CN102589699B - 一种用于燃烧检测系统的校直对准系统及校直对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于燃烧检测系统的校直对准系统及校直对准方法，该燃烧检测系统包括发射侧和接收发射侧通过燃烧室的投射激光的接收侧检测系统；上述校直对准系统包括发射侧对准装置、与发射侧对准装置光通信以接收其投射通过所述燃烧室的激光的接收侧对准装置；发射侧对准装置和接收侧对准装置分别与发射侧检测系统和接收侧检测系统光耦合；发射侧对准装置和接收侧对准装置为离轴抛面反射镜。本发明校直对准系统更加适合多波段探测使用，无色差、方便、准确。

Description

一种用于燃烧检测系统的校直对准系统及校直对准方法

技术领域

    本发明涉及一种用于TDLAS燃烧检测系统的校直对准系统及校直对准方法，具体涉及一种用于多波段监测多种气体的燃烧检测系统的校直对准系统。

背景技术

    在中国，绝大多数电力来自于火力发电。但是现在火力发电污染很大，效率也比较低下。而温度和CO₂浓度等都是炉膛中燃烧的重要参数。一些常规的测试方法，比如接触法以及一些非接触法（超声波），由于测量需要将探头至于燃烧场内，不仅器件极容易损坏而且可能直接干扰燃烧本身，引起测量的不准确，同时，由于上述传统监测系统测量结果的时间和空间分辨率差，影响测量精度。一般情况下，发电厂和其他工业燃烧设备中燃烧过程的效率与气体浓度，可以通过对提取的炉膛气体试样进行测量而间接测定的。基于激光光谱原理的光学类传感器业已用于解决与提取测量技术相关的浓度成分测量问题，并且基于激光原理的测量技术也具有提供适用于动态过程控制的高速反馈优点。一种被普遍看好可以用来测量燃烧气体成分、温度场与其他燃烧参数的技术是可调谐二极管激光吸收光谱法（TDLAS）。TDLAS检测燃烧系统必然需要激光的出射和接收设备，而在炉膛严酷和多变的环境中必须保持出射和入射光学机构的严格的校直，波动风力载荷温度变化与其它的结构移位都可能导致失准，这些都需要高精度，自动校直的发射和接收端对准装置。

    专利CN102272522A提出一种用于检测在发电站的燃烧室中燃料燃烧的方法和设备，据此测量在所属燃烧室中物质的实际浓度分布，考虑所述燃烧的化学计量比分析实际浓度分布以及根据所进行的分析推断出所述燃料的成分。该专利通过分析测得的二维浓度分布，形成至少一个维度上的平均值，避免了单点测量的不准确，但测量过程仍需在燃烧室内完成，且分析过程具有延时性，容易影响测量的准确度和精度。

    专利CN101408459A提出监视与控制燃烧过程的方法和设备，该设备的发射侧检测系统（投射侧光学系统）通过二极管激光器发射激光，依次耦合到复用器和投射光学件，投射光学件定向成通过处理室（燃烧室）投射复用的激光输出；接收侧检测系统（捕集侧光学系统）的捕集光学件接收投射激光，并将激光耦合到分用器，再由分用器光耦合至探测器。并且提出投射侧校直机构校直投射光束的方向以便使得所述捕集侧光学件接收且与所述探测器耦合的准直光束强度最大化，其方案两侧对准方案采用透镜折射准直扩束的方式，因为透镜色差的问题而不能适应多光波段监测多种气体参数的要求。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种适合多波段探测用的校直对准系统及校直对准方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种用于燃烧检测系统的校直对准系统，该燃烧检测系统包括发射侧检测系统、与发射侧检测系统光通信以接收其投射通过燃烧室的激光的接收侧检测系统；上述校直对准系统包括发射侧对准装置、与发射侧对准装置光通信以接收其投射通过所述燃烧室的激光的接收侧对准装置；发射侧对准装置和接收侧对准装置分别与发射侧检测系统和接收侧检测系统光耦合；发射侧对准装置和接收侧对准装置为离轴抛面反射镜。

对本发明的进一步改进在于：该校直对准系统还包括使接收侧对准装置沿第一轴线和与第一轴线正交的第二轴线倾斜的接收侧校直装置，第一轴线和第二轴线垂直于上述投射激光。接收侧校直装置包括固定筒、丝杆、倾斜台和马达；丝杆安装于固定筒内部的一端，并通过马达驱动；倾斜台位于固定筒内，并装配在丝杆上方；接收侧对准装置安装在倾斜台上。

