高溫燃燒反應廣泛應用于冶金、火力發(fā)電以及發(fā)動機制造等工業(yè)領域。在燃燒反應的狀態(tài)測量中，溫度是最關鍵的參數之一，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摻雜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，利用激光誘導擊穿光譜（LIBS）技術進行元素摻雜和光譜分析。接著，使用高精度sCMOS科學相機鑫圖Dhyana 400BSI 對摻雜后的火焰進行光學檢測。結合圖像處理技術和標定結果，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和熱電偶接觸測溫技術驗證了測溫結果的準確性和有效性。

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)模型和元素摻雜方法，通過激光誘導擊穿光譜（LIBS）技術選擇合適的火焰摻雜元素，并設計了窄波段濾波片檢測系統(tǒng)。結合成像系統(tǒng)、光譜發(fā)射率標定實驗和圖像處理技術，成功計算出火焰的二維溫度和發(fā)射率分布。

實驗中使用的Dhyana 400BSI同時具有高靈敏度、高分辨率和高幀率的優(yōu)點，可以提供準確可靠的溫度測量結果：

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，方便進行圖像處理和分割。