、速度、压力和密数包括温度、组分浓度、速度、压力和密度。一旦获得这种度。一旦获得这种2D场测量参数，即可计场测量参数，即可计算其它量。算其它量。n荧光测温技术具有测温范围宽、测量精度荧光测温技术具有测温范围宽、测量精度高、重复性好等特点。高、重复性好

3、等特点。n必须解决材料和耦合问题。必须解决材料和耦合问题。n采用采用LIF技术是获取被激激光照射的粒子的技术是获取被激激光照射的粒子的诱发荧光，对实验条件要求较高，实验系诱发荧光，对实验条件要求较高，实验系统较复杂。统较复杂。n拉曼散射被证明有可能是唯一一种可以同拉曼散射被证明有可能是唯一一种可以同时测量燃烧系统气体种类（时测量燃烧系统气体种类（N2、O2、CO2、H2O、CO、H2、CH4）和温度的光学诊）和温度的光学诊断技术。断技术。n激光拉曼散射诊断技术的一个重要特点是激光拉曼散射诊断技术的一个重要特点是具有很高的空间和时间分辨率。因此，自具有很高的空间和时间分辨率。因此，自发拉曼散射技

4、术目前已广泛用于发拉曼散射技术目前已广泛用于“清洁清洁”火火焰的燃烧研究中。焰的燃烧研究中。nCARS法测量原理为：当两束频率为法测量原理为：当两束频率为p和和s的高能激的高能激光束（泵浦光束（泵浦Pump和斯托克斯和斯托克斯Stokes激光束）聚焦在激光束）聚焦在一点，入射到被测介质中时，通过分子中的非线性一点，入射到被测介质中时，通过分子中的非线性过程互相作用产生第过程互相作用产生第3束类似于束类似于CARS光束的偏振光，光束的偏振光，其频率为其频率为R。如果。如果R=2p-s正好是分子的某一共振正好是分子的某一共振谱线，且满足非线性光学中的相位匹配条件，那么谱线，且满足非线性光学中的相位

5、匹配条件，那么R频率的光会极大地增强。用这一信号就可以对燃频率的光会极大地增强。用这一信号就可以对燃烧组分成分进行鉴别。最后，通过对检测光谱与已烧组分成分进行鉴别。最后，通过对检测光谱与已知其温度的理论光谱的比较，就可以得到燃烧温度。知其温度的理论光谱的比较，就可以得到燃烧温度。通过与配置的标准浓度的光谱的比较，可得气体组通过与配置的标准浓度的光谱的比较，可得气体组分的浓度。要执行这些反复迭代的最小二乘法计算分的浓度。要执行这些反复迭代的最小二乘法计算程序，还需要具备相当的计算能力，这就是程序，还需要具备相当的计算能力，这就是CARS法。法。n与自发拉曼散射不同，同一时间与自发拉曼散射不同，同

6、一时间CARS通常通常只能测量一种组分（除了只能测量一种组分（除了N2、CO、CO2与与O2以外）。为了克服此局限性，同时测量以外）。为了克服此局限性，同时测量多组分，可用多色多组分，可用多色CARS技术。这时技术。这时CARS信号位于反斯托克斯区，要产生波混合的信号位于反斯托克斯区，要产生波混合的各种组合，每一种需要单独的相位匹配。各种组合，每一种需要单独的相位匹配。n在激光技术中，在激光技术中，CARS是唯一可用于实际含是唯一可用于实际含尘燃烧系统中的燃烧温度与组分浓度分布尘燃烧系统中的燃烧温度与组分浓度分布非接触式激光诊断技术。非接触式激光诊断技术。二、全息干涉测量技术二、全息干涉测量技

7、术n全息术的原理是全息术的原理是“干涉记录、衍射重现干涉记录、衍射重现”，其，其最成功、最广泛的应用之一是在干涉计量方面。最成功、最广泛的应用之一是在干涉计量方面。n按记录方式不同，可分为双曝光全息干涉法、按记录方式不同，可分为双曝光全息干涉法、实时全息干涉法、时间平均全息干涉法（连续实时全息干涉法、时间平均全息干涉法（连续曝光法）、双波长全息干涉法、多次曝光全息曝光法）、双波长全息干涉法、多次曝光全息干涉法、波前错位全息干涉法及多通道全息干干涉法、波前错位全息干涉法及多通道全息干涉法等。最为常用的是双曝光法和实时法。涉法等。最为常用的是双曝光法和实时法。n双曝光全息干涉法：将来自激光器的光束

8、双曝光全息干涉法：将来自激光器的光束分成两路光束，他们分别进行扩束和准直分成两路光束，他们分别进行扩束和准直后重新汇聚在全息干板上。其中一束穿过后重新汇聚在全息干板上。其中一束穿过被测物场，为物光束；另一束为参考光束。被测物场，为物光束；另一束为参考光束。参考光束与物光束相干，在全息干板上记参考光束与物光束相干，在全息干板上记录下物光全息信息。全息干板经两次曝光，录下物光全息信息。全息干板经两次曝光，每一次曝光记录一个物光波。第一次曝光每一次曝光记录一个物光波。第一次曝光时物场是均匀的，即没有待测物场；第二时物场是均匀的，即没有待测物场；第二次曝光时物光穿过待测物场。次曝光时物光穿过待测物场。

