[實用新型]一種高溫高壓下氣態物種濃度和溫度的光譜檢測系統

有效

• 申請號: 201821000551.8
• 申請日: 2018-06-27
• 公開（公告）號: CN208238851U
• 公開（公告）日: 2018-12-14
• 發明（設計）人: 程鵬;郭亮;趙冰;孫萬臣;莊宇欣;蘇巖;孫成斌;邢四海;韓提亮;孫毅
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02
• 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

一種高溫高壓下氣態物種濃度和溫度的光譜檢測系統屬激光燃燒診斷技術領域，本實用新型中激光器系統、工控機、瑞利成像系統、拉曼成像系統、激光收集器和脈沖延遲發生器置于中央設有高溫高壓燃燒系統的光學平臺上；聚焦鏡、納秒級激光脈沖展寬器、線偏振1/2波片、激光發射器和激光控制器依次置于石英玻窗口Ⅰ前側，拉曼收集透鏡、負窄帶激光波長濾光片、拉曼光譜儀和拉曼ICCD相機依次置于石英玻窗口Ⅳ左側；激光收集器置于石英玻窗口Ⅲ后側；激光衰減片、瑞利ICCD相機依次置于石英玻窗口Ⅱ右側；本實用新型能實現大于1000K的高溫和高壓下的物種摩爾分數和溫度高精度定量檢測。

技術領域

本實用新型屬激光燃燒診斷技術領域，具體涉及一種高溫高壓下氣態物種濃度和溫度的光譜檢測系統。

背景技術

高效清潔燃燒是人類重要的研究課題之一。無論是發動機(包括航空航天發動機、交通運輸發動機等)中的各種燃料的燃燒，還是供電供熱的煤燃燒系統、基礎研究用的各種燃燒器的燃燒等等，都需要通過各種先進的燃燒診斷技術手段來探索進一步改善燃燒狀況的途徑和方法。由于一些燃燒體系的封閉性、瞬變性、爆炸惡劣性等問題，人們很難直接觀測到這些環境中的燃燒狀態，更難獲取燃燒室內的各種物種的濃度、溫度和速度的微觀物理信息，有時僅依賴于燃燒理論數值模擬計算，但缺乏實驗驗證。隨著科技的發展，各種激光燃燒診斷技術無疑為診斷燃燒過程提供了可能性。

通過激光自發振動拉曼散射，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，并具有非接觸性、同步性、時間(納秒級)和空間(毫秒)分辨能力。目前它已經廣泛應用于如內燃機缸內或某封閉或大氣環境下的燃燒體系內，通過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，來獲取氣體摩爾分數測量，以及通過氮氣的自發振動斯托克斯和反斯托克斯拉曼光譜信號，來獲取局部空間上的溫度的同步定量測量。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。

但目前這項技術較多的應用于1000K溫度以下的燃燒環境。當高于這個溫度后，氣態物種的自發振動斯托克斯和反斯托克斯拉曼光譜就具有溫度依賴性了。也就是說，各物種的光譜形狀會隨著高溫的變化而發生變化，這樣從光譜形狀(高度或面積)來定義光譜強度及接下來的摩爾分數和溫度的計算結果就不準確了，或者說計算誤差要大于5％，甚至更高。另一個技術問題是氣態物種的自發拉曼信號極弱(與激光能量之比約10^-14)，給定量測量帶來困難。

發明內容

本實用新型的目的在于提供一種利用激光瑞利散射測溫技術結合激光自發振動拉曼散射測量摩爾分數技術，通過溫度和摩爾分數的逐步迭代計算的方法，以及在激光器出口加裝了可調節旋轉位置的一個線偏振1/2波片，利用氣態拉曼信號的激光偏振特性，最大化拉曼信號強度，從而實現1000K溫度以上燃燒環境的摩爾分數和區域溫度的光譜檢測。