[发明专利]基于LED光源测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统和方法

权利要求书

1.一种应用基于LED光源测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统进行测量的方法，所述的系统为基于LED光源测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统，设有燃烧装置和光路；燃烧装置为层流扩散燃烧装置或旋流燃烧装置；其特征在于：

所述的层流扩散燃烧装置设有层流扩散燃烧器、点火器、燃气与空气的气路；同样旋流燃烧装置设有旋流燃烧器、点火器、燃气与空气的气路；层流扩散燃烧器或旋流燃烧器用于提供燃烧温度场和碳烟浓度场；

所述的光路分两种，光路一设有LED点光源、复眼透镜、两平凸透镜、中性密度滤波片、棱镜相机和计算机；光路二设有LED面光源、中性密度滤波片、棱镜相机和计算机；

在设有光路一的测量系统中，LED点光源与电源开关连接，LED点光源后面顺序设置复眼透镜、两个凸面相对安装的平凸透镜、中性密度滤波片、棱镜相机和计算机；所述的复眼透镜用于将LED点光源产生的光束均匀化及扩散；所述两个平凸透镜中的第一平凸透镜用于将均匀化的光束整形为平行的准直光束，第二平凸透镜用于将准直光束整形为收缩光束；所述的收缩光束通过中性密度滤波片打到棱镜相机镜头上，棱镜相机用于拍摄进入镜头的光束图片，计算机用于控制棱镜相机拍摄记录下图片、数据计算和处理；所述的层流扩散燃烧器或旋流燃烧器设置在两个平凸透镜之间；所述的LED点光源、复眼透镜、两个平凸透镜、中性密度滤波片、棱镜相机镜头的中心高度处于同一高度，且为层流扩散燃烧器或旋流燃烧器上火焰中心高度；

在设有光路二的测量系统中，LED面光源与电源开关连接，在LED面光源后面顺序设置有中性密度滤波片、棱镜相机和计算机；所述的层流扩散燃烧器或旋流燃烧器设置在LED面光源与中性密度滤波片之间；

应用所述的测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统进行测量的方法，为在设有光路一的测量系统中，即LED点光源与电源开关连接时，按如下步骤操作：

步骤一、由电源开关打开LED点光源，点光源发出的光束经由复眼透镜均匀化，光束至第一平凸透镜整形为平行的准直光束，再至第二平凸透镜形成收缩光束，收缩光束通过中性密度滤波片打到棱镜相机镜头上，计算机控制棱镜相机进行拍摄，由棱镜相机拍摄下无火焰有光源图片①，并记录在计算机中；

步骤二、保持LED点光源开启状态，设置好燃气与空气当量比对应的流量，打开燃烧装置中的燃气与空气的气路，使用点火器点燃燃气，在层流扩散燃烧器或旋流燃烧器上方形成层流火焰或旋流火焰，此时光路设置不变，用计算机控制棱镜相机进行拍摄，记录下有火焰有光源图片②；

步骤三、用电源开关关闭LED点光源，保持层流扩散燃烧器或旋流燃烧器的火焰正常燃烧，光路设置不变，计算机控制棱镜相机进行拍摄，记录下有火焰无光源图片③；

步骤四、保持LED点光源关闭状态，熄灭层流扩散燃烧器或旋流燃烧器上的火焰，光路设置不变，用计算机控制棱镜相机进行拍摄，门宽不变，记录无火焰无光源/背景图片④；

步骤五、先利用计算机编写的Matlab程序对所述的无火焰有光源图片①、有火焰有光源图片②、有火焰无光源图片③、无火焰无光源/背景图片④这四组图片进行处理得到无火焰有光源图片①中光强信号，以I_L(x,y)表示，有火焰有光源图片②中光强信号I_L+f(x,y)，有火焰无光源图片③中光强信号I_f(x,y)，无火焰无光源/背景图片④中光强信号I_b(x,y)，再进行消光法处理；

将四组图片的光强信号代入公式(1)计算得到透射率τ_λ(x,y)，

上式中：τ_λ(x,y)为透射率，I_L+f(x,y)为有火焰有光源图片中光强信号，I_f(x,y)为有火焰无光源图片中光强信号，I_L(x,y)为无火焰有光源图片中光强信号，I_b(x,y)为无火焰无光源/背景图片中光强信号；

步骤六、根据公式(1)计算得到的τ_λ(x,y)，再运用公式(2)并结合Tikhonov正规化的onion-peeling反卷积方法进行处理，计算得到吸收系数或消光系数K_λ(x,y)；

上式中：K_λ(x,y)为吸收系数或消光系数；

根据RDG–PFA理论及火焰中碳烟颗粒物近似为球形粒子，且粒径都在Rayleigh粒径的范围内，忽略粒子对光的散射作用，碳烟颗粒物的体积分数f_v(x,y)与消光系数K_λ(x,y)的关系为：

上式中：K_λ(x,y)为吸收系数或消光系数，λ为波长，E(m)为折射率函数；则依公式(3)计算得出碳烟颗粒物的体积分数f_v(x,y)，单位为ppm；

步骤七、利用计算机编写的Matlab程序提取棱镜相机RGB三通道波长范围，基于公式(4)、(5)、(6)，进行理论计算可得到黑体辐射强度之比ratio，建立look-uptable数据库；

上述公式中，I^bb为黑体辐射强度，h为普朗克常数，c为光速，k为玻尔兹曼常数，T为温度，λ为波长，为对应波长下的黑体辐射强度，即分别为对应红光、绿光、蓝光下的黑体辐射强度；ratio为黑体辐射强度之比；

使用黑体炉标定光路中元件的响应效率，由公式(7)计算得到三色法下三波段光谱响应之比η_Gη_B/

上式中：η_R、η_G、η_B分别为对应红光、绿光、蓝光波长下的光谱响应，S_BR、S_BG、S_BB分别为当标定灯为光源时对应红光、绿光、蓝光波长下的光谱辐射强度；

步骤八、基于有火焰无光源图片③，利用计算机编写的Matlab程序提取棱镜相机RGB三通道值，通过Tikhonov正规化的onion-peeling反卷积方法，得到当地的火焰三色辐射强度比：

上式中：S_R(x,y)、S_G(x,y)、S_B(x,y)分别为当火焰为光源时对应红光、绿光、蓝光波长下的当地火焰光谱辐射强度；I_R(x,y)、I_G(x,y)、I_B(x,y)分别为对应红光、绿光、蓝光波长下的当地碳烟等效黑体光谱辐射强度，ε_R(x,y)、ε_G(x,y)、ε_B(x,y)分别为对应红光、绿光、蓝光波长下的发射系数，x、y分别为光源介质的x轴、y轴方向；

根据基尔霍夫定律在碳烟颗粒处于热平衡条件下，发射系数ε(x,y)与吸收系数K(x,y)相等；

则整理公式(8)可得当地碳烟等效黑体光谱辐射强度之比：

其中，/η_Gη_B由公式(7)可得，/(K_G(x,y)K_B(x,y))由公式(2)分别对应红光、绿光、蓝光波长计算可得；

基于公式(10)，计算得到当地碳烟等效黑体光谱辐射强度之比，利用look-uptable插值计算，可得对应的碳烟颗粒物温度场T(x,y)；

在所述的设有光路二的测量系统中，LED面光源与电源开关连接时，同样按上述步骤操作，及结合先消光后三色法实现同步准确测量碳烟颗粒物温度及体积分数。