CN102305757A - 高压燃烧碳黑颗粒浓度测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压燃烧碳黑颗粒浓度测量装置和测量方法。测量装置包括：激光器、第一衰减器、光路准直元件、第一偏振片、高压样品室、第二偏振片、聚焦透镜、第一滤光片、线阵CCD图像传感器和计算机。本发明利用激光器先后发出的不同波长的激光，激光经过高压样品室，通过测量经过高压样品室的透射光和作为参考光路的不经过高压样品室的光的光强，根据Mie散射理论测量得到待测颗粒浓度。本发明测量方便快捷，对仪器设备的要求低，数据采集和处理过程简单，测量范围相对较宽，而且测量结果准确，速度快，重复性好，可在微粒测量领域推广应用。

Description

高压燃烧碳黑颗粒浓度测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及颗粒浓度测量技术领域，尤其涉及一种测量高压条件下燃烧碳黑颗粒浓度的测量装置及测量方法。

背景技术

燃烧广泛应用于能源生产、火力发电、家庭取暖、交通运输、航空推进以及材料加工等领域中。同时航天运载工具以及各种高性能、低污染、大流强、小尺寸燃烧装置的发展，对燃烧过程的研究提出了越来越高的要求。燃烧状态的不稳定会导致燃烧室热效率下降，污染物增加等。在极端情况下，还可能引起灭火，甚至诱发燃烧室爆炸，造成事故。因此对燃烧过程需要进行切实有效的诊断和监测。提高燃烧过程检测诊断信号的准确性、实时性，消除潜在的危险、增加燃烧效率，是目前急需解决的实际问题。由于燃烧室中的燃烧具有高温、强湍流等特点，使得燃烧过程的测量，特别是对实际燃烧过程的诊断方法还存在许多问题迫切需要解决，所以深入研究燃烧诊断技术，加强对燃烧过程中碳黑颗粒浓度、粒径等燃烧参数方面的分析研究，对提高燃烧效率、合理利用燃烧能量、开发高效低污染燃烧技术，设计新型发动机等方面都具有重要的实际意义。燃烧过程中的碳黑颗粒浓度、粒径分布等与燃烧状态、效率等有着密切的关系，在实时判别和分析燃烧过程中起着重要的作用。

燃烧诊断技术按测量原理分类，可将测量方法分为接触式和非接触式测量两大类。接触法得到的是某个局部位置的信号，且大多数接触式测试装置在测量时会有可能破坏和干扰燃烧流场，因此，接触式测量方法的应用场合受到限制。非接触式测量方法分为两种，一是通过测量燃烧介质的热力学参数，分析燃烧特性，但由于燃烧气体的热力学性质很难用理想气体进行简单描述，使此方面的研究有许多局限性；另一种是采用光学法进行测量，这种测量方法在不破坏被测燃烧流场的同时，能够及时响应燃烧火焰的脉动。并得到速度、温度、燃烧颗粒浓度及其尺寸分布等燃烧参数。光学测量法响应快、空间鉴别率高，因此光学诊断燃烧技术日益成为测量燃烧的重要手段。碳黑颗粒是由于燃料的不充分燃烧而形成的，可以看成由数个直径约30-60nm、具有复折射率的球形颗粒组成，光散射法测量燃烧碳黑颗粒是基于光散射原理，根据激光透过碳黑颗粒后散射光强度在空间分布、散射光的偏振度、以及透射光强度相对于入射光的衰减等，分析碳黑颗粒的粒径、浓度等参数。

专利号为200710046526.3、发明名称为对离散状态颗粒粒度分布测量的方法及其装置的中国发明专利涉及一种采用超声测量技术对颗粒粒度分布进行非接触式测量的装置及方法，该测量装置包括计算机、连接计算机的信号处理电路、连接信号处理电路的脉冲波发射/接收电路、连接脉冲波发射/接收电路的宽带换能器，换能器设于测试板外侧，发射电路发出脉冲电信号，经触发换能器发出声波，超声波在测试板壁面多次反射后再由换能器接收，经过信号处理电路的信号放大、高速模数转换传输给计算机处理，由计算机计算出样品颗粒中复生特性阻抗，根据声特性阻抗谱计算得出颗粒粒度分布及浓度。专利号为200710046525.9、发明名称为颗粒粒度、浓度和密度测量方法及其装置的中国发明专利涉及一种基于反射式超声信号测量和分析的计算模式，将信号作快速傅立叶变换获得超声幅值相位谱，换算得反射系数、声特性阻抗、声衰减系数和声速，由测量值能计算得混合物密度，由已知的颗粒物和连续介质密度计算得浓度值；再由直接反射波和透射回波作频谱分析得到的声衰减谱和理论声衰减谱的误差作为目标函数，计算得到颗粒粒度分布。前述两种装置及方法均为利用超声信号对颗粒浓度进行间接测量的方法，但是只适用于对高浓度、高衰减的悬浊液或乳剂形式的样品进行检测，适用范围小。

