[发明专利]校准激光诱导荧光测量气相浓度的标定系统及方法

说明书

本发明公开一种校准激光诱导荧光测量气相浓度的实时标定系统及方法，包括紫外/可见光的吸收与散射测试系统(UVLAS)、待测物质浓度场(容器)以及平面激光诱导荧光测试系统(PLIF)。UVLAS的光路与PLIF光路在待测物质区域垂直相交，两个系统之间通过同步控制器进行同步控制。利用UVLAS与PLIF的测试结果在两光路相重叠区域内的气相质量测试结果相等的原理，对PLIF测量结果进行实时标定。本发明可以实现标定和测量同时进行，适用于实际高温高压环境，不再需要使用专用标定装置进行标定，能够实时监测是否有液相干扰，还能够消除温度对测量精度的影响，大大提高标定的效率和测试结果的可靠性。

技术领域

本发明涉及气相浓度的光学测量领域，具体涉及一种基于激光诱导荧光法的、针对光谱吸收技术进行气相浓度测量的实时校准和标定系统及方法。

背景技术

气相浓度的准确测量在许多方面都尤为重要，例如，在各类液体燃料发动机中，所喷射的燃油经过雾化、蒸发和混合后形成可燃混合气，混合气的质量对于燃烧、排放、稳定性具有重要影响，基于光学诊断技术获得喷雾过程的实验数据不仅有助于喷雾射流发展过程的机理研究，而且对于仿真模型的建立和标定也具有重要意义。

其中，平面激光诱导荧光(Planar laser-induced fluorescence,PLIF)是测量气相浓度分布的常用手段之一，气相受到激光照射后，引发能级跃迁，高能级的电子向低能级跃迁时辐射光子，发射的荧光被检测器(如CCD/ICCD)采集，荧光信号I＝FξΦC，其中F是与实验条件相关的系数，主要与激光的激发强度、检测器(CCD相机等)与测量物质间的距离等实验条件有关，在一定的条件下为一常数；ξ为吸收效率，对于大多数荧光物质，其吸收效率不受温度的影响；Φ为量子效率，会受到温度的影响；C为激发物质(待测物质的气相)浓度。

若令Kv＝FξΦ，则将检测器(相机)采集的荧光信号强度分布I去除以Kv即可获得气相浓度C，但由于在不同实验系统条件和不同温度下的Kv值不同，因此使用激光诱导荧光方法定量测量气相浓度需要经过实验标定。通常的标定方法是：在一密闭空间(标定空间)中充满均匀的荧光物质(气相)，燃油总质量通过油耗仪测得，根据燃油总质量计算得到标定空间内的荧光物质浓度ρ，然后拍摄得到标定条件下荧光物质浓度为ρ时所对应的荧光强度If，最后根据If/ρ＝Kv计算得到标定条件下的荧光系数Kv。

然而，上述的常规标定方法存在一些问题和缺点：(1)密闭空间内的荧光物质(气相)难以实现浓度与温度分布完全均匀，标定工况的温度需要内部或外部加热，因此往往存在温度不均匀的问题，导致密度也不均匀；(2)标定过程需要额外的单独实验，需要设计一套单独的标定装置；(3)标定过程和测量气相浓度的测量过程不是同时进行，可能存在一些由实验系统(如激光的强度、CCD相机与测量物质间的距离等)、实验条件(如温度等)不一致带来的误差。(4)PLIF的系统测量误差难以评估，虽然可以对PLIF测试结果的随机误差进行评价，但是其系统误差因无“真值”进行对比故而难以进行评价，所以PLIF只能实现定性或半定量化测量；(5)由于PLIF中荧光量子效率与温度有关，温度对测量精度的影响无法避免。

发明内容

为了解决上述现有技术中的不足之处，本发明提出一种基于紫外吸收技术实时校准激光诱导荧光测量气相浓度的标定系统及方法，该方法可以将标定和测量同时进行，且不需要针对不同的环境温度在额外的标定装置中进行标定，能够实时监测是否有液相干扰，能够消除温度对测量精度的影响。

为了实现上述技术效果，本发明采用如下方案：

一种校准激光诱导荧光测量气相浓度的标定系统，包括紫外与可见光吸收以及散射测试系统、待测物质容器以及平面激光诱导荧光测试系统，紫外与可见光吸收以及散射测试系统以及平面激光诱导荧光测试系统在待测物质容器中的光路平行相交并且重叠，紫外与可见光吸收以及散射测试系统以及平面激光诱导荧光测试系统之间通过同步控制器同步控制。