[发明专利]一种用于轴对称燃烧场监测的激光吸收光谱层析成像系统

说明书

本发明设计了一种用于轴对称燃烧场监测的激光吸收光谱层析成像系统，所用元件包括：激光光源、扫描振镜、光纤束、积分球、光电探测器和数据采集模块等；其中，激光光源照射在扫描振镜上，经过扫描振镜反射后穿过被测燃烧场，照射到光纤束上，光纤束出口处放置一个积分球，积分球出口处放置光电探测器接收信号，通过数据采集模块采集激光穿过被测燃烧场后的光谱吸收数据，通过解算得到测量区域燃烧场的温度分布和浓度分布。本发明结构简单、操作方便，在燃烧诊断领域有较高的使用价值和广阔的应用前景。

(一)技术领域

本发明涉及一种用于轴对称燃烧场监测的激光吸收光谱层析成像系统，应用于燃烧诊断技术领域。

(二)背景技术

轴对称燃烧场广泛存在于工业生产、科学研究等领域，对轴对称燃烧场温度、组分浓度进行精确测量对于优化燃烧器设计、提高燃烧效率、降低污染排放具有重要的意义。为此科研人员提出了一系列测量方法，主要分为接触式测量和非接触式测量两类：接触方法主要包括热电偶法、燃气分析法等，然而这类方法有实时性差、破坏流场等缺点；非接触方法以光学测量方法为主，主要包括自发拉曼散射法、相干反斯托克斯拉曼散射法、激光诱导荧光法、激光吸收光谱法等，然而，自发拉曼散射法光路设计困难、信号噪声较大；相干反斯托克斯拉曼散射法光路复杂，造价昂贵；激光诱导荧光法造价昂贵、难以获得定量结果；而激光吸收光谱法因为结构简单、环境适应性强、造价相对低廉、可靠性高，受到了广泛的关注。

然而激光吸收光谱法存在缺少空间分辨能力的缺点，对于单路激光吸收光谱技术，测量结果是路径温度和被测组分浓度的加权平均，不包含温度和组分浓度的空间分布信息，因此无法获得轴对称燃烧场的温度、组分浓度分布信息。为解决这一问题，科研人员提出了一系列方法：如2005年R.Villarreal等发表于《应用光学》(Applied Optics)的44卷31期，第6786-6795页，题为《基于可调谐半导体激光器的频率分辨吸收层析成像》(Frequency-resolved absorption tomography with tunable diode lasers)，将燃烧器放置于程控位移台上，通过移动被测对象实现扫描信息的获取，从而实现燃烧场重建；2010年F.Wang等发表于《测量科学与技术》(Measurement Science and Technology)的21卷4期，题目为《基于可调谐半导体激光吸收光谱的气体浓度和温度分布二维层析成像》(Two-dimensional tomography for gas concentration and temperature distributionsbased on tunable diode laser absorption spectroscopy)的文章中，将光源放置于旋转台上，利用镀金柱面反射镜使光线穿过被测场后折返一次，照射在放置于光源位置的探测器上，实现了扇形束扫描；2014年C.Liu等发表于《IEEE仪器与测量学报》(IEEETransactions on Instrumentation and Measurement)的63卷12期，第3067-3075页，题目为《通过结合扇形束TDLAS和剥洋葱反卷积重建轴对称温度和气体浓度分布》(Reconstruction of Axisymmetric Temperature and Gas ConcentrationDistributions by Combining Fan-Beam TDLAS With Onion-Peeling Deconvolution)，利用透镜组将激光束展宽成扇形束，并利用探测器阵列接收；2014年C.Liu等发表于《应用物理学B》(Applied Physics B)的120卷3期，第407-416页，题目为《用于平焰燃烧炉火焰平坦性验证的双倍分辨率一维波长调制光谱层析成像》(Resolution-doubled one-dimensional wavelength modulation spectroscopy tomography for flame flatnessvalidation of a flat-flame burner)，利用多个准直镜形成平行束，结合探测器阵列实现单角度投影获取。然而上述方法都存在一些问题，如，将燃烧器放置于位移台上会影响火焰的稳定性；利用旋转台和反射镜使光学结构复杂、扫描速度较慢；探测器阵列由于探测器数量有限，因此空间分辨率不高。为此，考虑采用扫描振镜调制光线，利用光纤束收集光线，实现空间分辨。