专利号为200710042874.3、发明名称为透过率相关频谱法颗粒测量方法及其装置的中国发明专利涉及一种采用透过率相关频谱法测量颗粒的方法及装置，其是利用颗粒在窄光束照射下透过率信号的脉动特性，由激光器发出两束平行的窄光束，光电探测器测量颗粒测量区的透射脉动信号，对透过率脉动信号作相关处理，由此得到颗粒的速度、颗粒的粒度分布和颗粒浓度信息。专利号为200710042873.9、发明名称为透过率脉动法颗粒测量方法及其装置的中国发明专利涉及一种透过率脉动法颗粒测量方法及装置，利用窄光束照射到流过的颗粒产生透过率脉动信号，通过光电探测器检测并采用模拟电路处理信号，测量颗粒。前述两种装置及方法均采用光信号的动态特性对颗粒浓度进行测量，步骤繁琐，仪器结构复杂。

专利号为02145279.2、发明名称为一种可同时测定颗粒粒径和浓度的光学传感器的中国发明专利涉及一种可同时测定颗粒粒径和浓度的光学传感器，其由发射端、接收端、信号放大电路、A/D转换器、计算机组成，发射端的限束器、空间滤波器、透射-反射镜、半导体激光器依次排列，封装在发射端的柱形筒体内，参考光接收器件及固定在发射端的柱形筒体的侧壁，其接收的参考光信号经由导线传输到信号放大电路，接收端的凸透镜及金属框架、光阑、二维调节装置、光电接收器件、初步信号放大电路封装在柱形筒体内部。该传感器进行测量时，被测多向流场易受外界干扰，影响测量结果精度，而且参考光路不经过接收端的光电接收器件，对通过被测多相流场的激光稳定性参考性差。

专利号为200710071293.2、发明名称为基于太赫兹发射与探测装置的气固两相流颗粒浓度的检测装置及方法的中国发明专利涉及一种检测装置及方法，该检测装置包括：飞秒激光器、耦合传输光纤、光电导天线型太赫兹发射器、光学延迟装置、离轴抛物面镜、太赫兹探测器、锁相放大器、高频功率放大器和计算机控制的数据采集与处理系统。其利用离轴抛物面镜把太赫兹发射器发射的太赫兹波平行反射，穿过气固两相流流体后的太赫兹波用离轴抛物面镜会聚到太赫兹探测器上，根据测量获得的太赫兹时域信号应用不同的模型计算获得管道截面上气固两相流的颗粒浓度。该装置及方法基于光电导天线型太赫兹发射器来实现颗粒浓度的检测，造价较高，不适合推广利用。

近年来还有人提出了基于光散射法的双波长测量颗粒浓度的方法，该方法采用激光器发出不同波长的激光，激光器发出的激光经过放在样品台上的样品，通过测得的光强数据测量颗粒浓度，但是该方法激光器只能测量单一环境下的颗粒浓度，而燃烧过程中颗粒状态不稳定，容易受到干扰，影响测量结果的准确性，而且该方法步骤复杂，易产生误差。目前，还没有人提出高压燃烧颗粒浓度测试方面的相关研究报告。

发明内容

本发明的目的是提供一种设计合理、测量准确、结构简单的测量高压燃烧碳黑颗粒浓度的测量装置。

本发明的另一目的是提供一种基于光散射法的测量高压燃烧碳黑颗粒浓度的测量方法。

为了实现上述第一目的，本发明采取如下的技术解决方案：

高压燃烧碳黑颗粒浓度测量装置，包括：激光器、依次设置于激光器后方的第一衰减器、光路准直元件、第一偏振片、样品室、第二偏振片、聚焦透镜、第一滤光片，第一滤光片波长与激光器发出的激光波长相对应；设置于第一滤光片后方的线阵CCD图像传感器；与线阵CCD图像传感器连接的计算机；该样品室为在相对侧壁上设置有透光孔的高压样品室，所述透光孔位于所述激光器发出激光的水平光轴上，使激光能穿过所述高压样品室后由所述线阵CCD图像传感器接收。

