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毕业设计
毕业设计（论文）
题目发射光谱法测量微细管
火焰温度方法研究
学生姓名李生学
学号2010373116
专业机电一体化
班级20103731
指导教师陈经文
评阅教师陈经文
完成日期：
2012年10月29日
论文/设计/报告原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文/设计/报告是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了论文/设计/报告中特别加以标注引用的内容外，本论文/设计/报告不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
年月日
论文/设计/报告版权使用授权书
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本论文/设计/报告属于
1、保密□，在_________年解密后适用本授权书。
2、不保密□。
（请在以上相应方框内打“√”）
作者签名：
年月日
导师签名：
年月日
三峡电力职业学院
毕业论文课题任务书
（2012----2013学年）
课题名称
发射光谱法测量微细管火焰温度方法研究
专业
机电一体化
班级
20103731
学生姓名
李生学
指导老师
陈经文
指导人数
课题概述：
一、设计任务
1、微细管火焰测温系统设计
（1）分析设计系统的可行性及其测温原理
（2）画出系统装置结构流程系统图
2、选用适当的数据处理方法对系统测得的光谱曲线进行分析计算，最终得出火焰温度。
二、设计目的
1、通过设计，提高解决实际问题的能力，加深传感器在实际方面应用的理解，巩固和提高学过的理论与专业知识，并予以适当的深化。
2、掌握设计传感器测量系统的一般方法，掌握实验数据处理的一般方法。
3、学会在系统设计时如何搜集和查阅资料、进行方案论证与设计、总结设计成果，撰写学术论文等，把理论知识和实际应用相联系，为今后的工作打下实践基础。
三、完成成果
1、开题报告一份
2、PowerPoint论文说明演讲稿一份
3、毕业设计论文（说明书）一份（6500字以上）
参考资料及文献
1、汪亮。
燃烧实验诊断学。
北京：
国防工业出版社，2005。
2、蔡小舒，季棍，赵志军。
不同种类燃料火焰的辐射光谱测量。
工程热物理学报。
第25卷第1期2004年1月。
3、蔡小舒，罗武德。
光谱法测量煤粉火焰温度和黑度的研究。
工程热物理学报。
第21卷第6期2000年11月。
4、张永生，周俊虎等。
微燃烧稳定性分析和微细管道燃烧实验研究。
浙江大学学报（工学版）。
第40卷第7期2006年7月
5、李志宏。
可视化火焰测量系统的开发及应用。
中国科学院研究生院博士论文。
2006年3月。
6、朱德忠。
热物理激光测试技术[M]。
北京：
科学出版社，1990。
7、张平。
燃烧诊断学[M]。
北京：
兵器工业出版社，1986。
8、戴景民。
辐射测温的发展现状与展望。
自动化技术与应用。
第23卷第3期2004年。
9、周洁。
基于辐射强度多波长分析的燃烧火焰温度测量方法的实验研究。
动力工程。
第19卷第6期。
1999年12月。
10、卢小冬。
固体火箭发动机羽焰温度场多目标多光谱测量技术研究[D]。
哈尔滨工业大学。
设计成果要求：
1、开题报告：
1500字
2、说明书：
字
3、图纸：
号张、号张、号张
4、论文：
22048字
5、其他：
进度计划安排
起止日期
要求完成的内容及质量
2011～2012学年秋季学期：
第8周
（2011.8.18～8.21）
第9～13周
（2011.8.24～11.25）
