利用激光光谱测量燃烧流场物质组分浓度的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及燃烧流场物质组分浓度测量，为实现多组分、实时、在线、精确的一维组分浓度精确测量，空间分辨率好；测量范围广。为此，本发明专利技术利用激光光谱测量燃烧流场物质组分浓度的方法和装置，利用飞秒激光自聚焦成丝效应，将丝引入已知组分浓度的燃烧流场，并与流场中分子、原子相互作用并发射谱线，光谱谱线通过光谱仪分光经由带有像增强功能的ICCD相机记录并传输到计算机，得到组分浓度信息及当量比与光谱谱线强度比值之间的关系，得到标定曲线；之后将等离子体丝引入待测燃烧流场，并与流场中分子、原子相互作用并发射谱线，与标定曲线进行对照得到燃烧流场一维的浓度分布与当量比信息。本发明专利技术主要应用于燃烧流场物质组分浓度测量。

A Method and Device for Measuring the Concentration of Material Components in Combustion Flow Field by Laser Spectroscopy

【技术实现步骤摘要】
利用激光光谱测量燃烧流场物质组分浓度的方法和装置
本专利技术涉及燃烧流场物质组分浓度测量技术，具体涉及利用激光光谱测量燃烧流场物质组分浓度的方法。
技术介绍
流场之中物质的组分以及对应的组分浓度是研究流场运动的重要参量。对于燃烧流场，燃烧过程的组分浓度和燃空当量比(实际的燃料和氧化剂的质量比除以完全燃烧时燃料和氧化剂的质量比)是混合燃气系统中的一个重要参量，实时准确地获取组分浓度和当量比对于研究混合燃气的预混、扩散、点火以及仿真分析等具有重要的意义。目前，对于流场物质的组分浓度和当量比的测量主要有非光学手段和光学手段。非光学的测量手段包括直接测量燃料、氧化剂的比率和测量尾气的气体成分。采用直接测量手段时，在燃料的消耗不是很大的情况下会造成比较大的误差。而采用尾气测量手段，需要增加一些额外的装置如气体传感器和分析器，价格比较昂贵。而且上述方法不能实时地测量得到流场不同位置的浓度信息。激光诊断技术作为一种非介入式光学手段，与拥有无干扰、高分辨率、高精度、可视化等优势，日益成为研究燃烧流场组分分布以及浓度的重要手段之一。光学手段测量燃烧流场的组分浓度和当量比主要方法有拉曼散射[1]等，激光诱导荧光[2](LaserInducedFluorescence，LIF)，可调谐半导体激光吸收光谱[3](TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy，TDLAS)，激光诱导击穿光谱技术[4](Laser-InducedBreakdownSpectroscopy，LIBS)。采用拉曼散射法测量浓度时，信噪比不是很高，灵敏度较差，要想实现较好的测量效果需要激光器提供较高的功率。采用激光诱导荧光光谱技术测量燃烧场浓度时，又会遇到入射光能量衰减和荧光猝灭等问题对定量标定造成影响，而且对激光器输出波长有严格的要求。采用可调谐半导体激光吸收光谱进行测量时有两种方法：直接吸收光谱测量方法和波长调制光谱测量方法。直接吸收光谱测量方法信噪比较小，受系统噪声和外部因素的影响较大，在气体压强较高或者气体的吸收度较小时，无法实现参考信号的精确调整，会引起较大的测量误差；波长调制光谱测量方法需要复杂的标定过程，且依赖很多的参数，参数会对标定的精确度产生影响。激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是一种原子光谱分析技术。它利用高强度脉冲激光聚焦产生瞬态等离子体，通过分析等离子体中原子和离子发射光谱谱线的位置及信号强度来获取物质的成分和浓度信息。该方法实验系统简单，分析速度快，灵敏度高，对激光器的要求也较低，可以实现多组分、实时、在线、原位的精确测量。但是，传统激光诱导击穿光谱技术使用的是纳秒激光，纳秒激光经过聚焦透镜聚焦后会形成一个点，因此，纳秒激光诱导击穿光谱技术只能实现零维点测量，该方法测量时空间分辨率不高，并且测量时会有激光轫致辐射的干扰。[1]刘建胜,刘晶儒.利用拉曼散射测量燃烧场的组分浓度及温度[J].光学学报,2000,20(9):1263-1267.[2]于欣,彭江波,杨振,李晓晖,樊荣伟,陆威,陈德应,李旭东,董志伟,张亚丽,贾博阳.基于平面激光诱导荧光成像装置及利用该装置获取OH浓度空间分布的方法[P].黑龙江：CN103344619A,2013-10-09.[3]孙灵芳,于洪.基于TDLAS技术的在线多组分气体浓度检测系统[J].仪表技术与传感器,2017(03):73-77.[4]KieferJ,LiZ,AldenM.Laser-inducedbreakdownspectroscopyinapartiallypremixedturbulentjetflame[J].MeasurementScienceandTechnology,2013,24(7):075205。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术旨在提出测量燃烧流场物质组分浓度的方法，测量时信号强度高，噪声干扰较小，有着较好的信噪比；本专利技术可以实现多组分、实时、在线、精确的一维组分浓度精确测量，有着良好的空间分辨率；另外，本专利技术可以应用到层流和湍流中进行一维组分浓度测量，测量范围广。