研究目的
一种用于煤油燃料航空燃烧室中温度和H2O浓度测量的紧凑型单端激光吸收传感器的设计、优化与验证。
研究成果
开发并演示了一种紧凑型单端激光吸收光谱(LAS)传感器,该传感器利用煤焦腔壁的漫反射激光光束,用于测量煤油燃料航空燃烧室内的温度和H2O浓度。本文提出的设计流程和所开发的传感器系统代表了航空发动机燃烧室中的测量场景,可轻松推广至具有类似挑战和约束条件的相关燃烧环境——在这些环境中,恶劣条件可能影响激光传感器的精度和稳健性。
研究不足
微弱的漫反射信号与高温湍流火焰辐射的对比,是制约高温燃烧器环境中单端测量质量的主要限制因素。
1:实验设计与方法选择:
采用单端光学配置,使用带孔离轴抛物面镜作为发射接收光学元件,燃烧室焦黑壁面作为漫反射体。使用近红外分布式反馈二极管激光器(波长约1.4微米,扫描频率1kHz)进行直接吸收检测,通过探测两条水分子跃迁谱线实现浓度和温度测量。采用光学系统设计和自适应Savitzky-Golay信号处理算法进行噪声抑制与信噪比优化。
2:4微米,扫描频率1kHz)进行直接吸收检测,通过探测两条水分子跃迁谱线实现浓度和温度测量。采用光学系统设计和自适应Savitzky-Golay信号处理算法进行噪声抑制与信噪比优化。 样本选择与数据来源:
2. 样本选择与数据来源:清华大学APL实验室的煤油燃料旋流燃烧室,其燃烧特性与航空煤油Jet-A高度相似。
3:实验设备与材料清单:
NTT电子公司DFB二极管激光器(工作波长1398nm,输出功率约15mW)、Thorlabs公司镀金离轴抛物面镜(MPD249V-M01,带通孔)、2°楔形石英窗、Spectrogon公司窄带滤光片(NB-1398-010nm)、Thorlabs公司光电探测器(PDA50B-EC)、硅标准具(自由光谱范围0.03438cm?1)。
4:03438cm?1)。 实验流程与操作步骤:
4. 实验流程与操作步骤:通过软件控制函数发生器以1kHz锯齿波扫描激光波长来获取目标吸收谱线。激光束经镀金离轴抛物面镜(带通孔)和2°楔形石英窗导入燃烧室,在距喷嘴下游约240mm的对向壁面形成光路。
5:数据分析方法:
采用自适应Savitzky-Golay(S-G)平滑算法处理吸收信号。
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Photodetector
PDA50B-EC
Thorlabs
Detection of the diffuse-reflected laser radiation.
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Bandpass filter
NB-1398-010 nm
Spectrogon
Spectral filtering out the background thermal radiation of the hot flame.
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Off-axis parabolic mirror
MPD249V-M01
Thorlabs
Pitch and catch optics for the single-ended optical configuration.
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DFB diode laser
NTT Electronics
NTT Electronics
Single-mode tunable light source for H2O and temperature sensing.
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Silicon etalon
0.03438 cm-1 free-space-range
Calibrating relative wavelength tuning characteristics.
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