第14周
（2011.11.26～12.4）
第15周
（2011.12.5～8.11）
第16周
（2011.12.12～12.18）
第17～18周
（2011.12.19～12.31）
学习毕业设计要求及有关规定；阅读指定的参考资料及文献，熟悉设计课题；资料收集。
完成设计初稿，交指导教师检查。
毕业设计中期检查
完善、修改设计。
完成整理上交设计成果，全部成果交指导教师批阅。
进行毕业答辩。
审核（系主任）
批准（院长）
开题报告
题目：
发射光谱法测量微细管火焰温度方法
1.课题来源
传感器检测系统的设计、数据分析和数据处理
2.研究的目的及意义
通过设计，提高解决实际问题的能力，加深传感器在实际方面应用的理解，巩固和提高学过的理论与专业知识，并予以适当的深化。
掌握设计传感器测量系统的一般方法，掌握实验数据处理的一般方法。
学会在系统设计时如何搜集和查阅资料、进行方案论证与设计、总结设计成果，撰写学术论文等，把理论知识和实际应用相联系，为今后的工作打下实践基础。
了解火焰燃烧的特性，及其温度的测量方法，并加以实验验证。
对实验所出现的问题进行讨论分析，各各击破。
并将这些问题记录下来，以便于后来人的查阅与参考。
3.研究的内容及途径
火焰温度是燃烧过程的重要热力参数之一。
对火焰温度及其分布的定性或定量的测定，对于观察和了解火焰燃烧过程、燃烧流场和燃烧产物的内在特性，建立合理的燃烧模型、进行精确的计算机模拟分析都有着重要的指导作用。
以计算机模拟分析来替代有效的实物尺寸模型实验，能够降低实物实验带来的危险并加速新产品、新型号的开发与使用。
发射光谱测温是通过检测火焰辐射信号来实现测温目的的方法。
其具有信号强度高、无需外加光源、数据处理较复杂、定量分析难度大的特点。
本课题要求根据发射光谱法测温原理设计一个微细管火焰温度测试系统，并研究微细管燃烧火焰光谱数据的处理方法。
其原理是利用光纤CCD光谱仪器获取微细火焰燃烧的光谱并将其转换为电信号，再经过A/D转换器转换为数字信号，然后把该数字信号送入计算机进行处理，得到其光谱曲线。
进而要求把光谱曲线与理论曲线进行拟合，通过选择比较不同的数据处理方法，选用合适的进行处理计算，以最终得到火焰温度。
4.发展趋势
光谱辐射测温法的数学模型建立方法而言,基于参考温度的数学模型是一种较实用的建模方法。
辐射温度计的数据处理方法而言,基于神经网络的数据处理方法由于可以取消发射率与波长的假设模型,被认为是最有希望真正解决各类目标的真温及光谱发射率自动识别问题的方法。
近年来,辐射温度计的生产、应用,每年都数以万计的增加,已经形成了较大的产业群,应用也涵盖了几乎所有的领域。
但是值得注意的现实是:
目前市场上售出温度计还没有完全解决目标发射影响问题,针对不同的对象,还要对不同对象特性、环境特性进行研究,设计适合环境接口和发射率补偿方案,所以在应用中出现了很多的问题。
这是未来人们要致力解决的问题。
总结一下有如下几个方面:
（1）多光谱测温技术;包含了理论、仪器和应用研究,在不久的将来,可能有新一代的温度计的出现；（3）高精度标定设备（含凝固点黑体、热管黑体等）及标定方法;（3）特殊对象的温度测量,如钢水、微波加热、羽焰等;（4）多目标、温度场的测量;（5）新原理温度计的研制,等等。
5.参考文献
1、汪亮。
燃烧实验诊断学。
北京：
国防工业出版社，2005。
2、蔡小舒，季棍，赵志军。
不同种类燃料火焰的辐射光谱测量。
工程热物理学报。
第25卷第1期2004年1月。
3、蔡小舒，罗武德。
光谱法测量煤粉火焰温度和黑度的研究。
工程热物理学报。
第21卷第6期2000年11月。
4、张永生，周俊虎等。
微燃烧稳定性分析和微细管道燃烧实验研究。
浙江大学学报（工学版）。
第40卷第7期2006年7月
