一种高频动态火焰温度测量方法与系统技术方案

本发明专利技术涉及一种高频动态火焰温度测量方法及系统。本方法采用两个不同波长的种子激光，通过光纤耦合器注入固体激光器进行能量放大；通过光开关快速切换注入的激光波长，得到快速切换波长的激光脉冲，通过同一个相机进行双脉冲激光成像。脉冲信号的延迟与脉冲宽度等时序参数由一个时间精确度达到皮秒级的延时发生器提供，并通过光开关与成像系统之间的时序配合实现对二维温度场激光诱导荧光信号的同步捕捉与干扰排除功能。相较于之前采用两套不同波长成像的传统双线测温方法，本发明专利技术具有单相机成像质量高、控制系统简约、光路设置简单等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种高频动态火焰温度测量方法与系统
本专利技术涉及火焰温度测量技术，具体地涉及一种高频动态火焰温度测量方法与系统。
技术介绍
燃气轮机作为热-功转换的重要设备，也是一种可以实现低污染燃烧的主要手段。研究燃气轮机的燃烧机理对于提高燃烧效率减少污染物排放具有重要意义，而温度又是燃烧过程中的关键参数。对火焰温度测量技术的研究与改进，无论对燃烧过程中反应机理的理论研究，还是对开发新型低污染机型，以及研究燃气轮机工作稳定性都具有重要的实用价值。近年来研究人员将PLIF技术应用于燃烧场测温的方案主要是双线PLIF测温方法，PLIF技术能够获得燃烧场中某些基团(CH2O，NO，CH，OH)等的二维成像，因此能够实现具有时空分辨率的温度场测量，且在理论上能够避免压力、自由基浓度与荧光猝灭效应的影响。该方法原理是使用两束不同波长的激光几乎在同时激发某种基团处于同一振动能级的不同转动能级上，计算相应荧光信号的比率就可以获得火焰温度，将每个像素点进行荧光信号-温度转化后就可以得到二维整场温度。双线PLIF测温方法的公式为：其中，△E12为下能级上两个被激发的转动能级1和2之间的能级间隔；k为玻尔兹曼常数；R为两能级对应荧光信号的比率；I1与I2分别为对应两个转动能级激发波长的能量。因此，只要测得两条不同激发线的PLIF图像和激光能量信号就能够处理得到火焰中的二位温度场分布。传统的双线PLIF测温一般采用两种方案实现过程，第一种方案是采用两台不同波长的激光器，使得其波长分别固定在基团两个转动能级的吸收峰位置进而实现短时间间隔内的荧光信号测量，但这一过程存在着光路耦合困难、多台仪器实验状态难以调节一致、以及双波长激光器控制系统冗杂的问题；第二种方案是采用可调谐激光器进行快速波长扫描，从而实现短时间内两个峰位置的波长切换，此过程存在的问题是无法保证在极短时间内完成波长切换从而无法完成双峰同步测量，从而无法实现状态变化极快的高度湍流温度场测量。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高频动态火焰温度测量方法与系统，以解决上述问题。为此，本专利技术采用的技术方案如下：根据本专利技术的一方面，提供了一种高频动态火焰温度测量系统，其可包括第一种子激光发生器和第二种子激光发生器、第一声光调制模块和第二声光调制模块、第一数字延时信号发生器、光纤耦合器、光强测量装置、固体激光器、点—面光路转换组件、高速相机、像增强器和计算机，所述第一种子激光发生器和所述第二种子激光发生器分别用于产生第一种子激光和第二种子激光，并通过相应光纤分别与所述第一声光调制模块和第二声光调制模块的进口连接，所述第一数字延时信号发生器用于对所述第一声光调制模块和第二声光调制模块进行通断控制，所述第一声光调制模块和第二声光调制模块的出口通过相应光纤连接至所述光纤耦合器，所述光纤耦合器通过出口光纤连接至所述固体激光器的入口，所述固体激光器用于将所述光纤耦合器输出的激光倍频、调制并放大成总频率为40KHZ的双脉冲激光信号，所述光强测量装置在所述固体激光器的出光口附近并与所述计算机电连接，用于测量所述双脉冲激光信号的光强，所述点—面光路转换组件布置在所述固体激光器的出光口附件，用于将点状双脉冲激光转换成平面双脉冲激光，以使火焰诱导出荧光信号；所述高速相机与所述点—面光路转换组件分别布置在待测火焰的两侧上，位于火焰中心平面上；所述高速相机用于拍摄荧光信号，所述高速相机和所述像增强器与所述计算机电连接，所述计算机用于根据光强信息和平面激光诱导荧光信号计算得到火焰的二维温度场分布。在较佳实施例中，第一种子激光和第二种子激光的波长分别是1064.1nm和1064.2nm。在较佳实施例中，第一种子激光发生器和第二种子激光发生器具有相应控制器，所述控制器用于改变种子激光器的控制温度和控制电流，以得到所需波长的种子激光。