本发明采用高压样品室，在测量燃烧碳黑颗粒时，可以保证燃烧稳定，不易受外界干扰，而且对燃烧环境、外界压强等容易控制，此外，高压样品室还可以通过控制高压样品室内不同的压力条件模拟实际应用场景，如深海环境下液体颗粒浓度的测量等，为各种环境下的测量提供实验数据，本发明系统光路简单，稳定性好，不仅可用于燃烧碳黑颗粒浓度、粒径的测量，也可用于液体颗粒浓度、粒径的测量，适用性广。

优选的，所述高压样品室上设有一端与高压气源相连通、另一端与高压样品室内相连通的高压气体输送管路。

优选的，所述高压样品室上设置有空气进口，高压样品室内设有燃油喷嘴以及与所述燃油喷嘴连通的燃料入口。

优选的，本发明还包括：设置于所述光路准直元件后的分光镜，所述分光镜波长与所述激光器发出的激光波长相对应；以及在垂直光轴方向上依次设置于所述分光镜后方的全反镜、在所述全反镜出射光方向上依次设置于所述全反镜后方的第二衰减器和第二滤光片，所述第二滤光片波长与所述激光器发出的激光波长相对应。

优选的，本发明还包括：设置于所述激光器后的第一光阑、设置于所述光路准直元件前的第二光阑、设置于所述第一滤光片后方的第三光阑、在垂直光轴方向上设置于所述全反镜前的第四光阑和设置于所述第二滤光片后方的第五光阑。

优选的，所述分光镜为透过率和反射率均为50％的半反半透镜。

优选的，所述全反镜为加强铝反射镜。

优选的，所述激光器为可调谐激光器。

为了实现上述第二目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种测量高压燃烧碳黑颗粒浓度的方法，包括以下步骤：

步骤一、调节激光器，由激光器先后发出两次波长为λ₁的激光，使所述波长为λ₁的激光一次经过高压样品室后传输到线阵CCD图像传感器上，另一次不经过高压样品室直接传输到线阵CCD图像传感器上，线阵CCD图像传感器接收到两次光强信号，并传输至计算机；

步骤二、调节激光器，由激光器先后发出两次波长为λ₂的激光，使所述波长为λ₂的激光一次经过高压样品室后传输到线阵CCD图像传感器上，另一次不经过高压样品室直接传输到线阵CCD图像传感器上，线阵CCD图像传感器接收到两次光强信号，并传输至计算机；

步骤三、通过上述步骤一和步骤二，测量得到波长为λ₁的激光及波长为λ₂的激光入射条件下线阵CCD图像传感器测量的光强，根据公式(1)得到波长为λ₁的激光及波长为λ₂的激光对应的颗粒消光值之比：

$\frac{\ln (I_{{\mathrm{\λ}}_1}/I_{{0\mathrm{\λ}}_1})}{\ln (I_{{\mathrm{\λ}}_2}/I_{{0\mathrm{\λ}}_2})}=\frac{K_{\mathrm{ext}{\·\mathrm{\λ}}_1}}{K_{{\mathrm{ext}\·\mathrm{\λ}}_2}}---\left(1\right)$

其中：

——入射波长为λ₁的激光时，激光经高压样品室后，在线阵CCD图像传感器测量得到的光强；

——入射波长为λ₁的激光时，激光不经高压样品室，在线阵CCD图像传感器测量得到的光强；

——入射波长为λ₂的激光时，激光经高压样品室后，在线阵CCD图像传感器测量得到的光强；

——入射波长为λ₂的激光时，激光不经高压样品室，在线阵CCD图像传感器测量得到的光强；

——波长为λ₁的入射激光光强条件下的颗粒消光系数；

——波长为λ₂的入射激光光强条件下的颗粒消光系数；

根据公式(2)，求得颗粒浓度N：

$N=\ln (I_{{\mathrm{\λ}}_1}/I_{0{\mathrm{\λ}}_1})/(-\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^2{K}_{\mathrm{ext}\·{\mathrm{\λ}}_1}L)---\left(2\right)$

