基于雙光梳光譜技術的氣體溫度測量研究

高小強,劉 浩,張志濤,吳偉偉

(北京航天計量測試技術研究所,北京10076)

1 引言

氣體溫度是表征燃燒效率的特征參數之一[1],通過測量燃燒后的氣體溫度為燃料配比設計、燃燒室結構設計等提供重要參考。高溫氣體溫度測量在溫度較低時,一般可以直接采用接觸測溫方法,如利用熱電偶等方法,但是隨著溫度的升高,接觸式測溫存在對傳感器的損壞等問題[2,3]。近年來,利用光學精密測量技術實現高溫氣體溫度測量逐漸得到發展與應用,在航天航空等領域發展迅速。

基于可調諧半導體激光光譜技術(TDLAS)的光學測溫方法逐漸被報導出來[4-7]。TDLAS 利用較為成熟[8]的調頻連續波技術實現氣體吸收光譜的測量,并基于光譜溫度反演算法實現溫度的解算。受限于單只半導體激光光源光譜調節范圍的限制,其探測氣體吸收光譜范圍受限,通過增加半導體數量來擴展探測光譜寬度,增加了系統的復雜程度。同時,從計量角度出發,半導體激光光源的波長受到溫度與控制電流的影響,需要定期進行校準。發展波長穩定、快速校準的光譜測量技術具有重要的意義。

雙光梳光譜技術[9,10]是近年來發展迅速的光譜測量技術,基于飛秒光學頻率梳技術的光梳光譜技術利用重頻鎖定技術實現光學波長與時頻基準的鎖定,可以實現實時校準,滿足了非接觸測溫的要求。目前光梳光譜測溫設備系統國內外均處于起步階段,系統較為復雜,光譜處理及光譜溫度標定等難題有待解決。

介紹了基于雙光梳光譜技術的測溫方法及測溫試驗,從理論及試驗的角度驗證了光梳光譜測溫技術的可實現性,并討論了針對工程實際應用所需要進行的改進工作。

2 光譜測溫原理

2.1 光譜吸收規律-比爾朗伯定律

光譜測溫技術采用激光吸收光譜技術(Laser Asorption Spectroscopy,LAS)獲得被測氣體的含有溫度信息的吸收譜,一般情況下,氣體對激光的吸收特性滿足比爾-朗伯定律(Beer-Lambert Law)。

一束激光通過一定厚度的氣體之后,透射光的強度相比于入射光有所減弱。其減弱程度可以用氣體的吸光度來表示,如圖1 所示。

圖1 激光經過一定厚度的氣體示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser passing through gas with certain thickness

式中:It——透射光光強;I0——入射光光強;αv——吸收強度。

αv與氣體的壓強P、吸收氣體種類、氣體溫度T、激光經過氣體路徑的長度L以及激光頻率V有關。其關系可按公式(2)計算。

式中:χabs——與氣體種類有關的摩爾分數;S(T)——溫度為T時的線強;φv——吸收譜線的特征線型函數(高斯,Voigt 等)。

在參考溫度為T0、氣體溫度為T時的線強S(T)表達為

式中:Q(T)——氣體配分函數;E″——低態能級。

以二氧化碳氣體為例,在4.17 μm～4.18 μm激光波長范圍內,不同溫度時其吸收譜線如圖2所示。

圖2 標準數據庫中二氧化碳氣體的吸收譜線Fig.2 Absorption lines of CO2 gas in standard database

可以看到,在不同溫度下,譜線具有明顯的變化特征,因此可以基于吸收譜線的這些特征對溫度進行反演,從而實現溫度測量的目的。

2.2 光譜測溫方法

由公式(3)和公式(4),可以得到關系式

對公式(5)進行整理,可以得到

2.3 雙光梳光譜測溫試驗

雙光梳光譜測溫是通過采用兩臺具有微小重復頻率差的光梳,通過異步光采樣過程,來實現光譜的測量,其基本原理與傅里葉時域光譜儀方法(FTS)類似,但是取消了機械掃描過程,使得雙光梳系統可將任何傳統光譜分析方法都無法同時獲得的寬光譜覆蓋、高檢測靈敏度、高分辨率[11]、快速測量等特點集于一身;同時,雙梳光譜技術中的光頻測量可以溯源到時頻基準(如銣原子鐘等),具有更好的計量特性,因此可以被用于計量領域的精密測量。

2.3.1 試驗方法

如圖3 所示,利用銣原子鐘微波信號作為光梳重頻鎖定得參考信號,將光梳1、光梳2 得重復頻率鎖定在時頻標準上,并利用參量放大技術實現光梳相位的注入式鎖定。采用高溫管式氣體爐進行測試,采用管式雙加熱的方式,保證中央溫區的穩定和均勻,密封的石英管放置于管式爐之中進行加熱。兩個加熱區分別由高精度溫控程序控制,石英管外的三根K 型熱電偶作為溫度反饋,控溫精度為±1 K。石英管兩端為密封法蘭并配備水冷接口,法蘭另一側配置充氣管道,充氣管道一端與真空泵連接以實現溫度測量時的近真空抽氣,而另一端與氣壓表和針閥鏈接以進行測量的氣壓監測與充氣和洗氣操作。石英管內放置兩根帶有楔角的藍寶石棒,降低非均勻加熱區對測溫的影響,實現恒溫氣體池中心位置處產生95 mm 的恒溫區。本試驗中,高溫爐設定溫度為780 ℃(1 053.15 K),中紅外雙光梳高溫測量用高溫爐的示意圖與實物圖如圖4 所示。

圖3 雙光梳系統測溫試驗示意圖Fig.3 Schematic diagram of temperature measurement test of double optical frequency comb system

圖4 試驗用高溫管式氣體爐Fig.4 High temperature tube furnace for testing

2.3.2 試驗結果

在對雙光梳時域拍頻信號采樣后,時域信號的直接傅里葉變換即為中紅外雙光梳高溫CO2分子吸收光譜,如圖5 中藍色曲線所示。我們對測量光譜進行了分段式擬合獲得了參考光譜,如圖5 中紅色曲線所示。最終將參考光譜與測量分子光譜比對后即可獲得高溫CO2分子吸收譜線。

圖5 雙光梳高溫CO2 分子吸收譜線測量結果Fig.5 Measurement results of high temperature CO2 molecular absorption spectra with dual-comb

計算測量譜線的積分吸光度、296 K 線強與對應低態能級如表1 所示,擬合曲線如圖6 所示。

表1 二氧化碳氣體特征吸收譜線屬性值Tab.1 Attribute value of CO2 gas characteristic absorption spectral line

圖6 擬合曲線Fig.6 Fitting curve

由擬合結果可知,將斜率帶入公式(7)式可得被測溫度T為1 057 K。

基于比爾朗伯定律和玻爾茲曼圖法,可以利用氣體的幾根特征光譜獲取氣體溫度信息,從而實現光譜測溫的目的。

3 結束語

利用兩個存在微小重頻差的光梳通過異步采樣實現高溫氣體吸收光譜的高精度測量,并利用光譜-溫度反演算法得到氣體溫度值。試驗中采用了重復頻率約為205.315 MHz 和205.365 MHZ 的雙光梳系統,實現了1 057 K 溫度下CO2氣體在4.2 μm 波長附近吸收光譜的高精度測量。結果表明,該技術作為一種主動測溫技術,其具備高溫氣體的準確測量能力,在高溫計量測試領域有重要的應用前景。