CN105866092A - 一种基于平面激光诱导荧光技术的液体/气体标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于平面激光诱导荧光技术的液体/气体标定装置，包括标定装置主体，标定装置主体的一个侧面上安装入射视窗，其对侧上安装出射视窗，在入射视窗和出射视窗之间的侧面上安装观察视窗，标定装置主体的上端面上分别安装气体或液体进口和气体或液体出口，气体或液体进口和气体或液体出口之间设置安装测压元件的螺纹孔，标定装置主体的下端面上设置两个用以安装位置调整装置的螺纹孔，两个螺纹孔之间设置安装测压元件的螺纹孔，标定装置主体的外表面贴有可控加热片。本发明体积小、加工方便、位置可以灵活精确调整。

Description

一种基于平面激光诱导荧光技术的液体/气体标定装置

技术领域

本发明涉及的是一种标定装置，具体地说是为平面激光诱导荧光技术服务的标定装置。

背景技术

激光诱导荧光测试技术(LIF)是指用特定波长的激光照射在某些物质上时，光被这些物质吸收后也会发出特定波长的光，这种光被称为荧光，它的强度除了与入射光强有关，还与物质的浓度、温度等有关。在柴油机领域，近年来由于排放法规的日益严格和改善环境的迫切要求，需要人们对柴油机进行改进优化。燃烧问题作为内燃机研究中的核心问题一直为人们所重视，燃油的喷射、雾化及其与空气的混合是整个燃烧过程的个关键环节，激光诱导荧光测试技术作为先进的测量手段，已经被应用在喷雾与燃烧的各项研究中。

在利用激光诱导荧光法(LIF)测量液体或气体的浓度时，为了在图片中得到浓度值，需要将图像的强度对应成物理单位，这个过程称为标定。由激光诱导出的荧光，不仅与激光的能量有关，还与被测对象的性质有关，同时又受到环境因素温度，压力的影响。所以需要在不同温度，压力下对荧光强度进行标定。然后将标定结果用于实际测量中。因此想要利用平面激光诱导荧光技术进行测量必须要有标定过程，没有标定过程就无法建立荧光强度与所测对象之间的定量关系，所以标定过程对于利用激光诱导荧光法的是必需的。标定作为LLIF测量中的环节，标定的好坏决定了测量的精度，因此对于标定过程的研究十分必要的。

目前国内在激光诱导荧光技术测量领域大多采用实验装置(通常是定容弹)或将实验装置改造作为标定装置，没有专门用于标定的装置，经常存在下列问题：

1，标定装置尺寸大，结构笨重，定容弹作为研究喷雾与燃烧的常用装置，并非针对标定过程设计的装置，其位置不能灵活调节，不能与标定测量系统很好的配合，而且若将整个定容弹作为标定装置，所需的标定样品、示踪剂等耗费较大。

2，压力，温度的升高过程复杂，对于装置内的温度及压力的升高一般采用点火的方式，通常是向装置内通入不同比例的氢气、氧气和氮气，然后点燃，使得装置的温度和压力达到预想值，且维持温度，压力在某一稳定值困难。

3，用途单一，由于实验装置均是针对特定的实验项目进行设计，因此对标定过程具有一定的局限性，使得它只能对一些特定的标定对象才能使用，无法实现对气体，液体等对象的广泛的标定。

除以上问题外，标定装置还必须满足：在非饱和激发标定中，片光在标定装置中随传播距离的增加，有时会因测量对象的吸收作用，其强度会衰减，因为测量对象内部其光强无法测得，只能通过测量片光在测量对象表面的光强，再结合该点处的荧光强度，对相机记录的荧光图像进行吸收校正。

发明内容

本发明的目的在于提供体积小、加工方便、位置可以灵活精确调整的一种基于平面激光诱导荧光技术的液体/气体标定装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于平面激光诱导荧光技术的液体/气体标定装置，其特征是：包括标定装置主体，标定装置主体的一个侧面上安装入射视窗，其对侧上安装出射视窗，在入射视窗和出射视窗之间的侧面上安装观察视窗，标定装置主体的上端面上分别安装气体或液体进口和气体或液体出口，气体或液体进口和气体或液体出口之间设置安装测压元件的螺纹孔，标定装置主体的下端面上设置两个用以安装位置调整装置的螺纹孔，两个螺纹孔之间设置安装测压元件的螺纹孔，标定装置主体的外表面贴有可控加热片。

本发明还可以包括：

1、入射视窗采用T型玻璃，入射视窗的片光出射面位于观察视窗内。

2、出射视窗采用T型玻璃，入射视窗与出射视窗中心点连线水平，与观察视窗光路垂直，出射视窗的长度大于入射视窗。

本发明的优势在于：

本装置有三个视窗，入射视窗、出射视窗、观察视窗。通过将入射视窗设计成特殊的T型，可以将入射视窗深入到标定装置内部，使得可以通过观察视窗，观测到入射视窗的出射面，可以通过激光能量计得到此处的入射光强，可由相机记录的该处的荧光强度。

为了便于调整标定装置的位置以及保证片光垂直入射，在装置的底部开有两个螺纹孔，这两个螺纹孔位于标定装置底面片光入射方向的中心线上，它可以与导轨或升降装置配合使用，灵活精确的实现对标定装置的位置调整，将两个两个螺纹孔所在的中心线放入片光所在平面，即保证入射片光与入射视窗垂直。

为了减小因片光在标定装置中的反射而造成的误差，除了在入射视窗的对称位置安装的出射视窗外，将出射视窗的宽度与入射视窗保持一样的情况下，加大了出射视窗的高度，因为入射视窗的边缘折射会造成的片光发散，不对出射视窗进行加高，会使得片光无法完全出射，在标定装置内部反射增加误差。