其中，D——根据Mie理论由相应波长的颗粒消光值之比得到的颗粒平均直径；L——颗粒介质区域的光程。

优选的，在所述步骤一中，在高压样品室前设置分光镜，调节激光器，由激光器发出波长为λ₁的激光，使所述波长为λ₁的激光经分光镜后分为透射光线和作为参考光的反射光线，透射光线经高压样品室后传输到线阵CCD图像传感器上，反射光线经全反镜反射后传输到线阵CCD图像传感器上，线阵CCD图像传感器接收来自两个光路的光强信号，并传输至计算机；

在所述步骤二中，调节激光器，由激光器发出波长为λ₂的激光，使所述波长为λ₂的激光经分光镜后分为透射光线和作为参考光的反射光线，透射光线经高压样品室后传输到线阵CCD图像传感器上，反射光线经全反镜反射后传输到线阵CCD图像传感器上，线阵CCD图像传感器接受来自两个光路的光强信号，并传输至计算机。

本发明的测量方法通过消光测量即可得到颗粒浓度，简化了测量过程，也扩大了消光法的测量范围，具有测量方便快捷，对仪器设备的要求低，数据采集和处理过程简单的优点。它的测量范围相对较宽，而且测量结果准确，速度快，重复性也好，可以在微粒测量领域广泛应用。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为图1中高压样品室的结构示意图。

图3为本发明实施例2的结构示意图。

下面结合附图和各实施例对本发明进一步详细说明。

具体实施方式

光散射法又称为消光法或浊度法，其基本原理是：当光束通过含有颗粒的介质时，由于颗粒对光的散射和吸收作用，使得光束穿过介质后的强度有所衰减，其光强衰减程度与颗粒的大小和浓度有关。光散射法测量的是透射光，而不是颗粒的散射光。

实施例1

如图1所示，本发明的高压燃烧碳黑颗粒浓度测量装置包括激光器1、第一衰减器3、扩束准直镜4、第一偏振片7、高压样品室8、第二偏振片9、聚焦透镜10、第一滤光片11、线阵CCD图像传感器13和计算机19。为了便于描述，将激光器1所发激光的出射端定义为前。以下以测量燃烧碳黑颗粒的浓度为例对本发明作进一步的说明。

激光器1为本发明的高压燃烧碳黑颗粒浓度测量装置的光源，本实施例的激光器1采用可调谐激光器，可发出不同波长的激光。在出射激光水平光轴方向上激光器1的后方依次设置有第一衰减器3、扩束准直镜4、第一偏振片7、高压样品室8、第二偏振片9、聚焦透镜10及第一滤光片11，其中，第一衰减器3用于调节由激光器1发出的激光的强度，扩束准直镜4可以提高通过扩束准直镜4的光的准直特性，扩束准直镜4作为光路准直元件也可以用光阑代替，第二偏振片9的结构和偏振态和第一偏振片7相同，第一滤光片11的波长和激光器1发出激光的波长相对应。激光经高压样品室8后，由于受高压样品室8中碳黑颗粒的影响产生光散射现象，光强会发生变化。在水平光轴方向上第一滤光片11的后方设置有线阵CCD图像传感器13，线阵CCD图像传感器13用于接收光信号，并将光信号转换为电信号，线阵CCD图像传感器13通过数据线与计算机19连接，计算机19接收到线阵CCD图像传感器13传输的信号后计算得到碳黑颗粒的浓度。

如图2所示，本实施例的高压样品室8的相对侧壁上设有透光孔a，透光孔a位于激光的水平光轴上，激光器1发出的激光可经透光孔a穿过高压样品室8，在高压样品室8内设置有燃油喷嘴80，高压样品室8上设置有和燃油喷嘴80连通的燃料入口81，燃油喷嘴80点火后在高压样品室8内燃烧，高压样品室8上设有空气进口82，空气进口82将外部空气输入至高压样品室8内，实现燃烧。高压样品室8上还设有与外部高压气源相连通的高压气体输送管路83，在高压气体输送管路83上可以根据需要设置控制阀(未图示)。激光经透光孔a射入高压样品室8内后，穿过火焰，再经透光孔a射出。