5、李志宏。
可视化火焰测量系统的开发及应用。
中国科学院研究生院博士论文。
2006年3月。
6、朱德忠。
热物理激光测试技术[M]。
北京：
科学出版社，1990。
7、张平。
燃烧诊断学[M]。
北京：
兵器工业出版社，1986。
8、戴景民。
辐射测温的发展现状与展望。
自动化技术与应用。
第23卷第3期2004年。
9、周洁。
基于辐射强度多波长分析的燃烧火焰温度测量方法的实验研究。
动力工程。
第19卷第6期。
1999年12月。
10、卢小冬。
固体火箭发动机羽焰温度场多目标多光谱测量技术研究[D]。
哈尔滨工业大学。
发射光谱法测量微细管火焰温度方法
学生：
李勇
指导教师：
陈经文
（三峡大学职业技术学院）
摘要：
火焰温度是燃烧诊断的重要参数之一,它对研究各种燃烧过程具有重要价值。
根据多光谱辐射测温所用的参考温度数学模型,提出了一种基于遗传算法的新的数据处理方法。
该方法对火焰发射率与波长的关系依次进行了三点直线拟合,并通过遗传算法进行了优化,从而得到了发光火焰的温度和发射率。
采用多波长高温计测量了某种固体推进剂燃烧火焰的自辐射光谱,并进行了数据处理。
对火焰温度及其分布的定性或定的测定，对于观察和了解火焰燃烧过程、燃烧流场和燃烧产物的内在特性，建立合理的燃烧模型、进行精确的计算机模拟分析都有着重要的指导作用。
以计算机模拟分析来替代有效的实物尺寸模型实验，能够降低实物实验带来的危险并加速新产品、新型号的开发与使用。
关键词：
火焰温度发射光谱
前言
发光谱测温是通过检测火焰辐射信号来实现测温目的的方法。
其具有信号强度高、无需外加光源、数据处理较复杂、定量分析难度大的特点。
根据本课题要求，研究发射光谱法测量微细管火焰温度方法。
其原理是利用光纤CCD光谱仪器获取微细火焰燃烧的光谱并将其转换为电信号，再经过A/D转换器转换为数字信号，然后把该数字信号送入计算机进行处理，得到其光谱曲线。
进而要求把光谱曲线与理论曲线进行拟合，通过选择比较不同的数据处理方法，选用合适的进行处理计算，以最终得到火焰温度。
火焰的辐射特性与火焰的温度及黑度有着密切的关系，因为火焰中不同成分的辐射能力及作用各不相同。
如能测出火焰的辐射光谱，不紧可测出火焰的温度和黑度。
还可以为燃烧诊断提供许多信息。
虽然在实验室里研究火焰的辐射特性性已进步了不少但对电站锅炉的煤粉火焰辐射特性研究还很少。
为此我们开发了由计算机控制微型光纤光谱仪组成的锅炉火焰光谱测量装置，以研究锅炉火焰的辐射特性以及根据火焰辐射特性测量火焰温度和黑度的方法。
1.不同种类燃料火焰的特点
1.1火焰的特性
发光火焰内部含有烟粒,火焰辐射出的是0～∞的连续光谱,在可见光谱区内有辐射;透明火焰的辐射光谱多在红外区段,并呈带状或线状辐射,在λ=0165μm的红光波长上无辐射能。
通常只有炽热的固体才能辐射连续光谱,在特殊情况下,离子复合、原子或自由基的结合也可能达到连续辐射;但是对于气体分子,每个分子只有为数不多的能级,分子能够发射和吸收的辐射波长就限于特定的一些谱线。
从不同光谱谱段的发射机理来说,紫外区和可见光区的光谱一般取决于电子能量的变化,即分子或原子周围的电子能级跃迁;近红外区的的带状光谱取决于分子的振动能和旋转能的变化,远红外区的光谱则取决于旋转能的变化。
1.1.1不同种类燃料燃烧火焰的特征谱线
继实验中发现不同燃烧的火焰光谱中存在有不同特征谱线之后，我们又发现在不同燃烧方式下火焰光谱的特征谱线也有所不同，谱线形状也呈现出不同的特点，如图1.首先，在不同的燃烧方式下出现的特征谱线的种类和特征不同，在焦炉煤气火焰，木材火焰和链条炉火焰中590NM和760NM附近的特征谱线全有；层燃炉燃煤火焰和煤粉火焰中只有760NM处的特征谱线，而且有时候出现，有时候没有。
其次，对于940NM处有时候也会出现发射谱线。
