This work deals with quantitative analysis of multicomponent mud logging gas based on infrared spectra. An accurate analysis method is proposed by combining a genetic algorithm (GA) and a radial basis function neural network (RBFNN). The GA is used to screen the infrared spectrum of the mixed gas, while the selected spectral region is used as the input of the RBFNN to establish a calibration model to quantitatively analyze the components of logging gas. The analysis results demonstrate that the proposed GA-RBFNN performs better than FS-RBFNN and ES-RBFNN, and our proposed method is feasible.

火焰的自发辐射光谱与火焰的结构、 温度分布等燃烧特征参数密切相关。 对激发态自由基辐射的辐射强度与二维分布进行研究, 可清晰地反映火焰燃烧状态而不对火焰产生扰动。 基于多喷嘴对置式气流床气化实验平台, 利用光纤光谱仪和配置CCD相机的高温内窥镜, 对柴油扩散火焰的辐射光谱及CH*辐射二维分布特性进行研究。 考察了当量比和撞击作用对火焰辐射光谱和CH*辐射分布的影响。 结果表明, 柴油火焰在306.47及309.12 nm处存在OH*辐射特征峰, 在431.42 nm处存在CH*辐射特征峰, 且存在明显的碱金属原子Na*(589.45 nm), K*(766.91和770.06 nm)发射光谱。 此外, 由于柴油不完全燃烧生成大量碳黑, 在辐射光谱的可见光波段产生了强烈的连续黑体辐射。 火焰中的黑体辐射对CH*辐射特征峰的检测存在干扰, 且当量比越低时背景辐射越强, 对自由基特征峰检测干扰越大。 基于普朗克定律利用插值法可扣除430 nm附近波段背景辐射。 柴油火焰中CH*辐射峰值随当量比的增加单调减小, CH*辐射等值线沿火焰发展方向依次出现三峰状、 双峰状及单峰状, 最终收缩为以反应核心区为中心的圆核。 随着当量比的提高, 出现各个形状的CH*辐射强度阈值不断降低, 火焰主反应区面积减小且向下游移动, 当量比增加到1.0附近时, 理论上柴油完全燃烧, CH*辐射强度显著降低, 贫燃火焰的CH*辐射强度及分布区域几乎稳定不变。 利用CH*辐射强度值判定火焰举升长度, 对于单喷嘴射流火焰, 火焰举升长度随当量比的增加经历了显著增加后小幅下降的过程。 相同当量比时两喷嘴撞击火焰CH*辐射强度峰值始终高于单喷嘴射流火焰对应值; 火焰举升长度随当量比的增加小幅增加。 火焰撞击的约束作用使得火焰举升长度不易随着当量比变化发生较大波动, 燃烧更加稳定。 这为定量判断火焰燃烧状态提供了一种直观、 有效的方法, 同时为柴油燃烧的化学动力学研究提供了实验依据。

OH*自由基是火焰中主要的激发态自由基之一, 它所产生的化学发光可用于描述火焰的结构、 拉伸率、 氧燃当量比和热释放速率等特征信息, 因此被广泛应用于火焰燃烧状态的在线诊断。 以甲烷/氧气层流同轴射流扩散火焰作为研究对象, 采用GRI-Mech 3.0机理结合OH*自由基生成和淬灭反应进行数值计算, 对OH*自由基的二维分布特性进行研究, 分析不同区域内OH*自由基的生成路径, 并探讨不同氧燃当量比例和不同喷嘴出口尺寸对OH*自由基强度和分布特性的影响。 模拟结果与实验研究基本吻合, 表明计算模型能够准确描述火焰中OH*自由基的二维分布。 结果表明: 在甲烷/氧气层流同轴射流扩散火焰中, OH*自由基存在两种不同形态的分布区域, 分别由反应CH+O2=OH*+CO和H+O+M=OH*+M生成; 随着氧燃当量比提高, OH*自由基的分布区域逐渐向火焰下游扩张, 根据其分布形态的变化可以对火焰燃烧状况进行判断; 如果OH*自由基仅分布于火焰的上游区域且呈断开形态, 则说明火焰处于贫氧燃烧状态。 如果OH*分布呈环状形态, 则说明火焰处于富氧燃烧状态; 相同氧气流量条件下, 缩小喷嘴出口的环隙尺寸有助于加强燃料和氧气的化学反应程度, 从而使火焰中OH*自由基的摩尔分数显著提高, 增强OH*化学发光的辐射强度, 提高火焰光谱诊断的准确性。

The prediction method of dynamic wavelength is proposed for temperature tuning process. The temperature of the thermistor integrated in laser diode (LD) module is recorded to predict the LD chip temperature. Then according to the injection current and priori tuning characteristics of the LDs, the emission wavelength is estimated in real time. The method is validated by using a 1.58 μm distributed feedback (DFB) LD. The absorption spectra of mixture gas of CO₂and CO are measured by means of the thermal tuning gas sensing system. The center wavelength of each absorption line is compared with the data in HITRAN2012 database. The results show that the deviations are less than 5 pm. This method fully meets the needs of spectroscopic measurement, and can be applied to spectroscopy, optical communications and other fields.