本实施例的工作过程如下：

调节激光器1的激光波长，从激光器1发出的第一束激光依次经过第一衰减器3和扩束准直镜4后，衰减为合适强度的激光，经过第一偏振片7变为线偏振光，线偏振光穿过高压样品室8后经过相同偏振态的第二偏振片9，以滤除杂散光，然后再经过聚焦透镜10会聚，并通过相应波长的第一滤光片11最后聚焦到线阵CCD图像传感器13上；从激光器1发出波长和第一束激光波长相同的第二束激光，依次经过第一衰减器3、扩束准直镜4、第一偏振片7、第二偏振片9、聚焦透镜10、第一滤光片11，第二束激光作为参考光不经过高压样品室8(可将高压样品室移除或不放置样品)，直接入射到线阵CCD图像传感器13上，不经过高压样品室的激光用于作为不受介质颗粒影响的参考光，线阵CCD图像传感器13经过相应的电路将接收到的两次光强度信号转化为电信号，再经过放大电路和模数转换电路转换为数字信号后输入计算机19；

调节激光器1的激光波长，由激光器1先后发出不同于第一束激光波长的第三束激光和第四束激光，第三束激光和第四束激光的波长相同，重复上述过程，线阵CCD图像传感器13将接收到两次光强度信号转换后传送给计算机19，计算机19根据四次数据计算得出燃烧碳黑颗粒浓度。

本实施例的测量高压燃烧碳黑颗粒浓度的方法，包括以下步骤：

步骤一、调节激光器，由激光器先后发出两次波长为λ₁的激光，其中一次波长为λ₁的激光经过高压样品室后传输到线阵CCD图像传感器上，另一次波长为λ₁的激光不经过高压样品室直接传输到线阵CCD图像传感器上，线阵CCD图像传感器接收到两次光强信号，并传输至计算机；

步骤二、调节激光器，由激光器先后发出两次波长为λ₂的激光，其中一次波长为λ₂的激光经过高压样品室后传输到线阵CCD图像传感器上，另一次波长为λ₂的激光不经过高压样品室直接传输到线阵CCD图像传感器上，线阵CCD图像传感器接收到两次光强信号，并传输至计算机；

步骤三、通过上述步骤一和步骤二，测量得到在波长为λ₁的激光及波长为λ₂的激光入射条件下线阵CCD图像传感器测量的光强，根据公式(1)得到波长为λ₁的激光及波长为λ₂的激光对应的颗粒消光值之比：

$\frac{\ln (I_{{\mathrm{\λ}}_1}/I_{{0\mathrm{\λ}}_1})}{\ln (I_{{\mathrm{\λ}}_2}/I_{{0\mathrm{\λ}}_2})}=\frac{K_{\mathrm{ext}{\·\mathrm{\λ}}_1}}{K_{{\mathrm{ext}\·\mathrm{\λ}}_2}}---\left(1\right)$

其中：

——入射波长为λ₁的激光时，激光经高压样品室后，在线阵CCD图像传感器测量得到的光强；

——入射波长为λ₁的激光时，激光不经高压样品室，在线阵CCD图像传感器测量得到的光强；

——入射波长为λ₂的激光时，激光经高压样品室后，在线阵CCD图像传感器测量得到的光强；

——入射波长为λ₂的激光时，激光不经高压样品室，在线阵CCD图像传感器测量得到的光强；

——波长为λ₁的入射激光光强条件下的颗粒消光系数；

——波长为λ₂的入射激光光强条件下的颗粒消光系数；

根据公式(2)，求得颗粒浓度N：

$N=\ln (I_{{\mathrm{\λ}}_1}/I_{0{\mathrm{\λ}}_1})/(-\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^2{K}_{\mathrm{ext}\·{\mathrm{\λ}}_1}L)---\left(2\right)$

其中，D——根据Mie理论由相应波长的颗粒消光值之比得到的颗粒平均直径；L——颗粒介质区域的光程。

实施例2

如图3所示，作为更优选的方案，本实施例的高压燃烧碳黑颗粒浓度测量装置包括激光器1、第一光阑2、第一衰减器3、扩束准直镜4、第二光阑5、分光镜6、第一偏振片7、高压样品室8、第二偏振片9、聚焦透镜10、第一滤光片11、第三光阑12、线阵CCD图像传感器13、第四光阑14、全反镜15、第二衰减器16、第二滤光片17、第五光阑18和计算机19。

