一种基于自适应光纤光梳的燃烧场气体温度和多组分浓度的测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于自适应光纤光梳的燃烧场气体温度和多组分浓度的测量系统，它包括激光光源模块、分束装置、燃烧场测量光路、干涉信号探测模块、光学拍频及电路处理模块和信号采集与分析模块，所述激光光源模块包括两台脉冲激光器和两台连续激光器；燃烧场测量光路指待测燃烧场；干涉信号探测模块包括耦合器和光电探测器；光学拍频及电路处理模块包括数个光学器件和电学器件；信号采集与分析模块包括数据采集卡和计算机。本发明专利技术具有测量速度快，光谱分辨率高以及光谱范围宽的优势，可满足双线和多线测温的需求；另外，通过单次宽谱带扫描，携带大量吸收谱线信息，能降低层析成像对投影光路数目和角度的要求，使非均匀流场二维重建成为可能。

A measurement system of gas temperature and multicomponent concentration in combustion field based on adaptive optical fiber comb

【技术实现步骤摘要】
一种基于自适应光纤光梳的燃烧场气体温度和多组分浓度的测量系统
本专利技术涉及非接触式光学测量领域，尤其是一种基于自适应光纤光梳的燃烧场气体温度和多组分浓度的测量系统。
技术介绍
近年来，燃烧场参数测量一直是个重要的研究课题，它能直接对物质的燃烧机理、燃烧效率以及降低环境污染物排放的研究提供重要依据。因此，对燃烧场状态的准确分析对工业生产，科学研究以及国防建设都有着至关重要的作用。其中，燃烧气体的温度和组分浓度是了解燃烧状态最主要的参数，它们是表征燃烧强度和热释放效率的关键指标。目前，传统的接触式测温技术具有反应速度慢、干扰燃烧流场、设备使用寿命短等缺点。而且这些设备无法长时间适用于高温、复杂的燃烧环境。激光燃烧诊断技术作为一种实时、非接触式的测量手段，可以实现燃烧参数的快速无干扰测量。目前，在众多激光燃烧诊断技术中，最常采用的是可调谐二极管激光吸收光谱(TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy，TDLAS)技术。TDLAS系统具有结构小巧、响应速度快、环境适应性强等优势，可以实时准确本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于自适应光纤光梳的燃烧场气体温度和多组分浓度的测量系统，其特征在于，该系统包括激光光源模块、分束装置、燃烧场测量光路、干涉信号探测模块、光学拍频及电路处理模块和信号采集与分析模块，所述激光光源模块包括两台脉冲激光器和两台连续激光器；燃烧场测量光路指待测燃烧场；干涉信号探测模块包括耦合器和光电探测器；光学拍频及电路处理模块包括数台光学耦合器、数台光学滤波器、数台光学探测器、数台电学滤波器、数台电学移频器、数台电学混频器、数台电学功分器及电学倍频器；信号采集与分析模块包括数据采集卡和计算机；其中：/n所述两台脉冲激光器分别发射两束光脉冲，两束光脉冲的波段均覆盖至待测气体组分的分子吸收谱线...

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应光纤光梳的燃烧场气体温度和多组分浓度的测量系统，其特征在于，该系统包括激光光源模块、分束装置、燃烧场测量光路、干涉信号探测模块、光学拍频及电路处理模块和信号采集与分析模块，所述激光光源模块包括两台脉冲激光器和两台连续激光器；燃烧场测量光路指待测燃烧场；干涉信号探测模块包括耦合器和光电探测器；光学拍频及电路处理模块包括数台光学耦合器、数台光学滤波器、数台光学探测器、数台电学滤波器、数台电学移频器、数台电学混频器、数台电学功分器及电学倍频器；信号采集与分析模块包括数据采集卡和计算机；其中：
所述两台脉冲激光器分别发射两束光脉冲，两束光脉冲的波段均覆盖至待测气体组分的分子吸收谱线范围；首先，一束光脉冲经过分束装置之后进入待测燃烧场，存在于待测燃烧场中的各气体组分将会吸收与其吸收光谱对应波段的激光脉冲；之后，这束光脉冲从所述燃烧场出来，与另一束光脉冲一起进入耦合器进行拍频，拍频之后进入光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号输出；连续激光器的输出光进入光学拍频及电路处理模块，在该模块内部与两个脉冲激光器的输出光进行分别拍频，形成电路拍频信号，最终输出一路自适应补偿信号与一路异步采样时钟信号；将干涉信号探测模块输出的电信号与自适应补偿信号输入至混频器，通过混频消除两台脉冲激光器的相对载波包络相位偏移抖动以及相对重复频率抖动，然后送入信号采集与分析模块，信号采集与分析模块以异步采样时钟作为触发时钟，对混频后的信号进行采集，获得稳定的时域干涉图形，再通过快速傅里叶变换得到待测组分的吸收光谱信号，接着对吸收光谱信号分别进行基线拟合、背景扣除、峰值积分处理得到目标吸收谱线的积分吸光度，最后根据双线测温法计算得到燃烧气体的温度、利用单线吸光度进行反演得到燃烧气体组分浓度；
其中，当频率为v的激光穿过待测区域的气体组分后，会被均匀的气体组分分子吸收；设光路上的积分吸光度为A：



Av为气体的吸光度；I和Io分别是透过待测区域前后的激光光强度；P为气体的压强；X为气体吸收组分的摩尔分数；T为气体温度；L为激光在待测区域中的传输长度；S(T)表示在温度T时对应的吸收谱线强度，其计算公式如下：



T0为参考温度，Q(T)表示目标吸收组分在温度T下的配分函数，h为普朗克常量；k为玻尔兹曼常数；c为光速；E”为低态能级值；vi是吸收谱线的中心频率；
在双线测温法中，选取同一吸收组分的两根吸收谱线，将两根吸收谱线的线强做比值，得到两根不同吸收谱线强度的比值R为：



A1和A2分别为两根吸收谱线对应的积分吸光度；E1”和E2”分别为两根吸收谱线对应的低态能级值；S1(T)和S2(T)分别为两根吸收谱线在温...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾和平，杨康文，李海，
申请(专利权)人：华东师范大学重庆研究院，华东师范大学，上海理工大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50