本发明发射侧和接收侧采用离轴抛面反射镜，并且镜面上镀有银膜。发射侧检测系统中的光纤采用单模光纤；接收侧检测系统中的光纤采用较粗芯径的多模光纤。

本发明还提供了一种应用上述校直对准系统进行的校直对准方法，包括以下步骤：

（1）发射侧检测系统提供校直光束；

（2）将校直光束通过发射侧对准装置投射通过燃烧室，并由接收侧对准装置接收；

（3）接收侧对准装置将接收的光束耦合到接收侧检测系统，通过接收侧检测系统测定接收光束强度；

（4）校直上述接收侧对准装置以使上述从接收侧对准装置耦合到接收侧检测系统的光束强度最大化。

其中，步骤（4）的校直过程为使所述接收侧对准装置沿第一轴线和与第一轴线正交的第二轴线倾斜。

本发明相比现有技术具有以下优点：采用离轴抛面反射镜作为对准装置，不产生色差，能很好的进行准直和扩束，更适合多波段探测使用。同时采用马达控制丝杆对接收侧对准装置进行校直，从而大幅减小了对马达控制角度的限制，且使得接收侧相对于对应的发射侧校直，更加简单、准确、方便。发射侧检测系统中的光纤采用单模光纤，接收侧检测系统中的光纤采用较粗芯径的多模光纤，使得从接收侧对准装置耦合到多模光纤的校直光束强度最大化。

附图说明

图1为本发明校直对准系统应用于检测系统时的结构示意图。

图2为图1中发射侧对准装置（右）偏离造成校直光束不能进入接收侧对准装置（左）接收范围内的结构示意图。

图3为图1中接收侧对准装置受光角锥受限示意图。

图4为本发明校直对准系统中的接收侧校直装置的结构示意图。

图5为本发明校直方法的流程图。

图中，1-发射侧光纤，2-发射机，3-发射侧对准装置，4-燃烧室，5-接收侧光纤，51-光纤芯径，6-接收机，7-接收侧对准装置，71-受光角锥，8-丝杆，9-倾斜台，10-固定筒，。

具体实施方式

下面结合附图对本发明用于燃烧检测系统的校直对准系统及校直对准方法进行详细说明。

本发明校直对准系统，能允许发射侧和接收侧保持光学准直，即使这两种光学件栓接于锅炉或本身受到热效应运动，风与震动的影响的严酷坏境中，本准直系统仍然能够工作在最佳的状态下。而要达到的目标是发射侧和接收侧光学系统的光束共线，之所以需如此是为了使聚焦的传输光束可到达此多模光纤的受光角锥内。

该设计方案采用的对准装置基于90°离轴抛物面反射镜。和透镜不一样，反射镜的焦距在一个所有光波长范围内保持不变。由于这种内在的属性，一个抛物面反射镜准直器并不需要为适应各种波长的光而进行调整，这使它们成为使用多色光准直扩束的理想选择。可以通过使用镀有保护银膜的反射镜，这些准直器在从450纳米到20微米的波长范围内提供了出色的适用性，所以准直器实现反射镜整个反射带内近乎高斯准直。并且保护银镀膜方案提高了反射率，非常适合多色光耦合进多模光纤。

参见图1，本发明校直对准系统包括发射侧对准装置3和接收侧对准装置7，发射侧对准装置3和接收侧对准装置7均采用离轴抛物面反射镜。燃烧检测系统的发射侧提供校直光束，通过发射侧光纤1耦合到发射机2，再通过发射侧对准装置3投射入燃烧室4，接收侧对准装置7接收通过燃烧室4的校直光束，并耦合到燃烧检测系统接收侧的接收机6，接收机6通过接收侧光纤5耦合到探测器等设备。接收机6所连接接收侧光纤5为多模光纤，而发射侧光纤为单模光纤。为了获得高效率的准直，发射侧和接收侧对准装置公差要求非常严格。发射侧对准装置必须足够的精度指向以使得绝大部分传输光能投射到接收透光孔径中，如果偏离较大，激光将无法到达接收端接受范围内，如图2所示。上述的公差相当于20米的典型传输距离有4cm公差或是2毫弧度。

如图3所示，对准装置接收端的受光角锥71是用光纤芯径51的直径除以离轴抛面镜的焦距决定的。采用50.8毫米焦距的抛面反射镜和100微米芯径多模光纤，这样可以获得25.4毫米的透光孔径和2毫弧度的受光角锥。

本系统在精密工艺下安装，对准系统虽然理论上需要四个自由度（平移和旋转各两个自由度），但是实际情况下校直调整过程中两个旋转自由度足够定位成1毫弧度的公差相对准。为了实现这两个自由度（俯仰，左右偏摆），进行两个自由度校直的时候，假定了允许进行大的侧向运动的，但是接收侧红外窗口和炉膛的联通通道可能小于1英寸，这就意味着大范围对发射侧对准装置3进行角度调整没有必要。在严酷和多变的环境中必须保持出射和接收端的严格校直对准。波动、风力载荷、温度变化与其它的结构位移都可能导致失准，这是因为发射侧和接收侧容易产生机械蠕变。在定期保养之后，当发射侧对准装置3和接收侧对准装置7拆下用于清洗然后再安装上。理论上，本发明的光学系统可以在系统失准2°的情况下保持0.001°的光学校直。这一校直对准系统会在断电时保持其位置，停机而不损失准直性。

