[發明專利]基于激光誘導擊穿光譜的噴霧局部當量比測量系統和方法

有效

• 申請號: 202110050731.7
• 申請日: 2021-01-14
• 公開（公告）號: CN112945935B
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 黃佐華;葛睿涵;胡二江;張俊杰;高群飛
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N21/71
• 分類號: G01N21/71
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 閔岳峰

1.基于激光誘導擊穿光譜的噴霧局部當量比測量方法，其特征在于，該方法基于噴霧局部當量比測量系統，該系統包括激光誘導擊穿光譜系統、噴射系統和進排氣系統；

激光誘導擊穿光譜系統包括計算機(1)、增強型電耦合器ICCD(2)、光譜儀(3)、濾波片(4)、凸透鏡(5)、反射鏡(7)、聚焦透鏡(8)、分光片(9)、第一能量探頭(10)、激光器(12)、第一能量計(13)、第二能量探頭(17)和第二能量計(18)；噴射系統包括單次噴射控制儀(6)、噴油器(15)和手搖液壓泵(16)；進排氣系統包括定容裝置(14)、真空泵(19)和惰性氣體(20)；

其中，激光誘導擊穿光譜系統由激光器(12)發射出的激光經過分光片(9)后光路分為兩束，其中一束反射至第一能量探頭(10)，該裝置連接的第一能量計(13)對激光出射能量進行檢測，另一束投射能量經過反射鏡(7)反射后由聚焦透鏡(8)聚焦，通過定容裝置(14)水平橫向的一側的石英玻璃并在中心位置產生擊穿，擊穿后的光束通過定容裝置(14)另一側的石英玻璃后由第二能量探頭(17)采集，通過連接的第二能量計(18)讀取出射后的激光能量；激光擊穿后產生的信號和其他激光散射光通過定容裝置(14)水平縱向的一側石英玻璃后，由凸透鏡(5)聚焦，再經過濾波片(4)濾掉激光產生的光信號后進入光譜儀(3)；計算機(1)連接增強型電耦合器ICCD(2)，輸出的光信號通過光譜儀(3)的采集與分解經由增強型電耦合器ICCD(2)轉化，通過計算機(1)對光電信號進行采集記錄；

噴射系統噴油器(15)密封接于定容裝置(14)頂部，噴射由單次噴射控制儀(6)控制噴油脈寬，手搖液壓泵(16)控制噴油壓力；進排氣系統的真空泵(19)與惰性氣體(20)通過高壓管路接于定容裝置(14)上，測量噴霧當量比前，打開惰性氣體(20)管路閥門，使定容裝置(14)內部達到指定背壓后關閉，測量結束后，打開真空泵(19)管路閥門，將定容裝置(14)抽至真空狀態以備下次測試；

單次噴射控制儀(6)與激光器(12)的外觸發接口均接于信號同步發生器(11)，激光誘導擊穿光譜系統的探測和噴射系統的噴油時序由信號同步發生器(11)控制；

該方法包括以下步驟：

1)步驟一、根據測量對象選取，；

根據激光誘導擊穿光譜理論，當激光擊穿能量、環境溫度、壓力不變時，可燃氣的當量比與LIBS特征峰值強度比PIR比具線性相關關系；因此通過LIBS測出已知當量比的預混氣體對應PIR值得到一一對應關系，為避免在LIBS使用過程中預混氣體燃燒，可燃預混氣中的氧氣應使用惰性氣體替代；

2)步驟二、測量激光擊穿能量；

測量激光擊穿能量之前，首先測試分光片分光比及定容裝置激光入射出射口的石英玻璃透射率；石英玻璃的透射率通過將撤走聚焦鏡測出，此時激光在定容裝置中無法擊穿，根據入射出舍能量計算透射率，計算公式如下：

其中，λ為石英玻璃透射率，E_in和E_out分別對應無聚焦鏡情況下激光入射和出射能量；

激光擊穿能量通過如下公式計算：

其中，E_b為激光擊穿能量；λ’為對應工況下測出的透射率值，該值的計算方式和石英玻璃透射率方式相同；E_in和E_out分別為實際擊穿情況下的激光入射和出射能量；

3)步驟三、標定不同擊穿能量下的擬合曲線；

在測得激光擊穿能量E_b后對PIR與當量比關系進行測試，保持背壓與溫度不變，在定容裝置中通入已知當量比的混合氣，通過線性回歸建立不同激光能量下的擬合曲線，根據激光擊穿理論可知，當燃料當量比為0時，PIR值為0，即可建立該擊穿能量下的標定曲線：

其中，E_b為激光擊穿能量，為已知當量比的值，k為擬合正比例曲線的斜率，該斜率與激光擊穿能量有關；

4)步驟四、擬合不同擊穿能量與擬合曲線斜率關系；

在液體燃料噴射過程中，激光擊穿能量會隨燃料氣化過程變化，故以實際測量使用的激光能量為基準上下選取多個能量大小，擬合不同激光能量下的激光擊穿能量與標定曲線關系，基于步驟一，對不同激光能量下的曲線進行標定后，根據測得的激光擊穿能量與對應的斜率，選用二次反比例函數擬合激光擊穿能量與標定曲線斜率關系：

其中，A,B,C為擬合公式對應的常量；

在測量噴霧局部當量比時，依據該公式求出實驗點的激光擊穿能量對應的標定曲線斜率，再根據標定曲線和實際所得PIR值求出該實驗點的當量比；

綜合上述說明，當量比與PIR值的關系為：

5)步驟五、實際檢測過程中的擊穿點調整與激光能量檢測；

在液體燃料噴射過程中，由于燃料氣化的問題會使得激光擊穿位置有一定變化，對于激光擊穿位置的變化，通過重復多次同工況實驗，依據肉眼觀察或紋影系統成像對擊穿位置進行調整，在調整激光擊穿位置的過程中同步記錄擊穿和未擊穿條件下的激光能量變化，依據平均數求出激光擊穿能量并建立對應的標定曲線；

6)步驟六、重復實驗求噴霧局部當量比；

調節好激光系統的能量，并在定容裝置內充入惰性氣體，單次噴射控制儀調好測量所需的噴射脈寬，用手搖液壓泵使管路壓力增至測量壓力，用信號同步發生器調節好LIBS測點與噴射之間的時間間隔，并觸發，計算機記錄下該測點的光譜信息，通過步驟四所得結果，求出該測點的對應當量比。