在较佳实施例中，所述第一声光调制模块和第二声光调制模块为声光调制器。在较佳实施例中，所述第一数字延时发生器具有AB出口和CD出口，所述AB出口和CD出口分别与所述第一声光调制模块和所述第二声光调制模块电连接。在较佳实施例中，所述固定激光为Nd:YAG高频脉冲激光器，并且包括第三声光调制模块、第四声光调制模块、光纤放大器和第二数字延时信号发生器，所述光纤耦合器通过出口光纤连接至所述第三声光调制模块，所述第三声光调制模块连接至所述第四声光调制模块，所述第四声光调制模块连接至所述光纤放大器，所述第二数字延时信号发生器用于对所述第三声光调制模块和第四声光调制模块进行通断控制，以再次对第一种子激光和第二种子激光的脉冲信号进行调制，产生总频率为40KHZ的双脉冲激光信号，所述双脉冲激光信号通过所述Nd:YAG高频脉冲激光器的晶体倍频和光学参量放大器处理后成为可用于激发自由基荧光信号的激光；所述光纤放大器用于将双脉冲激光信号进行放大处理，提高其能量。在较佳实施例中，所述第二数字延时信号发生器的一路信号输出给所述高速相机，作为拍摄触发信号，SYNC信号输出给所述高速相机作为快门信号，以及所述高速相机输出一路信号给所述像增强器，使得二者的触发信号与快门信号相同步，并且所述双脉冲激光信号包络在像增强器快门和高速相机快门时间之内。在较佳实施例中，所述光强测量装置包括光电二极管探测器、示波器和数据采集卡，所述光电二极管探测器布置在所述光纤放大器的出光口附近，用于探测光强信号，其信号输出端口接入所述示波器的采样通道，同时用所述数据采集卡实时采集每一次脉冲后所述示波器上的光强信号并传送至所述计算机。在较佳实施例中，该系统还包括226/283/355nm滤波片，其布置在所述Nd:YAG高频脉冲激光器的出光口与所述点—面光路转换组件组件之间。根据本专利技术的另一方面，还提供了一种高频动态火焰温度测量方法，其可包括以下步骤：提供如上所述的高频动态火焰温度测量系统；对标准平面扩散火焰进行拍摄与信号采集处理，得到像素点光强信息与温度场的关联信息作为标定数据；保持光纤放大器和像增强器的参数不变，对高速脉动的湍流火焰进行拍摄，结合荧光信息、激光光强信息与标定数据，即可获得高速湍流的温度场分布信息。进一步地，该方法还包括步骤：调节第一种子激光发生器和第二种子激光发生器的控制温度和控制电流，以产生1064.1nm的第一种子激光和1064.2nm的第二种子激光。本专利技术采用声光调制模块对波长进行快速切换，简化系统布置结构，解决多台激光器的复杂光路耦合问题，并且采用40KHz的超高频脉冲激光器，能够实现湍流场的快速动态测温。附图说明图1是本专利技术的一种高频动态火焰温度测量系统的示意图；图2是调整时序后的高速相机门信号、像增强器开关信号和双脉冲激光信号的耦合示意图；图3是采用本专利技术的高频动态火焰温度测量系统和方法进行实验得到的湍流燃烧瞬态温度场分布图，其中，a-f分别示出时间t＝0、50μs、100μs、400μs、900μs和1ms的湍流燃烧瞬态温度场分布图。附图标记：1、第一种子激光发生器，2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高频动态火焰温度测量系统，其特征在于，包括第一种子激光发生器和第二种子激光发生器、第一声光调制模块和第二声光调制模块、第一数字延时信号发生器、光纤耦合器、光强测量装置、固体激光器、点—面光路转换组件、高速相机、像增强器和计算机，所述第一种子激光发生器和所述第二种子激光发生器分别用于产生不同波长的第一种子激光和第二种子激光，并通过相应光纤分别与所述第一声光调制模块和第二声光调制模块的进口连接，所述第一数字延时信号发生器用于对所述第一声光调制模块和第二声光调制模块进行通断控制，所述第一声光调制模块和第二声光调制模块的出口通过相应光纤连接至所述光纤耦合器，所述光纤耦合器通过出口光纤连接至所述固体激光器的入口，所述固体激光器用于将所述光纤耦合器输出的激光倍频、调制并放大成总频率为40KHZ的双脉冲激光信号，所述光强测量装置在所述固体激光器的出光口附近并与所述计算机电连接，用于测量所述双脉冲激光信号的光强，所述点—面光路转换组件布置在所述固体激光器的出光口附件，用于将点状双脉冲激光转换成平面双脉冲激光，以使火焰诱导出荧光信号；所述高速相机与所述点—面光路转换组件分别布置在待测火焰的两侧上，位于火焰中心平面上；所述高速相机用于拍摄荧光信号，所述高速相机和所述像增强器与所述计算机电连接，所述计算机用于根据光强信息和平面激光诱导荧光信号计算得到火焰的二维温度场分布。/n...

