[发明专利]一种基于平行光快速测量层流扩散火焰中碳烟浓度的装置和方法

权利要求书

1.一种基于平行光快速测量层流扩散火焰中碳烟浓度的装置，其特征在于，包括氙光灯、依次设置在氙光灯光路方向上的燃烧器、凸透镜A、小孔光阑、凸透镜B、衰减片、滤光片和CCD相机，其中燃烧器、凸透镜A、小孔光阑、凸透镜B、衰减片和滤光片均固定在测试平台上，CCD相机放置在可调整支架上；保证除燃烧器以外所有装置的中心线均处于同一直线上；小孔光阑位于凸透镜A和凸透镜B中间的焦距位置；燃烧器位于光路的下方；CCD相机连入计算机；

所述氙光灯装有准直镜头，能够打出平行光，且在氙光灯可见光波长范围内包括滤光片的波长λ；

所述小孔光阑为中心孔径可调的圆形光阑；

所述燃烧器发出的火焰为层流扩散火焰。

2.根据权利要求1所述的一种基于平行光快速测量层流扩散火焰中碳烟浓度的装置，其特征在于，所述小孔光阑中心孔径略大于氙光灯发出的平行光经凸透镜A聚焦后形成的光束的直径，以保证光束不会在小孔光阑的中心孔的边缘产生干涉。

3.根据权利要求1所述的一种基于平行光快速测量层流扩散火焰中碳烟浓度的装置，其特征在于，所述燃烧器下方设置有空气入口，所述空气入口位于燃烧器喷嘴的外围，与燃烧器喷嘴同轴布置；空气入口一端与高压气瓶相连，另一端通向燃烧器所发出的火焰的四周。

4.根据权利要求1所述的一种基于平行光快速测量层流扩散火焰中碳烟浓度的装置，其特征在于，所述衰减片为单片或衰减片组。

5.一种基于平行光快速测量层流扩散火焰中碳烟浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、关闭测量现场的所有光源，关闭氙光灯及燃烧器，打开CCD相机，调节CCD相机至合适位置并固定，CCD相机的位置保证燃烧器的喷嘴位于图像下方的中间位置；采用CCD相机进行拍照，将拍得的三维RGB图像传给计算机，经计算机处理后得到二维灰度图，进而得到该条件下的二维光强分布I_d；

步骤二、打开并调节氙光灯，使氙光灯发出一束可见的、亮度均匀的平行光，采用CCD相机进行拍照，将拍得的三维RGB图像传给计算机，经计算机处理后得到二维灰度图，进而得到该条件下的二维光强分布I_l；

步骤三、关闭氙光灯，打开并调节燃烧器，燃烧器发出稳定的层流扩散火焰，且使待测量的火焰段位于CCD相机的图像中；火焰光辐射到CCD镜头上，采用CCD相机进行拍照，将拍得的三维RGB图像传给计算机，经计算机处理后得到二维灰度图，进而得到该条件下的二维光强分布I_f；

步骤四、保持燃烧器发出的层流扩散火焰不变，打开氙光灯，氙光灯发出的平行光与火焰光同时传输到CCD相机镜头上，采用CCD相机进行拍照，将拍得的三维RGB图像传给计算机，经计算机处理后得到二维灰度图，进而得到该条件下的二维光强分布I_t；

步骤五、通过步骤一到步骤四得到在不同条件下的光强，根据公式(1)得到波长为λ的可见光光强条件下的碳烟颗粒消光系数K_ext，λ；

It-IfIl-Id=exp(-∫-∞∞Kext,λds)---(1)]]>

其中：

K_ext，λ：波长为λ的可见光光强条件下的碳烟颗粒消光系数；

S：燃烧器发出的层流扩散火焰在光路方向上的光程；

将得到的碳烟颗粒消光系数K_ext，λ代入公式(2)便得到该层流扩散火焰中的碳烟浓度二维分布f_v：

fv=Kext,λλ6π(1+ρsα,λ)E(m)---(2)]]>

其中：

ρ_sα，λ：在波长为λ的可见光光强条件下的碳烟颗粒的散射系数K_s，λ与吸收系数K_α，λ之比；其中散射系数K_s，λ和吸收系数K_α，λ依据经验值获得；

E(m)为待测火焰相关的常数项，依据经验值获得。

6.如权利要求5所述的一种基于平行光快速测量层流扩散火焰中碳烟浓度的方法，其特征在于，所述步骤一至步骤四中采用CCD相机进行拍照时，采用多张连拍，将拍得的三维RGB图传送至计算机后取平均值。