一种高温高压下气态物种浓度和温度的光谱检测系统技术方案

一种高温高压下气态物种浓度和温度的光谱检测系统属激光燃烧诊断技术领域，本实用新型专利技术中激光器系统、工控机、瑞利成像系统、拉曼成像系统、激光收集器和脉冲延迟发生器置于中央设有高温高压燃烧系统的光学平台上；聚焦镜、纳秒级激光脉冲展宽器、线偏振1/2波片、激光发射器和激光控制器依次置于石英玻窗口Ⅰ前侧，拉曼收集透镜、负窄带激光波长滤光片、拉曼光谱仪和拉曼ICCD相机依次置于石英玻窗口Ⅳ左侧；激光收集器置于石英玻窗口Ⅲ后侧；激光衰减片、瑞利ICCD相机依次置于石英玻窗口Ⅱ右侧；本实用新型专利技术能实现大于1000K的高温和高压下的物种摩尔分数和温度高精度定量检测。

【技术实现步骤摘要】
一种高温高压下气态物种浓度和温度的光谱检测系统
本技术属激光燃烧诊断
，具体涉及一种高温高压下气态物种浓度和温度的光谱检测系统。
技术介绍
高效清洁燃烧是人类重要的研究课题之一。无论是发动机(包括航空航天发动机、交通运输发动机等)中的各种燃料的燃烧，还是供电供热的煤燃烧系统、基础研究用的各种燃烧器的燃烧等等，都需要通过各种先进的燃烧诊断技术手段来探索进一步改善燃烧状况的途径和方法。由于一些燃烧体系的封闭性、瞬变性、爆炸恶劣性等问题，人们很难直接观测到这些环境中的燃烧状态，更难获取燃烧室内的各种物种的浓度、温度和速度的微观物理信息，有时仅依赖于燃烧理论数值模拟计算，但缺乏实验验证。随着科技的发展，各种激光燃烧诊断技术无疑为诊断燃烧过程提供了可能性。通过激光自发振动拉曼散射，可以实现复杂燃烧环境下的主要物种的浓度(摩尔分数)和区域温度的检测，并具有非接触性、同步性、时间(纳秒级)和空间(毫秒)分辨能力。目前它已经广泛应用于如内燃机缸内或某封闭或大气环境下的燃烧体系内，通过具有拉曼活性的气态物种(氮气、氧气、二氧化碳、碳氢燃料、氢气、一氧化碳等)的自发振动斯托克斯拉曼光谱信号，来获取气体摩尔分数测量，以及通过氮气的自发振动斯托克斯和反斯托克斯拉曼光谱信号，来获取局部空间上的温度的同步定量测量。这些光学测量结果与数值模拟计算结果互相验证和补充，为燃烧理论和燃烧试验提供基础数据。但目前这项技术较多的应用于1000K温度以下的燃烧环境。当高于这个温度后，气态物种的自发振动斯托克斯和反斯托克斯拉曼光谱就具有温度依赖性了。也就是说，各物种的光谱形状会随着高温的变化而发生变化，这样从光谱形状(高度或面积)来定义光谱强度及接下来的摩尔分数和温度的计算结果就不准确了，或者说计算误差要大于5％，甚至更高。另一个技术问题是气态物种的自发拉曼信号极弱(与激光能量之比约10-14)，给定量测量带来困难。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种利用激光瑞利散射测温技术结合激光自发振动拉曼散射测量摩尔分数技术，通过温度和摩尔分数的逐步迭代计算的方法，以及在激光器出口加装了可调节旋转位置的一个线偏振1/2波片，利用气态拉曼信号的激光偏振特性，最大化拉曼信号强度，从而实现1000K温度以上燃烧环境的摩尔分数和区域温度的光谱检测。本技术由高温高压燃烧系统Ⅱ、激光器系统Ⅲ、工控机Ⅳ、瑞利成像系统Ⅴ、拉曼成像系统Ⅵ、显示器1、电荷放大器2、激光收集器3和脉冲延迟发生器5组成，所述的工控机Ⅳ内设有高速数据采集卡19、瑞利ICCD相机采集卡20、同步采集卡21和拉曼ICCD相机采集卡22。脉冲延迟发生器5上设有同步TTL电平输出通道端口Ⅰf、同步TTL电平输出通道端口Ⅱg、同步TTL电平输出通道端口Ⅲh和同步TTL电平输出通道端口Ⅳi。