[发明专利]基于扩束聚焦系统的TDLAS气体测温检测方法

摘要

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种基于扩束聚焦系统的TDLAS气体测温检测方法。该方法所依据的检测装置由电源与激光器、激光驱动器、激光信号发生器、激光信号调试器相互连接，激光发出光经单模光纤传输，两束激光合成一束光经光纤准直器平行后在经扩束镜筒扩束后射出，检测外界燃烧中气体温度后射出的光经平凸透镜聚集到积分球及光电探测器后光信号转变电信号，仪器装置后端信号传输线连接计算机并处理相关信号图像计算其温度值。本发明测量结果精确度较好，操作简便，安装测试简易，适用于检测室内外燃烧区域略小或小型工业化火焰燃烧场，对测量燃烧场提供温度数据支持。

主权项

一种基于扩束聚焦系统的TDLAS气体测温检测方法，其特征在于，所述方法通过气体测温检测装置来实施，该装置以燃烧气体场为中心划分为两部分；位于燃烧气体场一侧的为光源发射端，位于燃烧气体场另一侧的为光源接收端；且，燃烧气体场空间由耐高温玻璃(14)形成，且其上设有燃烧检测口(8)；所述光源发射端包括：电源、第一激光器(2a)、第二激光器(2b)、激光信号调试器(3)、激光信号发生器(4)、单模光纤(13)、激光合束器(5)、光纤准直器(6)、激光扩束镜筒(7)；其中，所述第一激光器(2a)自带有第一激光驱动器，所述第二激光器(2b)自带有第二激光驱动器；所述光源接收端包括：平凸透镜(9)、积分球(11)、第一光电探测器、第二光电探测器、第一光电转换器(10a)、第二光电转换器(10b)、光电变换器信号转换线(12)；所述第一激光器(2a)、第二激光器(2b)、激光信号发生器(4)、激光信号调试器(3)的电源线接口相互连接并统一连接至电源的供电接口电源线(1)；所述激光信号发生器(4)分别连接第一激光驱动器、第二激光驱动器以及激光信号调试器(3)；所述单模光纤(13)分别连接第一激光器(2a)输出端口、第二激光器(2b)输出端口以及激光合束器(5)输入端口；所述激光合束器(5)输入端口分别连接第一激光器(2a)及第二激光器(2b)各自传输的单模光纤(13)；所述光纤准直器(6)连接在激光合束器(5)后端输出端；激光扩束镜筒(7)连接在光纤准直器(6)后端输出端；所述平凸透镜(9)位于燃烧气体场中相对于光源发射端的另一侧，位于光源接收端的前端，且处于所述激光扩束镜筒(7)的出射路径上，平凸透镜(9)中心位置与激光扩束镜筒(7)中心位置共轴；所述积分球(11)位于平凸透镜(9)后端，且平凸透镜(9)焦距位置在积分球(11)入光孔径中；积分球(11)内部有一进光口及两路出光口，根据所述第一激光器(2a)及第二激光器(2b)的激光波长不同进行滤光片分光，使得由一束光经积分球(11)滤光片进行分光，分出各自频率光有出光口各自打出；在积分球(11)两个出光口处各自设置有光电探测器，分为第一光电探测器及第二光电探测器，第一光电探测器连接第一光电转换器(10a)，第二光电探测器连接第二光电转换器(10b)；且第一光电转换器(10a)响应波段与第一激光器(2a)工作波段相匹配，第二光电转换器(10b)响应波段与第二激光器(2b)工作波段相匹配，第一光电转换器(10a)和第二光电转换器(10b)后端通过光电变换器信号转换线(12)连接计算机；其中，所述光纤准直器(6)发出的激光束、平凸透镜(9)、积分球(11)入光口径三者在同一光轴各自中心对称；其中，所述方法包括如下步骤：步骤S1：将燃烧检测口(8)套在燃烧气体场区域并与之固定；步骤S2：将光电转换器(10)后端的光电变换器信号转换线(12)连接计算机；步骤S3：电源供电后，所述第一激光器(2a)、第二激光器(2b)、激光信号发生器(4)、激光信号调试器(3)开启；步骤S4：激光信号发生器(4)根据激光器固有的波长、频率属性参数，匹配设定相对检测气体的激光频率基准值，生成初始激光信号发生指令，至第一激光驱动器及第二激光驱动器来驱动第一激光器(2a)及第二激光器(2b)生成初始激光束；步骤S5：激光信号调试器(3)对基准值附近的激光频率及待测气体需重点采集的激光波长范围进行加载锯齿波信号的调试，使得调试后的激光束发出的光信号与调试时一致；然后生成修正信号至激光信号发生器(4)；所述激光信号发生器(4)根据修正信号生成修正后激光信号发生指令，至第一激光驱动器及第二激光驱动器来驱动第一激光器(2a)及第二激光器(2b)生成频率、波长修正后的激光束；此时第一激光器(2a)及第二激光器(2b)开始发出所需要波长的激光；步骤S6：单模光纤(13)将所述第一激光器(2a)及第二激光器(2b)输出的激光传输至激光合束器(5)；步骤S7：激光合束器(5)将两路单模光纤(13)传输来的激光经前端合束并在后端结合成一束两种波长模式的激光束；步骤S8：光纤准直器(6)通过准直透镜将发出微小形变的激光束进行折射校正，在光纤准直器(6)后端发出准直后激光束；步骤S9：准直后激光束通过激光扩束镜筒(7)转换为平行宽光束；步骤S10：平行宽光束在经过燃烧气体场的耐高温玻璃(14)后进入平凸透镜(9)中，准直平行后的宽光束束在通过燃烧气体场后光束出现微小偏折，经平凸透镜(9)折射聚光后使激光束重新汇聚至积分球(11)中；步骤S11：积分球(11)分开合束后的两束各自不同波长的激光束；步骤S12：经积分球(11)分开的各自不同波长频率的两路激光束聚焦到的光点进入到第一光电探测器及第二光电探测器的入光敏元孔中，经过第一光电探测器、第二光电探测器及其后端的第一光电转换器(10a)、第二光电转换器(10b)各自进行光电变换，把光信号转变为电信号输出，在后端计算机中进行数据采集处理计算出气体实时温度数据；步骤S13：根据计算机测温处理软件，提取两路电信号锯齿波形吸收峰区域面积，进行比对处理运算，得到燃烧场待测温度值；步骤S14：多次测量取待测气体燃烧的平均值，以减少误差，提高精度。