图4所示接收侧对准装置7安装在接收侧校直装置上的结构示意图。接收侧校直装置包括固定筒10，安装在固定筒10内部一端的丝杆8，驱动丝杆运动的马达，以及位于固定筒10内、装配在丝杆8上方的倾斜台9。此倾斜台9定位成可垂直于光轴俯仰（和左右）偏摆，由两台步进马达驱动丝杆8，这些马达通过以太网由计算机控制。步进马达有锁死装置，在撤下电源是可以保持其位置。发射侧对准装置3将单模光纤出射的光准直，产生高质量的激光束，接收侧对准装置7则捕获通过燃烧室的准直激光束并将其耦合进多模光纤内。通过接收侧校直装置使得接收侧对准装置7相对于对应的发射侧对准装置3校直，更加简单、方便。

本发明校直对准方法包括以下步骤：

（1）发射侧检测系统提供校直光束；

（2）将校直光束通过发射侧对准装置投射通过燃烧室，并由接收侧对准装置接收；

（3）接收侧对准装置将接收的光束耦合到接收侧检测系统，通过接收侧检测系统测定接收光束强度；

（4）校直上述接收侧对准装置以使上述从接收侧对准装置耦合到接收侧检测系统的光束强度最大化。

在上述步骤（4）对系统的校直过程中，计算机实时监视着所探测的激光量和所传输的激光量，二者的比值即反映对准程度，任何失对准将减弱所探测到的激光信号。在自动校直方式中，由计算机测量所探测信号，控制接收侧校直装置中的两台步进马达之一沿着一个方向做微量运动，达到控制接收侧对准装置同时测量所探测到的信号。

具体校直方法如图5所示：

①　若非长时间第一扫描(即为正常扫描)，一般可以认为发射端固定位置为原点，那么可以小范围扫描，首先在0.2°范围内平移0.02°共计100个点，估计时长10秒，通过扫描点的相邻的九宫格对应光强相加之和寻找最大值点。

②　若正常，0.04°范围16个点寻找最佳点，方法如同①。

③　然后通过“爬山法”寻找最大值点。

若不正常大范围扫描2°（即所有范围），采用扫描模式围绕着第一步的外延扫描，直到找到位置为止。共计10000个点，估计估计时长20分钟。然后重复步骤①。

Claims (5)

1.一种用于燃烧检测系统的校直对准系统，所述燃烧检测系统包括发射侧检测系统、与发射侧检测系统光通信以接收其投射通过燃烧室的激光的接收侧检测系统；所述校直对准系统包括发射侧对准装置、与发射侧对准装置光通信以接收其投射通过所述燃烧室的激光的接收侧对准装置；所述发射侧对准装置和接收侧对准装置分别与所述发射侧检测系统和接收侧检测系统光耦合；所述发射侧对准装置和接收侧对准装置为离轴抛面反射镜；其特征在于：所述校直对准系统还包括使接收侧对准装置沿第一轴线和与第一轴线正交的第二轴线倾斜的接收侧校直装置，所述第一轴线和第二轴线垂直于上述投射激光；所述接收侧校直装置包括固定筒、丝杆、倾斜台和马达；所述丝杆安装于所述固定筒内部的一端，并通过马达驱动；所述倾斜台位于固定筒内，并装配在所述丝杆上方；所述接收侧对准装置安装在所述倾斜台上。

2.根据权利要求1所述的用于燃烧检测系统的校直对准系统，其特征在于：采用离轴抛面反射镜，并且镜面上镀有银膜。

3.根据权利要求1所述的用于燃烧检测系统的校直对准系统，其特征在于：所述发射侧检测系统中的光纤采用单模光纤；所述接收侧检测系统中的光纤采用多模光纤。

4.应用权利要求1所述的校直对准系统的校直对准方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）所述发射侧检测系统提供校直光束；

（2）将所述校直光束通过所述发射侧对准装置投射通过所述燃烧室，并由所述接收侧对准装置接收；

（3）所述接收侧对准装置将接收的光束耦合到所述接收侧检测系统，通过接收侧检测系统测定接收光束强度；

（4）校直所述接收侧对准装置以使上述从接收侧对准装置耦合到接收侧检测系统的光束强度最大化。

5.根据权利要求4所述的校直对准方法，其特征在于：所述步骤（4）的校直过程为使所述接收侧对准装置沿第一轴线和与第一轴线正交的第二轴线倾斜调整。

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