脉冲延迟发生器5的同步TTL电平输出通道端口Ⅰf与拉曼成像系统Ⅵ中拉曼ICCD相机28的外同步触发输入端口e连接。拉曼成像系统Ⅵ中拉曼ICCD相机28的数据输出端口d与工控机Ⅳ的拉曼ICCD相机采集卡22连接。拉曼成像系统Ⅵ中拉曼ICCD相机28的触发输出端口c与激光器系统Ⅲ中激光控制器18的Q开关外触发TTL电平输入端口b连接。瑞利成像系统Ⅴ中瑞利ICCD相机24的数据输出端口j与工控机Ⅳ的瑞利ICCD相机采集卡20连接。脉冲延迟发生器5的同步TTL电平输出通道端口Ⅱg与激光器系统Ⅲ中激光控制器18的泵浦灯外触发TTL电平输入端口a连接。脉冲延迟发生器5的同步TTL电平输出通道端口Ⅲh与工控机Ⅳ的同步采集卡21连接。脉冲延迟发生器5的同步TTL电平输出通道端口Ⅳi与瑞利成像系统Ⅴ中瑞利ICCD相机24的外同步触发TTL电平输入端口k连接。激光器系统Ⅲ中激光发射器13、线偏振1/2波片14、纳秒级激光脉冲展宽器15和聚焦镜16置于高温高压燃烧系统Ⅱ中石英玻窗口Ⅰ7的正前方，激光收集器3置于高温高压燃烧系统Ⅱ中石英玻窗口Ⅲ11的正后方，且激光发射器13发射的激光束17贯穿线偏振1/2波片14、纳秒级激光脉冲展宽器15、聚焦镜16、石英玻窗口Ⅰ7和石英玻窗口Ⅲ11中心，并由激光收集器3接收；激光控制器18与激光发射器13之间用专用电缆连接。显示器1置于工控机Ⅳ上。壳体6中的压力传感器8经电荷放大器2与工控机Ⅳ的高速数据采集卡19连接。壳体6中的温度传感器9与工控机Ⅳ的高速数据采集卡19连接。瑞利成像系统Ⅴ的激光衰减片23和瑞利ICCD相机24置于高温高压燃烧系统Ⅱ中石英玻窗口Ⅱ10的正右方。拉曼成像系统Ⅵ的拉曼收集透镜25负窄带激光波长滤光片26置于高温高压燃烧系统Ⅱ中石英玻窗口Ⅳ12的正左方。所述的高温高压燃烧系统Ⅱ由加温加压系统4、壳体6、压力传感器8和温度传感器9组成，其中壳体6为长方体形，壳体6前部设有石英玻窗口Ⅰ7，壳体6右部设有石英玻窗口Ⅱ10，壳体6后部设有石英玻窗口Ⅲ11，壳体6左部设有石英玻窗口Ⅳ12；压力传感器8和温度传感器9左右排列，固接于壳体6的石英玻窗口Ⅰ6右侧，并与高温高压燃烧系统内腔Ⅰ连通，加温加压系统4与高温高压燃烧系统内腔Ⅰ连通。所述的激光器系统Ⅲ由激光发射器13、线偏振1/2波片14、纳秒级激光脉冲展宽器15、聚焦镜16和激光控制器18组成，激光发射器13、线偏振1/2波片14、纳秒级激光脉冲展宽器15和聚焦镜16自前至后顺序排列，且激光发射器13、线偏振1/2波片14、纳秒级激光脉冲展宽器15和聚焦镜16的中心线重合。激光控制器18上设有泵浦灯外触发TTL电平输入端口a和Q开关外触发TTL电平输入端口b；激光发射器12由激光控制器18控制。所述的瑞利成像系统Ⅴ由激光衰减片23和瑞利ICCD相机24组成，激光衰减片23和瑞利ICCD相机24为左右排列，且激光衰减片23置于瑞利ICCD相机24镜头的正前方；瑞利ICCD相机24上设有数据输出端口j和外同步触发TTL电平输入端口k。所述的拉曼成像系统Ⅵ由拉曼收集透镜25、负窄带激光波长滤光片26、拉曼光谱仪27和拉曼ICCD相机28组成，其中拉曼ICCD相机28上设有触发输出端口c、数据输出端口d和外同步触发输入端口e。拉曼ICCD相机28安装在拉曼光谱仪27的光谱输出口上，且拉曼ICCD相机28的纵向空间分辨轴与拉曼光谱仪27中的光栅刻线及入口狭缝高度方向一致。负窄带激光波长滤光片26和拉曼收集透镜25自左至右置于拉曼光谱仪27右侧的入口狭缝正前方。本技术可实现高温(大于1000K)高压下的物种摩尔分数和温度高精度定量检测。