基于漫反射的单端激光吸收传感器用于煤油燃料燃烧室中H2O的温度和浓度测量

摘要： 本文介绍了一种基于漫反射壁面信号的小型单端激光吸收传感器的设计、优化及验证方法，用于煤油燃料航空燃烧室内的温度与H2O浓度测量。此类严苛实际燃烧环境中的激光测量面临光束偏转强、信噪比低及光学通路受限等挑战。我们详细阐述了采用离轴抛物面镜（带孔径）作为收发光学元件、燃烧室积碳壁面作为漫反射体的单端光学构型特性与优化流程。使用1.4微米近红外分布反馈式二极管激光器（1kHz扫描频率进行直接吸收检测），通过探测两条H2O吸收谱线实现浓度与温度测量。结合光学系统设计与自适应Savitzky-Golay信号处理算法抑制噪声并提升信噪比。该传感器在煤油燃料旋流燃烧室的实际工况下完成验证：尽管反射激光强度仅约50微瓦，仍获得高保真信号，实现单次扫描H2O浓度检测限122 ppm·m·Hz^-1/2。原位时域测量显示当全局当量比在0.2至0.45变化时，温度范围约1100-1300K，H2O浓度约8%-12%。结果呈现预期趋势，且相比对比热电偶展现出更快的响应速度与更小的延迟。该现场验证直接证明了基于漫反射的单端传感器系统在发动机燃烧室环境中的鲁棒性与可靠性。