一种基于波长调制剪切干涉的火焰温度分布测量系统与方法技术方案

本发明专利技术提出一种基于波长调制剪切干涉的火焰温度分布测量系统与方法，包括信号发生器、可调谐二极管激光器、准直镜、球透镜、第一凸透镜、待测火焰、平面反射镜、平行玻璃平板、第二凸透镜和高速相机。激光器发出的激光经准直镜、球透镜、第一凸透镜和平面反射镜后，在平行玻璃平板前后两个表面反射，两束反射光交叠区域的干涉图被第二凸透镜缩小至高速相机接收。在具体测量过程中，空场和燃烧状态下快速调制入射激光的波长，在每个像素点上提取两条干涉光强曲线的相移，求出待测火焰的差分相位分布，进而求解火焰折射率和温度分布。本发明专利技术无需预先标定调制过程中的波长，可以实现对动态火焰温度分布的快速非接触测量，具有广阔的应用前景。应用前景。应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于波长调制剪切干涉的火焰温度分布测量系统与方法
(一)

[0001]本专利技术提出一种基于波长调制剪切干涉的火焰温度分布测量系统与方法，属于干涉光学测量和燃烧场温度测量两个领域。通过快速调制可调谐二极管激光器的波长改变光学相位分布，提取出空场和燃烧场干涉光强曲线之间的相移，通过相位解包裹和反差分求解火焰相位分布，从而得到火焰折射率和温度分布。该专利技术无需预先对调制过程的波长进行标定，并且由于可调谐二极管激光器的波长扫描速度高达几千赫兹，因而有望实现对动态火焰温度分布的快速非接触测量。
(二)
技术介绍

[0002]燃烧和火焰广泛存在于能源、航空航天和化工等领域，火焰温度是燃烧过程中的重要热力学参数之一，火焰的温度分布及其随时间的波动深刻揭示了火焰的内在燃烧机理。准确监测火焰的温度分布对模拟化学反应、进行可靠的数值分析以及设计燃烧器结构有重要的指导意义。传统的火焰温度测量手段包括热电偶、热电阻等方法，这种测量方式简单、易操作，但是容易干扰流场，空间分辨率较低。比如2017年，Doyle等发表在《科学仪器综述》(Review of Scient本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于波长调制剪切干涉的火焰温度分布测量系统与方法，所述系统包括信号发生器、可调谐二极管激光器、准直镜、球透镜、第一凸透镜、待测火焰、平面反射镜、平行玻璃平板、第二凸透镜和高速相机，其特征在于：可调谐二极管激光器发出的激光经准直镜、球透镜、第一凸透镜、平面反射镜，在平行玻璃平板前后两个表面反射，两束反射光交叠区域的干涉图经第二凸透镜缩小至高速相机接收；分别在空场和燃烧状态调制激光器波长，在每个像素点上提取出两条干涉光强曲线间的相移，求出待测火焰的差分相位分布，进而计算出火焰的折射率和温度分布。2.根据权利要求1所述的一种基于波长调制剪切干涉的火焰温度分布测量系统与方法，其特征在于：可调谐二极管激光器发出的激光经准直镜准直后照射在球透镜上，球透镜和第一凸透镜组成的扩束系统将入射光在空间中扩束，平面反射镜将扩束后的光反射至平行玻璃平板表面，平行玻璃平板前后两个表面的反射光在其交叠区域发生干涉，干涉图经第二凸透镜会聚至高速相机实现干涉光强的探测；在空场状态下，信号发生器发出连续的锯齿波信号调制可调谐二极管激光器的波长，为准确确定每个调制周期的起始点，设置锯齿波信号的最低电压低于激光器出光的阈值电压；在燃烧状态下同样进行波长调制，由于激光波长改变，穿过燃烧区域路径上的相位分布发生变化，空场和燃烧状态下变化的干涉图均由高速相机采集。3.根据权利要求1所述的一种基于波长调制剪切干涉的火焰温度分布测量系统与方法，其特征在于：调制入射激光的波长，分别提取空场和燃烧状态下的干涉光强曲线，通过求解两条曲线之间的相移，求出待测火焰在0～2π之间的差分相位分布，通过相位解包裹和反差分运算获得火焰的真实相位分布，进而求解火焰折射率和温度分布，具体步骤如下：步骤一：在空场状态下，对于干涉图中坐标为(x,y)的像素点，其相位Θ0为：Θ0(x,y)＝θ
s
(x,y)
‑
θ
s
(x
‑
s,y)+2πΔZ/λ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，x和y代表水平轴和竖直轴，θ
s
是平行玻璃平板前的波面相位，s代表系统剪切量，ΔZ是光通过平行玻璃平板产生的光程差，λ代表激光波长；在波长调制过程中，该像素点的干涉光强I0为：I0(λ)＝I
in
(λ){α+βcos[Δθ
s
(λ)+2πΔZ/λ]}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，I
in
代表入射激光强度，α和β分别为干涉光强度的直流分量系数和交流分量系数；火焰点燃后，该像素点的相位Θ1为：Θ1(x,y)＝Θ
f
(x,y)
‑
Θ
f
(x
‑
s,y)+Θ0(x,y)＝ΔΘ
f
(x,y)+Θ0(x,y)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐立军，汤晓阳，曹章，曹李培，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：