9、n实时全息干涉法：首先记录一张位相物体实时全息干涉法：首先记录一张位相物体未变化时物光波标准波面的全息图。经显未变化时物光波标准波面的全息图。经显影、定影处理后，将该全息图准确复位于影、定影处理后，将该全息图准确复位于光路中的原来位置。然后，用位相物体变光路中的原来位置。然后，用位相物体变化后的被测试物光与参考光同时照射全息化后的被测试物光与参考光同时照射全息图，使直接透过全息图的测试物光波与全图，使直接透过全息图的测试物光波与全息图所再现的原始物光波相互干涉，从而息图所再现的原始物光波相互干涉，从而获得实时全息干涉图。依据该干涉图上条获得实时全息干涉图。依据该干涉图上条纹的变化情况确定被测物

10、理量。纹的变化情况确定被测物理量。n从激光器发出的相干单色光用分光板分为从激光器发出的相干单色光用分光板分为两束，一束光经扩束后用来照明被摄物体，两束，一束光经扩束后用来照明被摄物体，此称物体光（此称物体光（O光）；另一束光经扩束直接光）；另一束光经扩束直接照射到高分辨率的全息底片上，此称参考照射到高分辨率的全息底片上，此称参考光（光（R光）。当来自物体的散射光即物体光光）。当来自物体的散射光即物体光在全息底片上与参考光相遇就进行位相比在全息底片上与参考光相遇就进行位相比较，其结果是产生干涉条纹。干涉条纹经较，其结果是产生干涉条纹。干涉条纹经曝光记录在底片上，这就完整的记录了被曝光记录在底片上

11、，这就完整的记录了被摄物体形状和位相，存储了物体景物的三摄物体形状和位相，存储了物体景物的三维信息系。通过干涉条纹确定温度。维信息系。通过干涉条纹确定温度。三、红外辐射及颜色定量测量技术三、红外辐射及颜色定量测量技术n热辐射是物体因本身的温度而以电磁波形式热辐射是物体因本身的温度而以电磁波形式向外发射能量的物理现象。向外发射能量的物理现象。n辐射测温仪按工作原理可分为辐射测温仪按工作原理可分为“亮度测温仪亮度测温仪”和和“辐射比测温仪辐射比测温仪”两大类。辐射比测温两大类。辐射比测温仪可分为双色和多色测温仪。仪可分为双色和多色测温仪。n火焰辐射频谱分析方法也属于红外辐射测火焰辐射频谱分析方法也

12、属于红外辐射测温范围。火焰频谱分析试验装置由光探头、温范围。火焰频谱分析试验装置由光探头、光电转换器、放大滤波电路、光电转换器、放大滤波电路、A/D转换和计转换和计算机组成。其中光电转换（光电管）和放算机组成。其中光电转换（光电管）和放大滤波电路均安装在光探头内。在滤波电大滤波电路均安装在光探头内。在滤波电路中滤除了信号的高频噪声。火焰信号频路中滤除了信号的高频噪声。火焰信号频谱估计采用通用的周期图窗函数快速谱估计采用通用的周期图窗函数快速FFT法。法。n火焰颜色，由可见光波长段的火焰发光所火焰颜色，由可见光波长段的火焰发光所决定。碳氢化合物火焰的发光光谱，由燃决定。碳氢化合物火焰的发光光谱，

13、由燃烧中间产物如烧中间产物如CH、C2中间基的非连续光谱、中间基的非连续光谱、CO分子与分子与O原子再结合反应所产生的连续原子再结合反应所产生的连续光谱、作为固体的炭黑粒子所发射的连续光谱、作为固体的炭黑粒子所发射的连续光谱等组成。光谱等组成。n对火焰颜色的定量计量，可采用对火焰颜色的定量计量，可采用CIE（国际（国际照明委员会）定义的照明委员会）定义的XYZ表色系统的表色方表色系统的表色方法。法。第二节第二节 声学方法声学方法 一、声波法测温原理一、声波法测温原理 n声波传播时间和传播路径上的气体温度声波传播时间和传播路径上的气体温度（假设为均匀温度分布）的关系式为：（假设为均匀温度分布）的

14、关系式为：二、声波温度测量在燃烧诊断中的应用二、声波温度测量在燃烧诊断中的应用n二维声波温度监测在燃烧重油的试验炉上二维声波温度监测在燃烧重油的试验炉上进行应用，检测信号经过进行应用，检测信号经过CT重建，得到的重建，得到的温度测量结果与抽气热电偶测量结果进行温度测量结果与抽气热电偶测量结果进行对比，误差在对比，误差在10%以内。声波传播路径及以内。声波传播路径及试验结果如图试验结果如图12-13所示。所示。第三节第三节 数字图像处理方法数字图像处理方法 n数字图像测量火焰温度主要的依据是热辐数字图像测量火焰温度主要的依据是热辐射理论和三色法测量温度理论，包括普朗射理论和三色法测量温度理论，包

15、括普朗克黑体辐射定律、维恩公式、斯蒂芬克黑体辐射定律、维恩公式、斯蒂芬-波尔波尔兹曼定律和三色法测温公式等，利用兹曼定律和三色法测温公式等，利用BP神神经网络算法、最小二乘法和改进输入的神经网络算法、最小二乘法和改进输入的神经网络算法进行运算。该技术属于光学测经网络算法进行运算。该技术属于光学测温技术范畴。温技术范畴。n基于数字图像处理技术的温度测量系统主基于数字图像处理技术的温度测量系统主要有火焰图像获取系统和图像采集处理系要有火焰图像获取系统和图像采集处理系统两部分组成。其中图像获取系统包括彩统两部分组成。其中图像获取系统包括彩色色CCD摄像机；图像采集处理系统主要是摄像机；图像采集处理系统主要是由一台包括图像采集卡和专用图像测温软由一台包括图像采集卡和专用图像测温软件的多媒体计算机构成。件的多媒体计算机构成。