鑫图sCMOS相机 | 一种基于能谱分析的火焰温度测量

高温燃烧反应广泛应用于冶金、火力发电以及发动机制造等工业领域。在燃烧反应的状态测量中，温度是最关键的参数之一，它能够反馈燃烧状态，从而帮助诊断和优化燃烧过程。现有的非接触式火焰测温方法多依赖于理想的热-光激发模型，这对测温精度有较大影响。

本研究提出了一种基于元素掺杂和能谱分析的二维火焰温度和发射率分布测试方法。首先，利用激光诱导击穿光谱（LIBS）技术进行元素掺杂和光谱分析。接着，使用高精度sCMOS科学相机鑫图Dhyana 400BSI 对掺杂后的火焰进行光学检测。结合图像处理技术和标定结果，能够计算出火焰的二维温度和发射率分布。最后，通过红外热成像技术和热电偶接触测温技术验证了测温结果的准确性和有效性。

图1 掺杂前后的火焰亮度演变

图2 二维未经过滤和未掺杂的火焰

(a) 原始的图像分割；(b) 过滤和掺杂火焰的划分；(c) 红外热成像

本研究基于元素能谱激发模型和元素掺杂方法，通过激光诱导击穿光谱（LIBS）技术选择合适的火焰掺杂元素，并设计了窄波段滤波片检测系统。结合成像系统、光谱发射率标定实验和图像处理技术，成功计算出火焰的二维温度和发射率分布。

实验中使用的Dhyana 400BSI同时具有高灵敏度、高分辨率和高帧率的优点，可以提供准确可靠的温度测量结果：

1）高灵敏度有利于捕捉到火焰中掺杂元素发出的微弱光信号；

2）高帧率主要用于测量火焰中快速变化的温度场；

3）高分辨率可以提供清晰的火焰图像，方便进行图像处理和分割。