再次不同，燃烧方式，不同燃烧状态下近红外光谱区火焰光谱的形状有所不同。
1.1.2适用于不同种类燃料燃烧实验测量装置
为确定火焰光谱中的特征谱线是否是NA和K的谱线，以及研究它们出现的条件，我们设计了如图2所示的实验装置。
整个实验装置由安装在计算机中华的OceanOptics公司的PCD1000光纤光谱仪，探头，光纤，本生灯，煤气管和支架组成。
为了尽量减少对火焰的影响实验中采取了非常细的金属丝来固定实验样本。
实验时通过煤气火焰来加热实验样品，并可通过调节阀门8的开度来改变本生灯的煤气流量，来改变火焰的燃烧温度。
实验样本和探头的位置通过支架进行调节。
为确定特征谱线确定是K和NA的发射谱线，我们以固体LCL和NACL为样品，放在煤气火焰中加热，并测量火焰的辐射光谱。
同时用高温光学温度计测量火焰的温度。
1.1.3不同种类燃料燃烧实验测量结果
根据资料，在590NM处有可能是NA的原子发射谱线。
而在766NM附近，存在的特征谱线有:
K的原子的发射谱线。
CO的发射谱线，以及O离子的特征谱线。
由于766NM处K的原子发射谱线系数较低，所以实验中重点对NA和K的发射谱线进行了判别。
图3是煤气火焰中分别加入了NACL和KCL所得的火焰光谱，以及加入NACL的火焰光谱，加入KCL的火焰光谱和木炭火焰光谱的比较图。
有图中可以看出，在NA的K的原子发射谱线与木炭中590NM和760NM处的特征谱线非常好地重合在一起，说明这两条特征谱线确是NA和K的原子发射谱线。
在一般的矿物燃料中的K和NA均来自生成燃料的原始植物，含量很低。
但是，这两中碱金属元素的焰色反应非常突出，所以只要火焰中存在有微量的K和NA，就可以生产很明显的发射谱线，浓度的高低不是谱线产生与否最重要的条件。
实验发现，当火焰温度达到800-820℃时出现K的发射谱线，火焰温度达到870-880℃时出现NA的发射谱线。
参见图4.
随着火焰燃烧温度进一步升高，K和NA发射谱线的强度会增加，当温度低于870-880℃时，NA的发射谱线消失，温度低于800-820℃时，K的发射谱线消失，也就是说，K和NA各自存在一个临界温度，当温度高于此临界温度值时发射谱线出现，温度低于此临界值时发射谱线消失。
在此过程中，火焰温度是发射谱线出现与否的必要条件，只有当温度达到一定值时才能够使电子获得足够的能量发生跃迁。
所以，我们可以通过实验检测火焰中是否存在K和NA的发射光谱来确定火焰的温度范围，作为燃烧诊断中关于火焰温度的一个直接数据。
由于实验条件所限，没有能获得H2O发射谱线的出现温度，但是我们有理由相信H2O发射谱线的出现也和火焰温度有直接的关系，这一点还需要在以后的实验中予以证实。
由于特征谱线包含有反映火焰燃烧状况的重要信息。
所以，应该找到对特征谱线进行有效识别的方法。
我们尝试用导数光谱仪对火焰光谱中的特征谱线进行识别。
导数光谱仪是一种比较成熟的对谱线进行精密检验的方法，它利用强度随波长的变化率来进行分析。
导数光谱对于强度随波长的变化很敏感，所以，它能够精确测量相对平坦的光谱。
同时，利用导数光谱能够消除光谱中灰体辐射成分的干扰。
其原理如下：
任何一个函数都可以近似低表示为一个冥级数：
对式⑴进行微分，常数C0等于0，而线项Ｃ
λ变成常数，这样，一个线项的背景就变成常数而其干扰就消失了。
对式⑵再进行微分，依次类推。
对于一个表示为冥级数的光谱曲线，较高阶的导数同样能消除阶次较低的背景函数，光谱形状的复杂了，信号变得更尖锐，使分辩率得到明显的改善。
1.2火焰燃烧的温度测量方法及特点
目前火焰检测方法很多,其中主要有光学式火焰检测方法、摄像型火焰检测方法等。
光学式火焰检测法是利用光能与火焰状况的对应关系的原理制作而成的,它通过光电元件将火焰的辐射信号转变为电信号,经处理后,使火焰辐射亮度和闪烁频率反映在电信号中,根据火焰的辐射亮度和闪烁频率便可判别火焰的有无。