附图说明图1为高温高压下气态物种浓度和温度的光谱检测系统的结构示意图图2为高温高压燃烧系统Ⅱ结构示意图图3为激光器系统Ⅲ的结构示意图图4为工控机Ⅳ的结构示意图图5为瑞利成像系统Ⅴ的结构示意图图6为拉曼成像系统Ⅵ的结构示意图图7为时序图其中：Ⅰ.高温高压燃烧系统内腔Ⅱ.高温高压燃烧系统Ⅲ.激光器系统Ⅳ.工控机Ⅴ.瑞利成像系统Ⅵ.拉曼成像系统1.显示器2.电荷放大器3.激光收集器4.加温加压系统5.脉冲延迟发生器6.壳体7.石英玻窗口Ⅰ8.压力传感器9.温度传感器10.石英玻窗口Ⅱ11.石英玻窗口Ⅲ12.石英玻窗口Ⅳ13.激光发射器14.线偏振1/2波片15.纳秒级激光脉冲展宽器16.聚焦镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温高压下气态物种浓度和温度的光谱检测系统，其特征在于，由高温高压燃烧系统(Ⅱ)、激光器系统(Ⅲ)、工控机(Ⅳ)、瑞利成像系统(Ⅴ)、拉曼成像系统(Ⅵ)、显示器(1)、电荷放大器(2)、激光收集器(3)和脉冲延迟发生器(5)组成，所述的工控机(Ⅳ)内设有高速数据采集卡(19)、瑞利ICCD相机采集卡(20)、同步采集卡(21)和拉曼ICCD相机采集卡(22)；脉冲延迟发生器(5)上设有同步TTL电平输出通道端口Ⅰ(f)、同步TTL电平输出通道端口Ⅱ(g)、同步TTL电平输出通道端口Ⅲ(h)和同步TTL电平输出通道端口Ⅳ(i)；脉冲延迟发生器(5)的同步TTL电平输出通道端口Ⅰ(f)与拉曼成像系统(Ⅵ)中拉曼ICCD相机(28)的外同步触发输入端口(e)连接；拉曼成像系统(Ⅵ)中拉曼ICCD相机(28)的数据输出端口(d)与工控机(Ⅳ)的拉曼ICCD相机采集卡(22)连接；拉曼成像系统(Ⅵ)中拉曼ICCD相机(28)的触发输出端口(c)与激光器系统(Ⅲ)中激光控制器(18)的Q开关外触发TTL电平输入端口(b)连接；瑞利成像系统(Ⅴ)中瑞利ICCD相机(24)的数据输出端口(j)与工控机(Ⅳ)的瑞利ICCD相机采集卡(20)连接；脉冲延迟发生器(5)的同步TTL电平输出通道端口Ⅱ(g)与激光器系统(Ⅲ)中激光控制器(18)的泵浦灯外触发TTL电平输入端口(a)连接；脉冲延迟发生器(5)的同步TTL电平输出通道端口Ⅲ(h)与工控机(Ⅳ)的同步采集卡(21)连接；脉冲延迟发生器(5)的同步TTL电平输出通道端口Ⅳ(i)与瑞利成像系统(Ⅴ)中瑞利ICCD相机(24)的外同步触发TTL电平输入端口(k)连接；激光器系统(Ⅲ)中激光发射器(13)、线偏振1/2波片(14)、纳秒级激光脉冲展宽器(15)和聚焦镜(16)置于高温高压燃烧系统(Ⅱ)中石英玻窗口Ⅰ(7)的正前方，激光收集器(3)置于高温高压燃烧系统(Ⅱ)中石英玻窗口Ⅲ(11)的正后方，且激光发射器(13)发射的激光束(17)贯穿线偏振1/2波片(14)、纳秒级激光脉冲展宽器(15)、聚焦镜(16)、石英玻窗口Ⅰ(7)和石英玻窗口Ⅲ(11)中心，并由激光收集器(3)接收；激光控制器(18)与激光发射器(13)之间用专用电缆连接；显示器(1)置于工控机(Ⅳ)上；壳体(6)中的压力传感器(8)经电荷放大器(2)与工控机(Ⅳ)的高速数据采集卡(19)连接；壳体(6)中的温度传感器(9)与工控机(Ⅳ)的高速数据采集卡(19)连接；瑞利成像系统(Ⅴ)的激光衰减片(23)和瑞利ICCD相机(24)置于高温高压燃烧系统(Ⅱ)中石英玻窗口Ⅱ(10)的正右方；拉曼成像系统(Ⅵ)的拉曼收集透镜(25)负窄带激光波长滤光片(26)置于高温高压燃烧系统(Ⅱ)中石英玻窗口Ⅳ(12)的正左方。...

