[發明專利]實時監測火焰熱釋放率脈動的太赫茲裝置及測量方法

有效

• 申請號: 202110382379.7
• 申請日: 2021-04-09
• 公開（公告）號: CN113281297B
• 公開（公告）日: 2023-01-17
• 發明（設計）人: 宋艷;楊立軍;李敬軒;劉虎
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01N21/3586
• 分類號: G01N21/3586
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種實時監測火焰熱釋放率脈動的太赫茲裝置，其特征在于：包括泵浦飛秒激光器、探測飛秒激光器、分束鏡、鎖頻控制系統、信號觸發系統、太赫茲波產生裝置、信號采集系統及計算機；

所述泵浦飛秒激光器和探測飛秒激光器用于產生泵浦光束和探測光束；泵浦光束和探測光束分別通過分束鏡一和分束鏡三分束，反射的泵浦鎖頻激光和探測鎖頻激光光束進入鎖頻控制系統；經分束鏡一和分束鏡三透射的光束再次分別被分束鏡二和分束鏡四分束，反射的泵浦觸發激光和探測觸發激光光束進入信號觸發系統，產生觸發信號進入信號采集系統；透過分束鏡二的泵浦測試激光進入太赫茲波產生裝置產生測量太赫茲脈沖及參考太赫茲脈沖；

所述信號采集系統包括信號采集系統一、信號采集系統二，透過分束鏡四的探測測試激光被分束鏡五分束后，反射的探測測試激光進入信號采集系統二，透射的探測測試激光進入信號采集系統一；信號采集系統輸出信號被計算機所采集；

所述鎖頻控制系統用于保證泵浦飛秒激光器和探測飛秒激光器輸出脈沖的重復頻率間有一個固定的差值；

所述太赫茲波產生裝置用于產生測量太赫茲波和參考太赫茲波；

所述信號采集系統用于檢測通過火焰樣品后的待測太赫茲波和通過參考樣品池后參考太赫茲波的透射功率；具體為：

計算機輸出不同采樣時刻的測量太赫茲脈沖的時域光譜E_1s(t)，E_2s(t)，…，E_ns(t)和參考太赫茲脈沖的時域光譜E_1r(t)，E_2r(t)，…，E_nr(t)；

分別對測量太赫茲脈沖的時域光譜E_is(t)和參考太赫茲脈沖的時域光譜E_ir(t)進行快速傅里葉變換得到不同采樣時刻測量太赫茲脈沖和參考太赫茲脈沖的頻域光譜I_is(ω)和I_ir(ω)；

將測量太赫茲脈沖的頻域光譜I_is(ω)與參考太赫茲脈沖的頻域光譜I_ir(ω)相比得到化簡后的測量火焰的復透射函數H_i(ω)的相位函數

其中，是i時刻火焰區域氣體的平均復折射率，ω為頻率，j為虛數單位，e為自然指數，為該時刻太赫茲脈沖通過火焰區域的平均距離，c表示真空中的光速,A_i(ω)表示復透射函數的幅值函數；

將復折射率帶入求得的相位函數得到該時刻測量火焰的平均折射率

根據平均折射率得到在頻率ω₀處火焰不同時刻的定頻折射率其中Δt為采樣時間間隔；

根據定頻折射率，利用Glastone–Dale公式確定火焰平均密度

其中，上標表示穩定值,而上標()′表示脈動值，為頻率為ω₀時混合物的Glastone–Dale常數，Y_k為混合氣體中第k種氣體組分的質量分數，G_k為混合氣體中第k種氣體組分的Glastone–Dale常數，G_k與入射光頻率有關，但不隨溫度的變化而變化；

根據火焰平均密度，利用熱釋放率和密度間的近似關系式，獲取測試火焰區域熱釋放脈動

其中，v是聲速，γ為混合物的比熱容比。

2.如權利要求1所述實時監測火焰熱釋放率脈動的太赫茲裝置，其特征在于：所述鎖頻控制系統包括光電二極管一、微波放大器一、光電二極管二、微波放大器、雙平衡混頻器一、頻率-電壓轉換器、雙平衡混頻器二、PID控制器、運算放大器一和壓電式換能器；所述光電二極管一探測泵浦鎖頻激光的重復頻率后其信號被微波放大器一放大，光電二極管二探測探測鎖頻激光的重復頻率后其信號被微波放大器二放大，微波放大器一和微波放大器二的信號被送入雙平衡混頻器一，得到兩束激光脈沖的重復頻率差，并將頻率差發送到頻率-電壓轉換器，其輸出信號作為平衡混頻器二的輸入，隨后雙平衡混頻器二的輸出反饋到PID控制器，然后被發送至運算放大器一，放大后的信號用來驅動位于泵浦飛秒激光器上的壓電式換能器。