如何测量火焰的温度？以钙钛矿为基础的光谱学检测技术不止于此

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导言

研究高精度的燃烧过程及其机理，进行爆炸损伤评估、推进剂配方设计和火灾危险预测等方面的工作，不仅在理论上具有重要意义，也在实际应用中发挥着关键作用。这些领域的发展潜力广阔，涵盖了航空发动机、燃油助推器、军工、消防、冶金等多个领域。

一、非接触测温技术的崭露头角

要测定火焰的温度，科学家们一直在探索各种方法。虽然直接接触方法具有较高的准确性，但点测和入侵等问题限制了其应用。而无接触测温技术以其无损伤、快速响应、抗干扰和可持续性等优势，已成为主流技术。目前，激光光谱技术和射线光谱技术是非接触检测的主要方法，其中包括了干涉仪、散射仪和吸收仪等光谱分析技术。

其中，干涉仪虽然准确，但难以进行远程检测。相比之下，辐射光谱法可以实现远程火焰温度检测，已广泛用于高温检测领域。然而，它仍然依赖复杂、笨重、昂贵的光学设备，难以实现便携性，尤其在密集网络环境下，难以实现对三维火焰温度的实时监控，限制了其应用范围。

当前，基于单像素的扫描成像技术因其便携性和低成本而被广泛用于光谱成像和可视化成像。这项技术使用单一光探测头，并采用计算机辅助图像处理方法，替代了传统的CCD/CMOS联合图像处理方式，显著减小了设备的体积和质量。此外，新型高效光学检测材料，如钙钛矿，以及人工智能技术的进步，也为将智能算法应用于光学检测领域带来了新的机遇。

钙钛矿材料因其高电荷迁移率、低缺陷密度、长扩散距离和较高的光学吸收率而备受瞩目。其在可见光区的吸收谱使其在微纳米光电和太阳能电池等领域具有广泛的应用前景，被视为最具发展潜力的新型半导体材料之一。基于钙钛矿型半导体的高光电转化效率和高反应速率等特点，结合机器学习方法，为光谱分析研究提供了新的可能性。通过这项研究，可以建立一种新型的高精度、便携和低成本的火焰测温技术，为航空发动机推进系统的燃烧机理研究和云爆弹等领域的应用奠定基础。

二、单检测器分光光度法的突破

基于单像素和单探测器的小型化光学测量技术由于其可携带性、小体积和低成本等优点而备受关注。2018年，Derek M. Kita等人在芯片上成功实现了基于时间调控的可重构马赫-曾德尔干涉测量技术，实现了高精度的傅里叶转换频谱测量。在此基础上，研究项目提出了一种基于硅光子技术的光谱探测新方法，并引入多个波段，将探测效率提高到一个新的水平。

通过采用基于机器学习的正则分解算法，该方法在广泛的频率范围内获得了高分辨率，突破了传统瑞利判据的限制。杨宗银等人在2019年首次报道了一种新型的小型化光谱分析器。基于这一技术，对纳米线在各种波长下的光电流进行了测试，获得了纳米线的谱响应方程，并进行了重构。

随后，研究项目提出了一种基于多普勒效应的高精度光学重构方法，并将其应用于多个波段，从毫米到单个细胞。2020年，林清辉等人提出了一种基于MEMS的谐振式掩膜，通过谐振式掩膜将光线引导到缝隙中，再利用单个象素的光探测器收集信号，实现了任意波段的频谱信息检测。通过采用基于压缩传感原理的MEMS

编码器的编码方式，系统的光谱分辨率得以提升，目前已在446-652 nm波段实现了2 nm波段的高效还原，未来有望在更高精度的便携式光谱仪上得到应用。

2021年，袁少凡团队首次报道了一种中红外波段可调谐的单片黑磷光探测器。该探测器仅有9x16微米的表面，由学习、采样和重构三个阶段组成。通过单个BP探测器，对已有波段进行训练，并采用机器学习方法重构出新的波段，实现了2-9微米波段、50纳米波段的检测，无需任何高级光学器件，体积小，成本低，具有广泛的应用前景。

2022年，邓文杰等人实现了一套二维范德华异质结器件，有望实现微型、可调谐的近红外区光谱探测。在二维范德华异质结中，离域的电子轨道效应显著提高了层与层的相互作用，结合电调控手段，实现了1.15-1.47µ m的红外波段探测。研究项目计划将这一技术进一步发展，将其应用于10微米以下的工作范围，通过门电压调谐光学特性，并采用线性化的方法，在近红外波段进行波段重构和成像。

三、基于钙钛矿单极子光谱技术的火焰温度检测

研究项目的关键创新在于以钙钛矿材料为对象，研究其在单色光谱仪中的测温技术，研制高品质的硅基钙钛矿型光探测器。通过引入Si/MAPbBr3异质结，实现可探测波段从400纳米提升至900纳米。接着，利用掺钾离子的能谱检测原理，选择K+离子的能谱曲线，实现对火焰温度的检测。

在测温过程中，采用回归法得到光谱响应方程，采用光电流矩阵法重构K+离子光谱，再由离子发射率转换得到热辐射数据，从而达到测温目的。经过实验验证，基于钙钛矿结构的单个元件火焰测温精度得

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