1.2.1火焰光谱测量装置
基于上述原理我们研制了1套测量火焰光谱的装置,装置系统简图示于图5。
火焰的辐射信号经过探头中的透镜会聚后投射到1根直径很小的石英光纤上,光纤将光信号传送到1微型CCD光纤光谱分析仪上,获得的火焰光谱信号经AöD转换数据采集输入计算机进行处理。
该光纤光谱仪的可测范围从200nm到1100nm,分辨率为4nm。
由于石英光纤的衰减很小。
光信号可以长距离传输,使得仪器能将多个探头的光纤信号集中到1个光谱仪上处理。
为适合不同场合测量的需要,可以通过调整透镜和光纤间的距离来得到探头的测量距离和范围。
CCD的输出信号由1块1MHz的高速数据采集板采集送入计算机进行数据处理。
从测量到显示计算结果需时很少,装置可以实现监测。
图5火焰光谱分析测量装置系统简图
CCD对于各个波长的光谱响应是不同的,故我们并不能从光谱仪直接得到发射光谱真正的光谱,而是相对光谱。
因而,必须对光谱仪的光谱特征进行标定。
标定是在黑体炉上进行的,分别在970°C,1018°C,1073°C,1123°C,1167°C和1267°C温度对该光谱仪的光谱特性进行标定。
图6给出了970°C和1018°C温度标定前后的结果。
图6标定前后光谱仪的黑体辐射测量曲线
1-970°C黑体理论辐射曲线2-光谱仪实测970°C曲线3-标定后970°C曲线4-1018°C黑体理论辐射曲线5-光谱仪实测1018°C曲线6-标定后1018°C曲线
1.2.2火焰温度测量方法及特点
下面分别介绍各种方法的原理及各自的特点和适用性。
1）接触法测温
热电偶测温是常用的经典测温方法,当不同材料的金属合金导体两端存在温度差异时,导体两端就会产生电势差,热电势与导体两端的温度差存在简单的函数关系,当这种材料的热端与被测对象达到热平衡而冷端处于一恒定的已知温度时,就可以由电势差得到被测对象的温度,该方法结构简单、测量可靠。
但用热电偶测量火焰温度还存在如下一些严重缺点:
对于高温火焰难以寻求高熔点的热电偶材料来满足测量温区的要求;动态响应差,难以在被测稀薄的火焰气体和热电偶之间达到热平衡,空间和时间分辨率都很差;由于热电偶头实际上浸没在火焰流体中,所以容易被吹断;测得的只是偶头周围火焰气体的滞止温度,动温补偿困难;暴露于火体中的热电偶头还会干扰火焰气体组分发生的化学反应,甚至本身参与火焰气体组分发生化学反应;热电偶本身存在标定问题。
由于国际实用温标ITS290规定了银凝固点以上温区由辐射测温方法来定义并传递,所以热电偶在高温火焰内使用缺乏有效的标定温度源。
但是热电偶方法有相当成熟的常规测温经验,也不需要复杂的连接设备和数据处理方法。
因此在火焰温度测量中,国内外也都没有放弃这一传统的方法。
在尽量避免上述问题出现的情况下,热电偶在燃烧火焰温度不太高、火焰气体流速不大的燃烧试验场合的温度测量中仍可见到。
光纤测温法是利用光导纤维材料温度不同,光传输的特性不同来测量对象的温度,除了不参与火焰气体反应以外,它同样存在热电偶测量火焰温度的其它所有问题。
2）成象法
⑴光学干涉法
在成象法中,激光散斑照相法、纹影法、干涉仪法和激光全息干涉法均是基于光的干涉原理。
从物理模型上来说,基于干涉原理的各种光学方法测量火焰的温度场,均可以等效为首先测量火焰的折射率分布。
图7所示为从流场折射率的变化转变为光参量变化的示意图。
一束光射入测量区内某处,若区内无密度变化,则光线无偏折地投射在底片上的A点。
若测量区内该处有密度变化,光线则发生折射,投射在底片上的B点。
这样,有折射和无折射的不同可反映在下列3个偏差量上:
光束投影点的偏折位置差Δs,光束偏折角Δθ和两光束的光程差Δl（或位相差）。
