[發明專利]一種多通道光纖式氣體拉曼散射測量系統

在審

• 申請號: 201811219023.6
• 申請日: 2018-10-18
• 公開（公告）號: CN109085152A
• 公開（公告）日: 2018-12-25
• 發明（設計）人: 程鵬;郭亮;趙冰;孫萬臣;蘇巖;隗海林;孫毅;李奉學;劉中鵬
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 邵銘康;朱世林

一種多通道光纖式氣體拉曼散射測量系統屬激光燃燒診斷技術領域，本發明中激光器系統、拉曼光譜成像系統、10通道光纖耦合系統、測控系統、45度激光反射鏡、激光聚焦鏡和激光收集器置同一光學平臺，激光器系統置45度激光反射鏡正后方，激光聚焦鏡置45度激光反射鏡正右方、燃燒區正左方，激光收集器置燃燒區正右方，拉曼光譜成像系統Ⅱ置激光器系統正右方，10通道光纖耦合系統置拉曼光譜成像系統正右方、燃燒區正后方，測控系統Ⅳ置10通道光纖耦合系統后方；本發明可實現動態燃燒場氣態物種的激光自發振動拉曼光譜線成像，可實現動態燃燒場氣態物種的摩爾分數和區域溫度的高精度定量測量。

技術領域

本發明屬激光燃燒診斷技術領域，具體涉及一種多通道光纖式氣體拉曼散射測量系統。

背景技術

高效清潔安全燃燒是人類重要的研究課題之一。無論是在發動機(包括航空航天發動機、交通運輸發動機等)、供電供熱的煤系統和燃氣輪機中，還是在基礎研究用的各類燃燒器中的燃燒，都需要通過各種先進的燃燒診斷技術手段來探索燃燒機理和進一步改善燃燒狀況的途徑和方法。由于一些燃燒體系(如內燃機缸內的燃燒)的封閉性、瞬態性、爆炸惡劣性等問題，目前人們一般采用各種激光燃燒診斷技術來檢測燃燒過程。通過這些技術可以直接觀測到燃燒場燃燒狀態，實現燃燒場溫度、組分及組分濃度、流度和火焰結構等高時空分辨的精確測量，為燃燒理論數值模擬計算提供實驗驗證。

通過激光自發振動拉曼散射物種光譜測量，可以實現復雜燃燒環境下的主要物種的濃度(摩爾分數)和區域溫度的檢測，并具有測量的非接觸性、多物種測量同步性、定量性、時間(納秒級)和空間(毫米級)分辨能力。目前它已經廣泛應用于如發動機燃燒室內或某封閉或大氣環境下的各種燃燒體系內。通過同步測量具有拉曼活性的氣態物種(氮氣、氧氣、二氧化碳、碳氫燃料、氫氣、一氧化碳等)的自發振動斯托克斯拉曼光譜信號，來獲得氣體摩爾分數，并由氮氣的自發振動斯托克斯和反斯托克斯拉曼光譜信號，來獲得局部空間上的溫度。這些光學測量結果與數值模擬計算結果互相驗證和補充，為燃燒理論和燃燒試驗提供基礎數據。

但由于燃燒系統(如在內燃機試驗臺架中的光學發動機缸內的燃燒)存在系統結構復雜、環境惡劣、實驗空間有限、布置光學成像系統困難、空間雜散光干擾大和存在機械振動等諸多不利因素，造成在動態燃燒場內測量氣體拉曼散射信號時，受到光學器件布置的空間限制、雜散光干擾和機體振動的影響而不能得到更高的時空分辨能力和更大的氣態拉曼信號的信噪比。由于實際測量的空間位置的隨機變動，而得不到準確的動態燃燒內測量點或線或面上的氣體拉曼散射信號，其光學測量結果也就難與數值模擬仿真結果相對應。

發明內容

本發明的目的在于提供一種利用光纖傳導的氣態拉曼散射光收集光學系統來完成實現復雜動態燃燒場內的基于激光自發振動拉曼散射的精確定量測量氣體摩爾分數和區域溫度測量技術。通過一個多通道光纖傳感器，在其輸入輸出兩端分別按直線緊密布置排列10路光纖，其中一端的前部安裝有一個收集鏡構成輸入端，并與振動的燃燒系統緊固連接，保證該光纖的輸入端與燃燒系統同步振動，消除機體振動對測量位置的影響；另一端為輸出端，它與兩片準直反射鏡進行光學耦合，經由一片激光濾光片后準直到光譜儀狹縫。最后在拉曼ICCD相機上得到氣態物種拉曼光譜成像信號，從而實現動態燃燒場環境下的混合氣體摩爾分數和區域溫度的光譜檢測。