在出射激光水平光轴方向上激光器1的后方依次设置有第一光阑2、第一衰减器3、扩束准直镜4、第二光阑5、分光镜6、第一偏振片7和高压样品室8，设置于第二光阑5后方的分光镜6的波长与激光器1发出的光的波长相对应，使激光器1发出的激光可以透过分光镜6，本实施例的分光镜6采用透过率和反射率均为50％的半反半透镜，由激光器1发出的光经过分光镜6后分为两束光：50％的透射光和50％的反射光，透过分光镜6的透射光依次经第一偏振片7和高压样品室8。在水平光轴方向上高压样品室8的后方依次设置有第二偏振片9、聚焦透镜10、第一滤光片11和第三光阑12，在垂直光轴方向上分光镜6的后方依次设置有第四光阑14和全反镜15，在全反镜15出射光方向上的后方依次设置有第二衰减器16、第二滤光片17和第五光阑18，本实施例的第四光阑14、全反镜15、第二衰减器16、第二滤光片17和第五光阑18构成参考光路，由分光镜6反射的反射光沿该参考光路传播，其中，第二滤光片17的波长与激光器1所发激光波长相对应，本实施例中的全反镜15采用加强铝反射镜。在水平光轴方向上第三光阑12的后方设置有线阵CCD图像传感器13，线阵CCD图像传感器13接收来自反射光路和透射光路的光信号，并将光信号最终转换为数字信号，计算机19接收到线阵CCD图像传感器13传输的信号后计算得到碳黑颗粒的浓度。本实施例在光路中设置光阑的作用主要在于校准光路，并能够更好地消除杂散光，有助于光路的调节，当激光器1发出的激光无需调节时，可以将光阑省略，当然也可以根据光路调节的需要在不同的位置添加光阑。此外，激光器1也可以不采用可调谐激光器，在测量过程中只需更换所发射激光波长不同的激光器即可。

本实施例的工作过程如下：

调节激光器1的激光波长，从激光器1发出的第一束激光依次经过第一光阑2、第一衰减器3、扩束准直镜4和第二光阑5后，衰减为合适强度的激光，再经分光镜6分为一束透射光和一束反射光：透射光经过第一偏振片7变为线偏振光，线偏振光穿过高压样品室8后经过相同偏振态的第二偏振片9，以滤除杂散光，然后再经过聚焦透镜10会聚，并通过相应波长的第一滤光片11和第三光阑12消除由于样品产生的杂光，最后聚焦到线阵CCD图像传感器13上；作为参考光的反射光先经过第四光阑14、全反镜15，由全反镜15反射后依次经过第二衰减器16、第二滤光片17和第五光阑18，最后入射到线阵CCD图像传感器13上，线阵CCD图像传感器13经过相应的电路将接收到的来自两个光路的光强度信号转化为电信号，再经过放大电路和模数转换电路转换为数字信号后输入计算机19；

调节激光器1的激光波长，由激光器1发出不同于第一束激光波长的第二束激光，重复上述过程，线阵CCD图像传感器13将接收到第二束激光的两个光路的光强度信号转换后传送给计算机19，计算机19根据两次数据计算得出燃烧碳黑颗粒浓度。

本实施例的测量高压燃烧碳黑颗粒浓度的方法，包括以下步骤：

步骤一、调节激光器，由激光器发出波长为λ₁的激光，使波长为λ₁的激光经高压样品室前的分光镜后分为透射光线和作为参考光的反射光线，透射光线经高压样品室后光强发生变化，然后传输到线阵CCD图像传感器上，反射光线经全反镜反射后传输到线阵CCD图像传感器上，由于反射光线没有经过高压样品室，其光强不会产生变化，可作为经过高压样品室后的透射光线的参考光，线阵CCD图像传感器接收来自两个光路的光强信号，并传输至计算机；

步骤二、调节激光器，由激光器发出波长为λ₂的激光，使波长为λ₂的激光经高压样品室前的分光镜后分为透射光线和作为参考光的反射光线，透射光线经高压样品室后传输到线阵CCD图像传感器上，反射光线经全反镜反射后传输到线阵CCD图像传感器上，线阵CCD图像传感器接受来自两个光路的光强信号，并传输至计算机；

步骤三、通过上述步骤一和步骤二，测量得到波长为λ₁的激光及波长为λ₂的激光入射条件下线阵CCD图像传感器测量的光强，根据公式(1)得到两束激光对应的颗粒消光值之比：

