高溫燃燒反應(yīng)廣泛應(yīng)用于冶金、火力發(fā)電以及發(fā)動機(jī)制造等工業(yè)領(lǐng)域。在燃燒反應(yīng)的狀態(tài)測量中，溫度是最關(guān)鍵的參數(shù)之一，它能夠反饋燃燒狀態(tài)，從而幫助診斷和優(yōu)化燃燒過程。現(xiàn)有的非接觸式火焰測溫方法多依賴于理想的熱-光激發(fā)模型，這對測溫精度有較大影響。

本研究提出了一種基于元素?fù)诫s和能譜分析的二維火焰溫度和發(fā)射率分布測試方法。首先，利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）技術(shù)進(jìn)行元素?fù)诫s和光譜分析。接著，使用高精度sCMOS科學(xué)相機(jī)鑫圖Dhyana 400BSI 對摻雜后的火焰進(jìn)行光學(xué)檢測。結(jié)合圖像處理技術(shù)和標(biāo)定結(jié)果，能夠計算出火焰的二維溫度和發(fā)射率分布。最后，通過紅外熱成像技術(shù)和熱電偶接觸測溫技術(shù)驗(yàn)證了測溫結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。

圖1 摻雜前后的火焰亮度演變

圖2 二維未經(jīng)過濾和未摻雜的火焰

(a) 原始的圖像分割；(b) 過濾和摻雜火焰的劃分；(c) 紅外熱成像

本研究基于元素能譜激發(fā)模型和元素?fù)诫s方法，通過激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）技術(shù)選擇合適的火焰摻雜元素，并設(shè)計了窄波段濾波片檢測系統(tǒng)。結(jié)合成像系統(tǒng)、光譜發(fā)射率標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和圖像處理技術(shù)，成功計算出火焰的二維溫度和發(fā)射率分布。

實(shí)驗(yàn)中使用的Dhyana 400BSI同時具有高靈敏度、高分辨率和高幀率的優(yōu)點(diǎn)，可以提供準(zhǔn)確可靠的溫度測量結(jié)果：

1）高靈敏度有利于捕捉到火焰中摻雜元素發(fā)出的微弱光信號；

2）高幀率主要用于測量火焰中快速變化的溫度場；

3）高分辨率可以提供清晰的火焰圖像，方便進(jìn)行圖像處理和分割。