此外，如图4所示，T型玻璃与装置本体的连接处具有较大的接触面，在端盖的压紧作用下，可以起到良好的密封作用，具有良好的密封性，可进行液体或液体多种对象的标定。装置本体上方开有气体或液体的进口和出口，可以根据标定需要调整标定装置内气体或液体的压力或浓度。为了改变并保持装置内气体或液体的温度，该装置可以和大功率可控加热装置配合使用，方便的实现温度的设定与维持。装置上方、下方的中间位置开有两个螺纹孔，可以安装测温、测压元件，可以监测装置内的压力，温度，实现对装置内温度与压力的精确控制。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的主视图；

图3是本发明的左视图；

图4是由A-A面剖开的装配图剖视图；

图5是用本发明装置进行标定的一般实验系统。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-5，本发明的一种基于平面激光诱导荧光技术的液体/气体标定装置包括：端盖1、入射视窗2、安装测温元件的螺纹孔3、压板4、标定装置主体5、密封垫圈6、螺钉7、垫片8、出射视窗9、观察视窗10、与位移装置配合的螺纹孔11、安装测压元件的螺纹孔12、气体或液体进出口13、加热装置14，用本发明装置进行标定的一般实验系统(见图5)包括激光器A、主机B、同步控制器C、相机D、增强器(IRO)E、标定装置F、激光能量计G、折射镜H、偏光发生器I。

标定装置主体5形状为扁形长方体；

玻璃视窗分为入射视窗2，出射视窗9，观察视窗10，观察视窗10为矩形平板玻璃；标定装置主体5的上方开有气体或液体的口和出口13，它们之间有为安装测温元件而开的螺纹孔12，下方开有两个用以和位置调整装置配合的螺纹孔11，它们之间开有为安装测压元件而开的螺纹孔3。

入射视窗2的玻璃视窗采用形状特殊的T型玻璃，可以安装到与之形状相配合的标定装置主体上，入射视窗的片光出射面位于观察视窗内，可以记录该平面内的荧光强度。

与入射视窗2对应的出射视窗9具有与入射视窗类似的结构，入射视窗与出射视窗中心点连线水平，与观察视窗10光路垂直，但是出射视窗9的长度大于入射视窗2，保证片光全部可以由出射视窗出射。

标定装置主体5下方开有两个用以和位置调整装置配合的螺纹孔11，这两个螺纹孔的圆心位于标定装置主体底面片光进入方向的中心线上。

标定装置主体5开有压力传感器和测温热电偶安装孔，可以安装测温、测压元件，实时监测装置内的压力与温度。

标定装置主体5外表面贴有大功率可控加热片，根据标定需要，调节装置内的温度，实现对标定气体或液体的保温及加温功能。

实施例：一种气体荧光物质的的荧光特性随温度与浓度变化的标定以及用该荧光物质作为示踪剂对气体物质浓度的测量。

在饱和激光能量激发下，荧光强度和产生荧光的物质的浓度有如下关系

I_F(x,y)＝K·C(x,y)

I_F(x,y)为荧光强度，K为与环境温度，压力有关的系数，C(x,y)为产生荧光处的荧光物质浓度。

标定与测量过程中将示踪剂与所测量的气体按一定比例混合，可以看出荧光强度与示踪剂浓度(即测量对象浓度)呈线性关系，通过拍摄的荧光图片就可以建立起荧光强度，气体浓度和系数之间的关系，得到系数，在实际测量中根据所处的环境不同选择各自的系数，就可以得到气体浓度值以及气体浓度的分布。具体实施过程就是，通过可控大功率加热片为标定装置进行加热，方便快速的实现温度的设定与维持，通过标定装置上方13样品进出口进行浓度，压力的设定，向标定装置中加入浓度已知的气体，调整气体压力至一定值，调节加热装置，使温度保持某一定值。如图5所示为标定系统的一般布置：由激光器发出一束激光经光路偏折后，经过片光发生器后产生片光，通过位移调整装置将标定装置的入射视窗与片光调整至垂直，并且将标定装置放在片光焦点与相机视场中，产生的片光由入射视窗进入，由出射视窗出射，在装置内产生的荧光，荧光会被CCD相机接收，得到的荧光图片，此时设定不同的温度，压力，重复之前的过程，就可以在不同温度与压力下进行标定，最后可以得到系数值随温度与压力变化的map图。在实际测量中根基测试环境的温度与压力查找值，将所得到的荧光图片对应成气体浓度分布图像。

Claims (3)

1.一种基于平面激光诱导荧光技术的液体/气体标定装置，其特征是：包括标定装置主体，标定装置主体的一个侧面上安装入射视窗，其对侧上安装出射视窗，在入射视窗和出射视窗之间的侧面上安装观察视窗，标定装置主体的上端面上分别安装气体或液体进口和气体或液体出口，气体或液体进口和气体或液体出口之间设置安装测压元件的螺纹孔，标定装置主体的下端面上设置两个用以安装位置调整装置的螺纹孔，两个螺纹孔之间设置安装测压元件的螺纹孔，标定装置主体的外表面贴有可控加热片。

2.根据权利要求1所述的一种基于平面激光诱导荧光技术的液体/气体标定装置，其特征是：入射视窗采用T型玻璃，入射视窗的片光出射面位于观察视窗内。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于平面激光诱导荧光技术的液体/气体标定装置，其特征是：出射视窗采用T型玻璃，入射视窗与出射视窗中心点连线水平，与观察视窗光路垂直，出射视窗的长度大于入射视窗。