[發明專利]一種用于矩形燃燒流場的一對多高密度光纖光學探測裝置

在審

• 申請號: 202011039625.0
• 申請日: 2020-09-28
• 公開（公告）號: CN112504993A
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發明（設計）人: 陳建軍;尹韶云;孫秀輝;江海波;譚軍;顧海霞
• 申請（專利權）人: 中國科學院重慶綠色智能技術研究院;張家港奇點光電科技有限公司
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39;G01N21/01;G02B6/32;G02B6/34;G02B6/38
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 夏平;莫英妍

本發明提出一種用于矩形燃燒流場的一對多高密度光纖光學探測裝置，包括發射探頭模塊、接收探頭模塊和鎧裝光纖束，4個接收探頭模塊分別固定安裝在一矩形的四邊并形成矩形探測孔，4個發射探頭模塊分別安裝在4個接收探頭模塊的一側，發射探頭模塊、接收探頭模塊均與鎧裝光纖束連接，接收探頭模塊包括殼體、不銹鋼光纖插芯、耦合透鏡、第一光楔和光纖收發內接口，發射探頭模塊包括外套管、陶瓷插芯、準直透鏡、非球面柱透鏡和第二光楔。本發明采用一路發射、多路接收的方案，能夠有效抵御震動，提高探測分辨率，減少發射端光纖數量，減小光學系統體積，結構排布更加緊湊。

技術領域

本發明涉及可調諧半導體激光吸收光譜技術(TDLAS)在測量矩形燃燒場的二維溫度分布中的光學測量模塊，尤其是一種用于矩形燃燒流場的一對多高密度光纖光學探測裝置。

背景技術

當光束通過含有未知濃度的待測氣體的一定厚度的氣室時，如果發射光源的波長與待測氣體特征吸收波長一致，待測氣體會吸收光能，導致從待測氣體中透射光束的光強衰減，因此可以通過測量光路上待測氣體的吸收強度，從而獲得待測氣體的相關信息。根據氣體光譜吸收技術的基本原理——Lambert-Beer定律可知，待測氣體吸收過程中所經過的光程越大、氣體濃度越大，則吸收程度越大，出射光強衰減越多，即氣體的吸收度與其厚度和其濃度成正比。

激光光譜技術廣泛應用于燃燒領域，例如在沖壓發動機、航空發動機、燃煤鍋爐上的應用等，是燃燒診斷的重要手段之一。波長調制諧波檢測技術是基于直接吸收檢測技術原理的一種，通過調制和解調技術減少系統的隨機噪聲的影響，提高系統的信噪比。波長調制諧波檢測技術如圖1所示。

氣體檢測系統可分為光學模塊、電學模塊和數據處理模塊。系統示意圖如圖2所示。其中的光學模塊主要包括有可調諧激光器、光學吸收池和光電探測器。

可調諧激光器作為紅外光源發出特定波長的紅外光，在光學吸收池中與燃燒場中的粒子相互作用，產生散射、吸收、熒光等光譜信號。光電探測器在出射端接收光信號，通過分析這些攜帶有燃燒場溫度、組分濃度等信息的光譜信號，可以實現利用激光光譜技術診斷燃燒流場的目的。

在實際流場中由于流動混合、相變、化學反應、與壁面的熱交換等效應的存在，使得沿著光線傳播方向有明顯的梯度變化，單一路徑上氣體的平均參數不能滿足準確預測氣體流動特性的要求。因此，需要增加同一平面上的光線空間分布信息，滿足獲取氣體二維分布的要求。以獲得流場內的二維分布信息。TDLAS技術不同于傳統的單點或單線測量手段，是一種基于視線效應的測量，可以詳細給出流場內部氣體參數的二維信息，滿足燃燒流場氣體多參數實時測量的需求。

為了提高重建結果質量，在光學測量模塊中，光線分布的設計尤為關鍵，需要盡可能設計多的光線穿過流場區域。但在實際的燃燒流場測量中，由于光學吸收池空間有限，無法安裝大量的測量設備，現有方案通常采用移動旋轉或光線固定模式來彌補一次投影光線數目的不足。

1)移動旋轉模式

圖3(a)裝置利用4個高速旋轉平臺產生4束夾角為11°的扇形光束，能在0.1s內完成對被測區域的掃描并得到了400組投影數據，實現了對氣體參數截面分布的高速掃描測量。圖3(b)測量方案利用裝置的等距平移，實現了對300—1100K范圍的紅外燃氣爐溫度場進行了重建。缺點：在移動旋轉過程中，需要機械運動部件，在實際應用中避免不了受到機械振動的影響，且無法實現對非定常流場的瞬時測量。

2)空間固定模式

圖4(a)采用4個投影角度，每個投影角度6條光線的方式，測量了不同當量比下的平面火焰溫度和濃度分布。圖4(b)所示，選取6條測量光線，固定安裝在矩形框架上，對1333—1377nm的H2O吸收光譜范圍進行掃描，對包含當量比為0.5的H2－空氣混合氣體火焰等6個區域進行了重建。缺點：這種模式下，光學的發射端(Beams) 和接收端(Detector)為對稱分布在被測區域兩側，這種點對點、一對一的收發模式限制了投影光線的數目。

發明內容