基于激光自发拉曼散射的气体标定试验研究

发布时间：2017-08-23 05:27

  本文关键词：基于激光自发拉曼散射的气体标定试验研究

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【摘要】：伴随着汽车工业的水平不断提高,汽车总数量不断增加,不仅使能源消耗加剧,同时还造成了严重的大气污染。面对能源危机与环境污染的双重问题,单纯依靠限制汽车数量是不够的,从技术层面上突破,研究发动机节能和减排技术是当今主流方向,其关键处就是研究内燃机的燃烧问题,这需要对燃烧过程进行测量和分析。由于内燃机封闭的结构使得传统介入式的缸内燃烧诊断技术测量精度不够,因此基于激光的内燃机燃烧测试技术应运而生,内燃机激光测试技术以激光为激发光源穿过内燃机缸内,通过光谱仪获得缸内物质受激光激发后的光谱图,通过分析光谱可以得到缸内物质相应的物理量。激光测试技术无论在内燃机领域还是其他领域都是比较先进的测试技术,它在内燃机缸内可视化上有重大意义。本文针对激光测试技术中的激光自发拉曼散射技术进行了内燃机领域上的应用研究,在本文中利用激光自发拉曼散射测试了气体浓度,完成了发动机缸内主要物质O2、CO2和N2的标定,并对标定结果进行了验证。为了研究激光自发拉曼散射的气体标定,本文开发设计了标定池和建立拉曼散射光学测量系统。开发了标定池,无论是它的内部结构尺寸,还是它供激光出入的石英窗口与本实验光学发动机完全相同,可以模拟发动机缸内环境,同时建立标定池的加热温控系统与进排气配气系统;建立的拉曼散射光学测量系统包括Nd:YAG激光器、激光扩束器、激光脉冲展宽器、激光缩束器、45°反射镜、散射光收集器、532nm滤光片、光谱仪、ICCD、计算机以及信号发生器等。本文分别在标定池内温度为常温(21℃)和100℃下进行了不同压力下一元纯气体O2、CO2和N2的自发拉曼散射试验,得到O2、CO2和N2三种气体的拉曼光谱,分析了拉曼光谱峰面积随着气体压力与浓度的变化。对三种气体进行浓度标定,绘制出三种气体的标定曲线,求取了O2和CO2相对于N2的响应因子,并在混合气体中进行浓度测试完成对标定结果准确性的验证。然后对激光自发拉曼散射试验的误差来源进行了分析,以做出改进减小试验误差,误差主要来自于Nd:YAG激光器与光谱仪的损耗、石英窗口洁净度与工艺水平、ICCD噪声等硬件设备引起的误差。在标定池上进行激光自发拉曼散射气体标定试验,能给在光学发动机上进行拉曼散射试验提供前期试验基础。开发了光学发动机系统,系统由光学发动机主体、电控系统以及数据采集系统组成,为以后在光学发动机上进行拉曼散射试验提供了硬件设备基础。
【关键词】：拉曼散射 气体标定 激光测试 标定系统 光学发动机
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U464.114
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 引言10-11
• 1.2 内燃机激光诊断技术11-14
• 1.2.1 瑞利散射法11
• 1.2.2 自发拉曼散射11-12
• 1.2.3 激光诱导荧光12-13
• 1.2.4 激光诱导白炽光13
• 1.2.5 Mie散射法13-14
• 1.2.6 激光多普勒测速技术14
• 1.3 内燃机激光诊断技术的国内外发展现状14-16
• 1.4 本文主要研究意义和内容16-20
• 1.4.1 研究意义16-17
• 1.4.2 主要研究内容17-20
• 第2章 拉曼散射理论20-30
• 2.1 拉曼散射理论概述20-26
• 2.1.1 拉曼散射理论的发展20-21
• 2.1.2 拉曼散射理论的解释21-25
• 2.1.3 拉曼散射测量技术特点25-26
• 2.2 拉曼散射法测量气体浓度的原理26-27
• 2.3 本章小结27-30
• 第3章 自发拉曼散射气体标定系统30-48
• 3.1 自发拉曼散射气体标定系统工作原理30-32
• 3.2 标定池的设计32-37
• 3.3 标定池配气及温度压力控制37-38
• 3.4 激发光源激光器38-39
• 3.5 激光扩束器和激光缩束器39-40
• 3.6 激光脉冲展宽器40-42
• 3.7 ICCD及ICCD与激光器时序同步控制42-44
• 3.8 线光源收集器和滤光片44-45
• 3.9 信号采集装置45-46
• 3.10 本章小结46-48
• 第4章 自发拉曼散射气体浓度的测量与标定48-66
• 4.1 自发拉曼散射测量气体浓度的方法48-50
• 4.2 一元气体浓度的测量与标定50-59
• 4.2.1 纯O_2的拉曼散射光谱51-53
• 4.2.2 纯CO_2的拉曼散射光谱53-54
• 4.2.3 纯N2的拉曼散射光谱54-56
• 4.2.4 O_2，，CO_2和N_2的标定与相对响应因子56-59
• 4.3 多元混合气体浓度的测量与验证59-62
• 4.4 误差分析62-64
• 4.4.1 激光器引起的误差62
• 4.4.2 石英窗口的影响62-63
• 4.4.3 光谱仪的影响63
• 4.4.4 ICCD噪声引起的误差63-64
• 4.4.5 数据处理引起的误差64
• 4.5 本章小节64-66
• 第5章 光学发动机系统的开发66-74
• 5.1 光学发动机的光学通路66-67
• 5.2 光学发动机67
• 5.3 光学发动机电控部分67-68
• 5.4 光学发动机信号采集系统68-72
• 5.5 建立光学发动机系统72-73
• 5.6 本章小结73-74
• 第6章 全文总结与工作展望74-76
• 6.1 全文总结74-75
• 6.2 工作展望75-76
• 参考文献76-80
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果80-82
• 致谢82

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本文编号：723260