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气体温度和组分浓度的实时监测对优化燃烧过程、提高燃烧效率以及控制污染物排放等具有十分重要的意义。热电偶等传统的测量方法具有干扰流场、无法实现在线测量等缺点。可调谐半导体激光吸收光谱技术具有非接触、响应快速以及对恶劣环境适应性强等优点,可以实现温度、组分浓度、速度等参数的同步测量,在燃烧场诊断中获得了广泛应用。本文基于激光吸收光谱技术,针对燃烧场温度和组分浓度的测量展开研究,主要内容包括以下几个方面: (1)系统地概述了国内外相关领域的研究进展,介绍了激光吸收光谱的基本理论。着重分析了直接吸收光谱和波长调制光谱的理论及测量温度和组分浓度的方法。 (2)总结了目标分子和吸收谱线的选择原则,介绍了通用的光谱数据库和实验系统。在此基础上讨论了调制参数的测量方法以及调制指数的优化问题。仿真结果表明,调制指数m≈1时,谱线的2f/1f信号峰值具有最大值。 (3)为了初步验证实验系统的可靠性,进行了直接吸收光谱和波长调制光谱在样品池中的测量研究。直接吸收光谱的测量过程包括目标分子和吸收谱线的选择、基线拟合、激光频率校准和线型拟合等。免标定波长调制光谱是通过建立仿真模型,将仿真与实验相结合实现温度和组分浓度测量的。选用中心频率为7185.60cm-1和7454.45cm-1的两条H2O吸收谱线,实现了样品池温度和H2O组分浓度的实时测量。研究结果表明:在600K-1000K的温度范围内,直接吸收光谱和波长调制光谱温度测量值的最大误差分别小于2％和4%。波长调制光谱测量值误差偏大的原因是仿真模型不够准确。 (4)为了验证实验系统在工业环境中的可靠性,开展了超燃直连试验台隔离段内温度和浓度的测量研究。结合多路复用方案,采用直接吸收光谱方法和波长调制光谱方法实现了温度、组分浓度、速度等参数的测量。高温、高速以及强振动等环境下的实验证明了实验系统的可靠性。温度预测值为900K时,直接吸收光谱和波长调制光谱温度测量值的误差分别在3%和2%以内,H2O组分浓度测量值的误差分别小于8%和6%。 本文在详细的理论工作基础上,建立了实验测量系统,并在实验室环境和工业环境中验证了该系统的可靠性,所涉及的工作为激光吸收光谱技术的推广应用奠定了基础。