【技术特征摘要】
1.一种高频动态火焰温度测量系统，其特征在于，包括第一种子激光发生器和第二种子激光发生器、第一声光调制模块和第二声光调制模块、第一数字延时信号发生器、光纤耦合器、光强测量装置、固体激光器、点—面光路转换组件、高速相机、像增强器和计算机，所述第一种子激光发生器和所述第二种子激光发生器分别用于产生不同波长的第一种子激光和第二种子激光，并通过相应光纤分别与所述第一声光调制模块和第二声光调制模块的进口连接，所述第一数字延时信号发生器用于对所述第一声光调制模块和第二声光调制模块进行通断控制，所述第一声光调制模块和第二声光调制模块的出口通过相应光纤连接至所述光纤耦合器，所述光纤耦合器通过出口光纤连接至所述固体激光器的入口，所述固体激光器用于将所述光纤耦合器输出的激光倍频、调制并放大成总频率为40KHZ的双脉冲激光信号，所述光强测量装置在所述固体激光器的出光口附近并与所述计算机电连接，用于测量所述双脉冲激光信号的光强，所述点—面光路转换组件布置在所述固体激光器的出光口附件，用于将点状双脉冲激光转换成平面双脉冲激光，以使火焰诱导出荧光信号；所述高速相机与所述点—面光路转换组件分别布置在待测火焰的两侧上，位于火焰中心平面上；所述高速相机用于拍摄荧光信号，所述高速相机和所述像增强器与所述计算机电连接，所述计算机用于根据光强信息和平面激光诱导荧光信号计算得到火焰的二维温度场分布。


2.如权利要求1所述的高频动态火焰温度测量系统，其特征在于，第一种子激光和第二种子激光的波长分别是1064.1nm和1064.2nm。


3.如权利要求1或2所述的高频动态火焰温度测量系统，其特征在于，第一种子激光发生器和第二种子激光发生器具有相应控制器，所述控制器用于改变种子激光器的控制温度和控制电流，以得到所需波长的种子激光。


4.如权利要求1所述的高频动态火焰温度测量系统，其特征在于，所述第一数字延时发生器具有AB出口和CD出口，所述AB出口和CD出口分别与所述第一声光调制模块和所述第二声光调制模块电连接。


5.如权利要求1所述的高频动态火焰温度测量系统，其特征在于，所述固定激光器为Nd:YAG高频脉冲激光器，并且包括第三声光调制模块、第四声光调制模块、光纤放大器和第二数字延时信号发生器，所述光纤耦合器通过出口光...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘训臣，齐飞，王雅瑶，王绍杰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31