$\frac{\ln (I_{{\mathrm{\λ}}_1}/I_{{0\mathrm{\λ}}_1})}{\ln (I_{{\mathrm{\λ}}_2}/I_{{0\mathrm{\λ}}_2})}=\frac{K_{\mathrm{ext}{\·\mathrm{\λ}}_1}}{K_{{\mathrm{ext}\·\mathrm{\λ}}_2}}---\left(1\right)$

其中：

——入射波长为λ₁的激光时，透射光线经高压样品室后，在线阵CCD图像传感器测量得到的光强；

——入射波长为λ₁的激光时，反射光线经全反射镜反射后，在线阵CCD图像传感器测量得到的光强；

——入射波长为λ₂的激光时，透射光线经高压样品室后，在线阵CCD图像传感器测量得到的光强；

——入射波长为λ₂的激光时，反射光线经全反射镜反射后，在线阵CCD图像传感器测量得到的光强；

——波长为λ₁的入射激光光强条件下的颗粒消光系数；

——波长为λ₂的入射激光光强条件下的颗粒消光系数；

在折射率已知，两波长固定且相差不大的条件下，消光系数只和颗粒系的平均直径D有关，由消光值的比值

根据作图法可得到待测颗粒平均直径。

根据公式2，求得颗粒浓度N：

其中，D——根据Mie理论由相应波长的颗粒消光值之比得到的颗粒平均直径，L——颗粒介质区域的光程。

由于激光器在不同时间发出的激光可能存在误差，本实施例在高压样品室前设置分光镜，使激光在发射至高压样品室前分为透射光和作为参考光的反射光，这样激光器只需先后发出两次波长不同的激光即可，简化测量步骤，同一束激光在分光镜作用下形成经过高压样品室和不经过高压样品室的两条光路，透射光线由于受到样品颗粒的影响，光强发生变化，由线阵CCD图像传感器接收经过高压样品室的透射光线和不经过高压样品室的反射光线的光强信号，根据透射光线和反射光线的光强数值可以测量出样品颗粒的浓度。这样可以避免改变光路多次测量带来的影响，实现同时测量同一状态下颗粒分布，减小激光本身的误差和不稳定性。本实施例尤其适用于测量航天发动机、高压锅炉内燃烧颗粒浓度的测量。

由上可知，本发明的测量装置及方法与其它装置及方法相比，具有以下优点：

一、适用性广，不仅能够测量燃烧碳黑颗粒，还能测量液滴(液体颗粒)和气泡，当不用于测量燃烧碳黑颗粒浓度时，高压样品室内用于实现燃烧的相应部件可以省去，本领域技术人员可以根据不同的测量需求设计出相应的高压样品室；

二、粒径测量范围宽，测量范围可从几纳米到一千微米，甚至更大，可测颗粒的粒径的响应范围能达到6个数量级；

三、测量速度快，包括数据的采集和处理在内，一次测量一般可在一分钟、十几秒甚至更短的时间内完成；

四、准确性高，重复性好，可以将单分散性高分子聚合物标准颗粒的测量误差和重现性偏差限制在1％～2％以内。

当然，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之中。

Claims (10)

1.高压燃烧碳黑颗粒浓度测量装置，包括：

激光器、依次设置于所述激光器后方的第一衰减器、光路准直元件、第一偏振片、样品室、第二偏振片、聚焦透镜、第一滤光片，所述第一滤光片波长与所述激光器发出的激光波长相对应；

设置于所述第一滤光片后方的线阵CCD图像传感器；

与所述线阵CCD图像传感器连接的计算机；

其特征在于：所述样品室为在相对侧壁上设置有透光孔的高压样品室，所述透光孔位于所述激光器发出激光的水平光轴上，使激光能穿过所述高压样品室后由所述线阵CCD图像传感器接收。

2.根据权利要求1所述的高压燃烧碳黑颗粒浓度测量装置，其特征在于：所述高压样品室上设有一端与高压气源相连通、另一端与高压样品室内相连通的高压气体输送管路。

3.根据权利要求2所述的高压燃烧碳黑颗粒浓度测量装置，其特征在于：所述高压样品室上设置有空气进口，高压样品室内设有燃油喷嘴以及与所述燃油喷嘴连通的燃料入口。

4.根据权利要求1或2或3所述的高压燃烧碳黑颗粒浓度测量装置，其特征在于，还包括：

设置于所述光路准直元件后的分光镜，所述分光镜波长与所述激光器发出的激光波长相对应；

以及在垂直光轴方向上依次设置于所述分光镜后方的全反镜、在所述全反镜出射光方向上依次设置于所述全反镜后方的第二衰减器和第二滤光片，所述第二滤光片波长与所述激光器发出的激光波长相对应。