为此，本专利技术采取的技术方案是，利用激光光谱测量燃烧流场物质组分浓度的方法，利用飞秒激光自聚焦成丝效应，将丝引入已知组分浓度的燃烧流场，并与流场中分子、原子相互作用并发射谱线，光谱谱线通过光谱仪分光经由带有像增强功能的ICCD(IntensifiedCharge-CoupledDetectorandCharge-InjectionDetector)相机记录并传输到计算机，由计算机对数据进行实时分析处理，得到组分浓度信息及当量比与光谱谱线强度比值之间的关系，得到标定曲线，即为标定过程；之后为测量过程,将等离子体丝引入待测燃烧流场，并与流场中分子、原子相互作用并发射谱线，光谱谱线信息通过光谱仪分光经由ICCD相机记录并传输到计算机，由计算机对数据进行实时分析处理，得到光谱谱线强度比值并与标定曲线进行对照得到燃烧流场一维的浓度分布与当量比信息。利用激光光谱测量燃烧流场物质组分浓度的装置，飞秒激光器、光谱仪、ICCD相机和计算机组成；飞秒激光器产生激光具自聚焦成丝效应，将丝引入已知组分浓度的燃烧流场，并与流场中分子、原子相互作用并发射谱线，光谱谱线通过光谱仪分光经由带有像增强功能的ICCD(IntensifiedCharge-CoupledDetectorandCharge-InjectionDetector)相机记录并传输到计算机，由计算机对数据进行实时分析处理，得到组分浓度信息及当量比与光谱谱线强度比值之间的关系，得到标定曲线，即为标定过程；之后为测量过程,将等离子体丝引入待测燃烧流场，并与流场中分子、原子相互作用并发射谱线，光谱谱线信息通过光谱仪分光经由ICCD相机记录并传输到计算机，由计算机对数据进行实时分析处理，得到光谱谱线强度比值并与标定曲线进行对照得到燃烧流场一维的浓度分布与当量比信息。本专利技术的特点及有益效果是：本专利技术是利用飞秒激光击穿光谱技术实现对于燃烧流场的组分浓度和当量比的测量，该方法具有非侵入，灵敏度强等特点，相对于其他光学方法测量燃烧组分浓度分布以及当量比，本专利技术还有空间分辨率高，定量标定过程简单等优点，可以实现多组分、实时、在线、精确的一维组分浓度精确测量，并且本专利技术还可以应用到层流以及湍流等复杂环境的测量之中。附图说明：图1燃烧流场浓度测量装置示意图。图中显示本方法测量系统共分为5部分，各个部分名称及功能简介如下:1飞秒激光器，作为测量系统的光源；2计算机，用于储存和处理数据；3光谱仪，将收集到的光信号分光；4ICCD相机，捕捉发光的光谱信号，成像；5待测流场。具体实施方式本专利技术涉及的是激光光谱
和燃烧诊断领域，具体是一种利用飞秒激光诱导击穿光谱技术，获得燃烧流场一维组分浓度和当量比信息。本专利技术属于燃烧流场组分浓度测量的光学方法，本专利技术是为了解决现有一些物质浓度测量的光学方法在测量时噪声干扰大，空间分辨率不够高而提出来的。本专利技术在测量时信号强度高，噪声干扰较小，有着较好的信噪比；本专利技术可以实现多组分、实时、在线、精确的一维组分浓度精确测量，有着良好的空间分辨率；另外，本专利技术可以应用到层流和湍流中进行一维组分浓度测量，测量范围广。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用激光光谱测量燃烧流场物质组分浓度的方法，其特征是，利用飞秒激光自聚焦成丝效应，将丝引入已知组分浓度的燃烧流场，并与流场中分子、原子相互作用并发射谱线，光谱谱线通过光谱仪分光经由带有像增强功能的ICCD(Intensified Charge‑Coupled Detector and Charge‑Injection Detector)相机记录并传输到计算机，由计算机对数据进行实时分析处理，得到组分浓度信息及当量比与光谱谱线强度比值之间的关系，得到标定曲线，即为标定过程；之后为测量过程,将等离子体丝引入待测燃烧流场，并与流场中分子、原子相互作用并发射谱线，光谱谱线信息通过光谱仪分光经由ICCD相机记录并传输到计算机，由计算机对数据进行实时分析处理，得到光谱谱线强度比值并与标定曲线进行对照得到燃烧流场一维的浓度分布与当量比信息。

【技术特征摘要】
1.一种利用激光光谱测量燃烧流场物质组分浓度的方法，其特征是，利用飞秒激光自聚焦成丝效应，将丝引入已知组分浓度的燃烧流场，并与流场中分子、原子相互作用并发射谱线，光谱谱线通过光谱仪分光经由带有像增强功能的ICCD(IntensifiedCharge-CoupledDetectorandCharge-InjectionDetector)相机记录并传输到计算机，由计算机对数据进行实时分析处理，得到组分浓度信息及当量比与光谱谱线强度比值之间的关系，得到标定曲线，即为标定过程；之后为测量过程,将等离子体丝引入待测燃烧流场，并与流场中分子、原子相互作用并发射谱线，光谱谱线信息通过光谱仪分光经由ICCD相机记录并传输到计算机，由计算机对数据进行实时分析处理，得到光谱谱线强度比值并与标定曲线进行对照得到燃烧流场一维的浓度分布与当量比信息。2.一种利用激光光谱测量燃烧...

【专利技术属性】
技术研发人员：李博，朱志峰，高强，张大源，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12