光谱仪应用之高温燃烧环境中高速测量

在能源、航空航天及工业制造领域，燃烧过程的实时监测至关重要。温度与羟基自由基（OH）浓度作为核心参数，直接影响燃烧效率、污染物生成及设备安全。然而，传统测量技术（如激光吸收光谱）依赖复杂光学系统和高成本紫外激光器，难以在高温、振动、强噪声等恶劣工业环境中实现高速动态测量。

如海光电HS2048微型光谱仪，打破了这一技术瓶颈。凭借高紫外光谱响应与高采集速率的优势，为工业场景提供了低成本、高效率、kHz 级动态测量的全新方案，让燃烧过程的 “实时洞察” 成为可能。

一、研究背景

Baojian Qian等人提出一种基于紫外宽带吸收光谱（UV-BAS）技术的低成本传感器，利用308 nm LED 光源和便携式光谱仪（如 HS2048），实现了燃烧过程中温度和 OH 自由基浓度的 kHz 级动态测量。通过开发多项式拟合（精度 10⁻⁷，计算时间 35 ms）和神经网络（精度 10⁻³，计算时间 15 μs）两种快速数据处理方法，解决了传统技术在复杂工业环境中的应用瓶颈。实验验证了该传感器在甲烷/空气预混火焰和热风速洞中的准确性和动态测量能力，为工业燃烧诊断提供了新方案。

二、实验方法

2.1 实验设备

使用308nm紫外LED作为光源，由紫外石英光纤传输光纤，热风速洞通过燃烧航空煤油产生高温气流，通过准直器后传输至HS2048光谱仪和数据接收处理系统，以此完成燃烧过程中温度和 OH 自由基浓度的测试。

2.2 测试方法

光谱测量：

• 使用1 mm孔径的准直器，确保光束直径小于1 mm，实现高空间分辨率。
• 光谱仪的曝光时间设置为3.5 ms，每个光谱平均400帧，测量时间约为2秒。
• 测量高度范围从0到15 mm，不同高度的测量间隔不同。
• 在2.5 mm高度处进行，使用2 mm孔径的准直器以增加光束直径，减少曝光时间。
• 光谱仪的曝光时间设置为0.6 ms，每个光谱单帧测量，帧率约为1 kHz，连续采集5000个光谱。

图1 光谱测量实验装置连接示意图

热风洞实验：

• 热风洞用于提供高温、高速气流环境，验证传感器在恶劣环境中的测量能力。
• 主燃烧室：通过燃烧航空煤油产生高温气体，温度可达2100 K以上。
• 稳定段：确保气体流速和温度均匀稳定，并安装有温度传感器。
• 喷管出口：喷管出口内径为10厘米，出口附近安装有红外CT-LAS温度分布测量系统。
• 测量位置：UV-BAS测量系统安装在喷管出口25厘米处。
• 实验条件：马赫数为0.2，在稳定段温度范围1373 K到1873 K内，每隔100 K进行测量。

图2  测量系统和燃烧器系统的示意图

三、实验数据

图3 燃烧光谱拟合结果，在（a）（b）OH 浓度接近1.4 mm高度和（c）（d）温度在3 mm高度处。

在热风洞实验中，在高温、高速的气体流动环境下，使用HS2048高分辨光谱仪，测试气体燃烧光谱，测试结果如下：

图4 （a） 1873 K 下 400 帧的时间平均吸光度，以及 （b） 温度和 （c） OH 浓度的 1 kHz 速率动态测量的统计结果。

四、实验结论

通过这些实验研究，验证了高分辨光谱仪HS2048用于温度和 OH 浓度测量的准确性，以及其用于kHz速率动态测量的可重复性精度，以及在恶劣环境中抵抗时域噪声和干扰的强大适应性。在实验室和热风洞环境中进行的实验验证了传感器的准确性和高速动态测量能力，肯定了其在各种应用中的潜力，并为温度和 OH 浓度的工业测量提供了新的技术参考。

五、应用领域

• 实时成分分析：在化工、制药等行业，光谱仪可用于快速测量反应物和产物的浓度变化。
• 质量控制：在生产线上对材料或产品的光谱特性进行快速检测，如玻璃、晶体的透光率和反射率测量，确保产品质量符合标准。
• 气体排放监测：光谱仪能够快速分析气体中的污染物成分和浓度，如在烟囱排放口实时监测二氧化硫、氮氧化物等有害气体的含量，为环境监管提供及时数据。
• 水质监测：利用光谱技术快速检测水中的污染物，如重金属离子、有机物等的含量，实现对水质的实时监测和预警。
• 生物分子检测：如对蛋白质、核酸等生物大分子的吸光度或荧光光谱进行测量，研究其结构和功能，以及在生物体内代谢过程中的动态变化。
• 超快动力学研究：超快光谱仪可用于研究物质在超短时间尺度内的动力学过程，如化学反应的中间态、分子的激发态弛豫等。通过泵浦-探针技术，捕捉物质在飞秒至皮秒量级的瞬态光谱变化，揭示反应机理。
• 等离子体诊断：在等离子体物理研究中，光谱仪可实时测量等离子体的发射光谱，分析其温度、电子密度、离子化度等参数，为等离子体的特性和行为研究提供数据支持。
• 能源领域：用于太阳能电池的光谱响应测量、燃烧过程的火焰光谱分析等，以优化能源利用效率和系统性能。
• 航空航天：在飞行器的发动机监测、大气成分探测等方面发挥重要作用，为飞行安全和航空航天研究提供关键数据。

六、参考文献

Baojian Qian等人使用由如海光电提供的HS2048高分辨光谱仪在《Combustion and Flame》期刊上发表题目为《A simple sensor for kHz-rate simultaneous measurement of OH and temperature in combustion based on UV broadband absorption spectroscopy》的文章。