空芯光波导(HWG)用于光谱气体检测中, 既可以实现光路的传输, 又可以充当气体样品池实现长光程高灵敏度测量, 具有体积小, 响应时间快、 成本低、 光路稳定灵活等优点。 介绍了基于镀银/碘化银的空芯光波导(Ag/AgI-HWG)、 光子带隙空芯光波导(PBG-HWG)和基片集成空芯光波导(iHWG)等类型的空芯光波导, 并总结了近年来空芯光波导在光谱气敏检测中的研究及进展, 梳理了其应用方式及应用领域。 研究表明, 空芯光波导替代传统的气体池与傅里叶变换红外光谱(FTIR)、 激光吸收光谱和拉曼光谱等不同的光谱技术结合已取得一系列成果, 且已经应用于环境监测、 呼气诊断和工业过程检测和控制等领域。 其中, 基于中红外激光吸收光谱的空芯光波导传感器组成相对简单, 成本较低, 与各类光波导的兼容性和环境适应性较强, 发展前景较好。 总之, 随着激光技术、 光波导技术和光谱技术的发展, 基于空芯光波导的光谱气体检测正在迅速发展, 并逐步由实验室走向现场应用。

An optical hydrogen sulfide (H2S) sensor based on wavelength modulation spectroscopy with the second harmonic (2f) corrected by the first harmonic (1f) signal (WMS-2f/1f) is developed using a distributed feedback (DFB) laser emitting at 1.578 μm and a homemade gas cell with 1-m-long optical path length. The novel sensor is constructed by an electrical cabinet and an optical reflecting and receiving end. The DFB laser is employed for targeting a strong H₂S line at 6 336.62 cm^-1in the fundamental absorption band of H₂S. The sensor performance, including the minimum detection limit and the stability, can be improved by reducing the laser intensity drift and common mode noise by means of the WMS-2f/1f technique. The experimental results indicate that the linearity and response time of the sensor are 0.999 26 and 6 s (in concentration range of 15.2—45.6 mg/m³), respectively. The maximum relative deviation for continuous detection (60 min) of 30.4 mg/m³H₂S is 0.48% and the minimum detection limit obtained by Allan variance is 79 μg/m³with optimal integration time of 32 s. The optical H₂S sensor can be applied to environmental monitoring and industrial production, and it has significance for real-time online detection in many fields.

In order to get the entire data in the optical measurement, a multi-view three-dimensional (3D) measurement method based on turntable is proposed. In the method, a turntable is used to rotate the object and obtain multi-view point cloud data, and then multi-view point cloud data are registered and integrated into a 3D model. The measurement results are compared with that of the sticking marked point method. Experimental results show that the measurement process of the proposed method is simpler, and the scanning speed and accuracy are improved.

火焰的辐射光谱可为燃烧诊断提供诸多信息, 因此目前对简单的气态火焰自由基辐射特性已进行了大量研究, 而关于非均相火焰的辐射光谱特性研究则相对较少。 采用改进的热氧喷嘴技术在敞开空间下直接点燃水煤浆, 并利用光纤光谱仪和紫外成像系统, 着重对甲烷和水煤浆火焰的辐射光谱及OH*的二维分布特性进行研究。 结果表明: 与甲烷火焰的光谱辐射相比, 水煤浆火焰不仅存在OH*, CH*和C2*特征辐射, 还产生了Na*, Li*, K*和H*的发射谱线, 并出现了连续的黑体辐射, 这些光谱辐射特征可作为水煤浆气化或燃烧的标志, 也可作为水煤浆是否点燃的判据; 通入水煤浆后, OH*强度明显下降, 而CH*和C2*强度增大。 对比甲烷火焰OH*二维分布, 水煤浆火焰OH*峰值强度明显下降, 化学反应区域面积显著减小; 沿着火焰传播方向, 甲烷和水煤浆火焰轴向的OH*强度均呈先增大后减小的趋势; 甲烷火焰径向的OH*在反应核心区出现了双峰形态分布, 而水煤浆火焰OH*径向始终呈单峰分布。 随着氧碳当量比增大, 水煤浆火焰OH*的存在范围扩大, 说明氧气的增加促进了OH*的产生; 随水煤浆流量提高, OH*的反应核心区域缩小, 峰值强度明显下降, CH*, C2*, Na*, Li*, K*和H*的强度显著增强, 连续的黑体辐射强度也明显增大, 这些辐射光谱的变化可用于表征操作负荷的变化。

针对条纹投影三维形貌测量涉及的相位提取, 提出了一种基于变分模态分解的单幅条纹投影相位提取方法。通过建立变分模态分解模型和极小化变分模态分解将单幅投影条纹图分解成背景部分、条纹部分和噪声部分。然后对得到条纹部分进行Hilbert变换和反正切变换得到包裹相位; 对其进行质量导向相位解包裹和Zernike多项式去载频得到解包裹相位。将该方法与Fourier变换、连续小波变换进行了对比, 结果显示: 本文提出的相位提取方法相位误差为3.14×10-4, 小于Fourier变换和连续小波变换方法对应的误差3.30×10-4和6.52×10-4。模拟和实验结果表明: 本文提出的方法在处理具有边缘信息投影条纹图时具有优势, 能够提取出更准确的相位信息, 可有效地用于含边缘不连续和突起的三维物体测量。