测出这3种偏差量的任一种,均可获得流场密度的变化。
图7折射率变化转变为光参量变化的示意图
散斑照相的原理是当光线通过有扰动的气流时,由于局部部位折射率梯度的变化使通过漫射体的透射光相对于无扰动时发生偏折移位,反映在照相底片上即为散斑位移的变化。
纹影法的原理是利用纹影仪将光线通过气流扰动区后引起的不同方向的偏折光区分开来,并用纹影刀口挡掉部分偏折光,使扰动区折射率的变化呈现为底片上变化的纹影图像。
干涉仪法的原理是用两束同轴相干光分别通过气流扰动区和扰动区,由于扰动区内折射率的不同引起光程差的变化,使两束相干光产生了相位的变化,从而反映为底片上干涉条纹的变化。
全息干涉法，仍然基于干涉仪法的原理,不过它采用离轴记录法,不仅记录物波波前的振幅信息,同时还记录波前的相位信息。
由此可见,散斑照相法记录的是偏折位置差,反映的是折射率梯度的变化;纹影法记录的是偏折角度差,反映的是折射率的梯度;干涉仪法记录的是光波相位差,反映的是折射反映的是折射率本身和三维流场的立体信息。
量瞬态的温度场;纹影法适于自身发光十分敏感;干涉仪法在测量时对振动相当敏感,故造价昂贵,测试麻烦,实际使用受到限制;除全息法外,其它3种方法都需要借助计算机扫描技术才能获得火焰的三维立体信息,但全息法的光路比较庞大,对测量系统的防震性能和实验时的工作环境要求较高,因此用该项技术进行火焰诊断的实例还不多见。
⑵CCD成像法
上述4种方法测得的温度均为传输路径上火焰气体的平均温度。
其中,散斑照相适于测量试验段比较长、温度梯度比较大的流场,但它不能进行在线观察和测量,不适于测
近几年,随着电子计算机的高速发展,利用数字图像处理技术重建温度场成为可能,即利用CCD获取视频信号,经过图像卡量化处理后送入计算机,再由计算机进行相应的处理,最后获得温度分布的相关信息。
当前在数字图像处理领域常见的测温方法是比色测温法。
它是基于CCD摄像所包含的色度信息和比色测温原理,目前主要用于电站燃煤锅炉的火焰监控系统。
由于CCD的响应曲线受带宽的限制和灰度的影响较严重,所以对仪器的标定较困难,且没有统一标准。
对于高温火焰,由于亮度太高,会导致部分色彩失真,影响测量结果。
此外,该方法在测量工作中同样存在辐射测温方法的共性问题,即所谓的发射率影响。
3）激光光谱法
⑴瑞利散射和拉曼散射光谱法
当具有单色辐射频率的光线照射一透明物体时,会有少量的光线偏离了原来的传播方向,发生光的散射现象。
散射光的大部分频率不发生变化,被称为弹性散射。
如果弹性散射由直径远小于入射光波波长的散射粒子所引起,则称这种散射为瑞利L.Rayleigh）散射;如弹性散射由直径大于入射光波波长的散射粒子所引起,则称这种散射为米氏（G.Mie）散射。
同时,在与入射光传播方向成某些角度的地方还可以观测到与入射光频率不同的散射光,它的强度与散射方向无关,这种分子与光子之间的非弹性散射称为拉曼散射,如图8所示。
非弹性散射存在能量交换,当介质分子从入射光获得能量时,会跃迁到高能态,产生斯托克斯谱线;反之,介质分子损失能量时,产生反斯托克斯谱线。
瑞利光谱的光强正比于气体分子数密度,而拉曼光谱的光强正比于气体分子数,分别根据理想气体状态方程和玻耳兹曼（Boltzmann）分布可知,这两种光谱的光强均是气体温度的函数,这样就可以根据散射光谱的变化得到气体的温度数据。
通过测量不同散射的光谱信号,相应地也就产生了瑞利光谱和拉曼光谱这两种不同的测温方法。
图8瑞利散射和拉曼散射光谱图
瑞利光谱测温法的测试系统简易,脉冲的瑞利光谱技术还可以用来观察瞬时的火焰结构。
但由于它是一个弹性散射,所以不能直接提供有关组分的信息,并且受颗粒Mie散射、背景光散射和火焰辐射的干扰
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