一.测量固体推进剂的燃烧火焰温度^[22-26]

在高光谱分辨率的采集状态下，利用遥感FTIR可以获得分子的发射谱线的精细结构。利用谱线精细结构计算火焰温度有两种方法：分子转-振光谱测温法及分子发射光谱最大强度谱线测温法。

1．分子转一振光谱测温法

含有氟、氯等元素的有机化合物燃烧，将会产生大量含有C, H, O, Cl, F等元素的气体化合物，如CO₂ , HCI, HF, H₂O等，利用这些分子的热激发产生的分子振动基态的转动一振动光谱(也简称为转一振光谱或转振光谱)，就可以对剧烈的、非稳定的燃烧的火焰温度进行直接测量。根据Einstein方程，可以推导出利用分子转-振光谱精细结构的测温公式[13]：

式中，b为一个常数；J'和J"+ 1分别对应于分子转一振光谱精细结构的R分支和P分支；B_v为分子的转动常数。假定：

式中，J为下态角量子数，对于R分支，取值为0, 1, 2,…,m-1，对于P分支，取值为1, 2, 3,…,-m;m为谱线序数，是连续的整数。

式(16-34)可以写为

Y_R或P=AX+b                        (16-39)

式中，b为常数。

因此，只要测得各条谱线的相对光谱强度I rciacive ，燃烧火焰的温度就可以根据方程(16-38)准确地计算出来。如果Y和X的关系是一条直线，那么燃烧火焰的温度表示为

可见，与文献^[2]相比，该公式无须测量分子转动光谱带精细结构中的一系列谱线的半宽度，只要知道方程(16-39)中的斜率A后，便可求得温度T。

图16-14为某固体推进剂的燃烧火焰在4500～900cm^-1波数范围内的单张红外发射光谱图^[24]，图中标明了CO₂, CO, HCI, HF, H₂O的发射谱线。下面利用HF分子的基带转-振发射光谱谱带的R分支精细结构对燃烧火焰的温度进行计算为例，讲解计算方法。为了解析方便，图16-15中给出了此时HF的发射谱带在3966cm^-1处的精细结构。由图16-15可以看出，HF的基带转一振发射谱带的R分支精细结构包含了一系列近似等间距的线，第一时刻精细结构中的各条谱线所对应的波数，相对谱线强度以及In()和J'(J'+1)分别见表16-2中[24]。

图16-14某固体推进剂的燃烧火焰在波数范围4500～900cm^-1内的发射光谱图

图16-15HF发射谱带在3966cm^-1处的精细结构

表16-2IN在3966cm^-1处的R分支谱线精细结构^[24]

为了从HF的R分支精细结构计算固体推进剂燃烧火焰的温度，绘制In()和J'(J'+1)的线性关系图，如图16-16所示。

图16-16火焰的温度曲线

可见，In()和J'(J'+1)之间的线性关系式为

式中，线性回归系数γ等于0. 9647，此实验的可信度高于99.5％，直线的斜率A是0.015。因此，火焰的温度由式(16-40)计算得

2．分子发射光谱最大强度语线测温法

分子转-振光谱测温法在计算时，需要测量谱带精细结构中的每一条谱线的相对光谱强度，计算比较烦琐。当只需对火焰的燃烧温度做一大致了解时，可以采用分子发射基带光谱最大强度谱线测温法，其原理如下：

双原子分子转-振发射基带光谱精细结构中的最大强度光谱线对应的转动量子数J'，与热气体的温度有密切关系，已知最大强度谱线所对应的J'值，即可按式(16-41)求得热气体温度：

式中，J'为上态角量子数；B_v为分子转动常数；a=2k/h, k和h分别为Boltzmann和普朗克常量；T为待测温度，K。

二.遥感FTIR光谱仪的操作步骤

1．仪器准备

给仪器加注液氮，调整仪器及光源的方位，插入KBr分束器。

2．开机

顺序开启遥感FTIR光谱仪的稳压电源、计算机主机、显示器及打印机等电源开关，仪器自动初始化，自检完成后，待仪器前面板上的状态指示灯由红色转为绿色时，表示仪器状态稳定，可以开始测量。

3．启动OPUS软件

进入Windows 2000/NT操作系统，双击桌面OPUS. exe快捷键，进入OPUS软件界面。

4．参数设定和光谱采集

1)在Measure>Setup/Diagnostics>Optic Setup and Service中，设置光源、分束器、检测器等信息；

2)在Measure>Advanced Measurement中，设置样品信息、存储路径、光谱采集参数等；

3)在Measure>Advanced Measurement的Basic窗口中，采集背景和样品的光谱；

4)软件自动保存样品的光谱数据；

5)测定下一样品的红外光谱：重复上述步骤1)～4)操作；

6)如果需要连续采集同种光谱信息且采用同一背景，可以在Measure> Repeat Measurement中设置为重复扫描，并且设定扫描次数和间隔时间；

7)可以在Manipulate或者Evaluation菜单下，对测得的谱图进行多种后续数据处理。

5．打印图谱

激活要打印的谱图，选择File>Print，出现弹出窗口，选择合适的打印布局，或自行设计新的打印布局，点击“确定”，在接下来的窗口中选择模版报告，点击“打开”，点击Print打印，打印前可选择File>Prlnt preview预览打印报告。

6．关机

1)选择File>Exit，退出程序；

2)关闭计算机；

3)关闭仪器电源；

4)关闭稳压电源。