【技术特征摘要】
1.一种高温高压下气态物种浓度和温度的光谱检测系统，其特征在于，由高温高压燃烧系统(Ⅱ)、激光器系统(Ⅲ)、工控机(Ⅳ)、瑞利成像系统(Ⅴ)、拉曼成像系统(Ⅵ)、显示器(1)、电荷放大器(2)、激光收集器(3)和脉冲延迟发生器(5)组成，所述的工控机(Ⅳ)内设有高速数据采集卡(19)、瑞利ICCD相机采集卡(20)、同步采集卡(21)和拉曼ICCD相机采集卡(22)；脉冲延迟发生器(5)上设有同步TTL电平输出通道端口Ⅰ(f)、同步TTL电平输出通道端口Ⅱ(g)、同步TTL电平输出通道端口Ⅲ(h)和同步TTL电平输出通道端口Ⅳ(i)；脉冲延迟发生器(5)的同步TTL电平输出通道端口Ⅰ(f)与拉曼成像系统(Ⅵ)中拉曼ICCD相机(28)的外同步触发输入端口(e)连接；拉曼成像系统(Ⅵ)中拉曼ICCD相机(28)的数据输出端口(d)与工控机(Ⅳ)的拉曼ICCD相机采集卡(22)连接；拉曼成像系统(Ⅵ)中拉曼ICCD相机(28)的触发输出端口(c)与激光器系统(Ⅲ)中激光控制器(18)的Q开关外触发TTL电平输入端口(b)连接；瑞利成像系统(Ⅴ)中瑞利ICCD相机(24)的数据输出端口(j)与工控机(Ⅳ)的瑞利ICCD相机采集卡(20)连接；脉冲延迟发生器(5)的同步TTL电平输出通道端口Ⅱ(g)与激光器系统(Ⅲ)中激光控制器(18)的泵浦灯外触发TTL电平输入端口(a)连接；脉冲延迟发生器(5)的同步TTL电平输出通道端口Ⅲ(h)与工控机(Ⅳ)的同步采集卡(21)连接；脉冲延迟发生器(5)的同步TTL电平输出通道端口Ⅳ(i)与瑞利成像系统(Ⅴ)中瑞利ICCD相机(24)的外同步触发TTL电平输入端口(k)连接；激光器系统(Ⅲ)中激光发射器(13)、线偏振1/2波片(14)、纳秒级激光脉冲展宽器(15)和聚焦镜(16)置于高温高压燃烧系统(Ⅱ)中石英玻窗口Ⅰ(7)的正前方，激光收集器(3)置于高温高压燃烧系统(Ⅱ)中石英玻窗口Ⅲ(11)的正后方，且激光发射器(13)发射的激光束(17)贯穿线偏振1/2波片(14)、纳秒级激光脉冲展宽器(15)、聚焦镜(16)、石英玻窗口Ⅰ(7)和石英玻窗口Ⅲ(11)中心，并由激光收集器(3)接收；激光控制器(18)与激光发射器(13)之间用专用电缆连接；显示器(1)置于工控机(Ⅳ)上；壳体(6)中的压力传感器(8)经电荷放大器(2)与工控机(Ⅳ)的高速数据采集卡(19)连接；壳体(6)中的温度传感器(9)与工控机(Ⅳ)的高速数据采集卡(19)连接；瑞利成像系统(Ⅴ)的激光衰减片(23)和瑞利ICCD相机(24)置于高温高压燃烧系统(Ⅱ...

【专利技术属性】
技术研发人员：程鹏，郭亮，赵冰，孙万臣，庄宇欣，苏岩，孙成斌，邢四海，韩提亮，孙毅，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：新型
国别省市：吉林,22