5.根据权利要求4所述的高压燃烧碳黑颗粒浓度测量装置，其特征在于，还包括：设置于所述激光器后的第一光阑、设置于所述光路准直元件前的第二光阑、设置于所述第一滤光片后方的第三光阑、在垂直光轴方向上设置于所述全反镜前的第四光阑和设置于所述第二滤光片后方的第五光阑。

6.根据权利要求4所述的高压燃烧碳黑颗粒浓度测量装置，其特征在于：所述分光镜为透过率和反射率均为50％的半反半透镜。

7.根据权利要求4所述的高压燃烧碳黑颗粒浓度测量装置，其特征在于：所述全反镜为加强铝反射镜。

8.根据权利要求1所述的高压燃烧碳黑颗粒浓度测量装置，其特征在于：所述激光器为可调谐激光器。

9.一种测量高压燃烧碳黑颗粒浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、调节激光器，由激光器先后发出两次波长为λ₁的激光，使所述波长为λ₁的激光一次经过高压样品室后传输到线阵CCD图像传感器上，另一次不经过高压样品室直接传输到线阵CCD图像传感器上，线阵CCD图像传感器接收到两次光强信号，并传输至计算机；

步骤二、调节激光器，由激光器先后发出两次波长为λ₂的激光，使所述波长为λ₂的激光一次经过高压样品室后传输到线阵CCD图像传感器上，另一次不经过高压样品室直接传输到线阵CCD图像传感器上，线阵CCD图像传感器接收到两次光强信号，并传输至计算机；

步骤三、通过上述步骤一和步骤二，测量得到波长为λ₁的激光及波长为λ₂的激光入射条件下线阵CCD图像传感器测量的光强，根据公式(1)得到波长为λ₁的激光及波长为λ₂的激光对应的颗粒消光值之比：

$\frac{\ln (I_{{\mathrm{\λ}}_1}/I_{{0\mathrm{\λ}}_1})}{\ln (I_{{\mathrm{\λ}}_2}/I_{{0\mathrm{\λ}}_2})}=\frac{K_{\mathrm{ext}{\·\mathrm{\λ}}_1}}{K_{{\mathrm{ext}\·\mathrm{\λ}}_2}}---\left(1\right)$

其中：

——入射波长为λ₁的激光时，激光经高压样品室后，在线阵CCD图像传感器测量得到的光强；

——入射波长为λ₁的激光时，激光不经高压样品室，在线阵CCD图像传感器测量得到的光强；

——入射波长为λ₂的激光时，激光经高压样品室后，在线阵CCD图像传感器测量得到的光强；

——入射波长为λ₂的激光时，激光不经高压样品室，在线阵CCD图像传感器测量得到的光强；

——波长为λ₁的入射激光光强条件下的颗粒消光系数；

——波长为λ₂的入射激光光强条件下的颗粒消光系数；

根据公式(2)，求得颗粒浓度N：

$N=\ln (I_{{\mathrm{\λ}}_1}/I_{0{\mathrm{\λ}}_1})/(-\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^2{K}_{\mathrm{ext}\·{\mathrm{\λ}}_1}L)---\left(2\right)$

其中，D——根据Mie理论由相应波长的颗粒消光值之比得到的颗粒平均直径；L——颗粒介质区域的光程。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：

在所述步骤一中，在高压样品室前设置分光镜，调节激光器，由激光器发出波长为λ₁的激光，使所述波长为λ₁的激光经分光镜后分为透射光线和作为参考光的反射光线，透射光线经高压样品室后传输到线阵CCD图像传感器上，反射光线经全反镜反射后传输到线阵CCD图像传感器上，线阵CCD图像传感器接收来自两个光路的光强信号，并传输至计算机；

在所述步骤二中，调节激光器，由激光器发出波长为λ₂的激光，使所述波长为λ₂的激光经分光镜后分为透射光线和作为参考光的反射光线，透射光线经高压样品室后传输到线阵CCD图像传感器上，反射光线经全反镜反射后传输到线阵CCD图像传感器上，线阵CCD图像传感器接受来自两个光路的光强信号，并传输至计算机。

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