CN110118762B - 火焰ch基和no分子同步或选择性激发测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

火焰CH基和NO分子同步或选择性激发测量装置及方法，属于燃烧组分可视化研究技术领域。激光器、聚焦透镜及设于燃烧器中心平面的空间标定板依次设置，同一空间对焦板上的两台ICMOS相机均朝燃烧器设置且位于燃烧器两侧并距燃烧器光程相同，相机上有同轴设置且位于同一水平高度的滤光片，脉冲信号发生器的脉冲信号输出端与激光器及相机的信号输入端连接，相机的信号输出端与计算机信号输入端连接。本发明不干扰燃烧器燃烧场的火焰结构，装置简单，节约成本，实现了燃烧过程中的CH基与NO分子同步测量或者选择性测量，实现了同步激发或者选择性激发两种基团，对于燃烧学机理和控制污染物NO排放具有重要意义。

Description

火焰CH基和NO分子同步或选择性激发测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种火焰CH基和NO分子同步或选择性激发测量装置及方法，属于燃烧组分可视化研究技术领域。
背景技术
NO是燃烧过程中产生的最重要的污染物之一，参与大气臭氧的消耗、光化学烟雾及酸雨的形成，因此对燃烧过程中NO的测量尤为重要。燃料燃烧过程中产生的中间体，如CH，OH，CH2O等，这些特定自由基存在于燃烧的不同阶段和位置，具有特定的含义。例如，CH自由基存在于燃烧反应区，已经被频繁用于火焰前沿结构的可视化。同时，CH自由基也参与瞬时NO分子形成过程，是污染物NO形成的重要前驱物。因此，采用CH自由基与NO分子同步或选择性测量不仅能够反映污染物NO的形成过程，对于研究火焰结构与污染物形成的空间关联，模型修正及理解燃烧机理也具有重要意义。
激光诱导荧光技术（LIF）相比于传统测量技术具有诸多优点，如非接触式测量，时间分辨率高，可以获得区域内组份的二维空间结构信息并具有很高的空间分辨率。考虑探测基团实际吸收谱线，可灵活选取激发方式，如单光子激发，双光子激发等。双光子激发能够胜任吸收谱线在深紫外区的原子或分子（H原子，O原子，CO分子），而单光子激发实现较困难。
发明内容
为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种火焰CH基和NO分子同步或选择性激发测量装置及方法。
实现上述目的，本发明采取下述技术方案：火焰CH基和NO分子同步或选择性激发测量装置，包括激光器、聚焦透镜、燃烧器、空间标定板、脉冲信号发生器、计算机、两台ICMOS相机以及两个滤光片，所述激光器、聚焦透镜以及空间标定板沿激光的传输方向依次设置，所述空间标定板设置于燃烧器火焰的中心平面上，所述燃烧器的两侧分别设有一台ICMOS相机，每台所述ICMOS相机到燃烧器的光程均相同，且两台ICMOS相机的镜头均朝向燃烧器火焰一侧设置，两台ICMOS相机的焦平面位于同一空间对焦板上，每台ICMOS相机的镜头上分别加装有一个滤光片，两个所述滤光片与两台ICMOS相机镜头同轴设置且均位于同一水平高度；所述脉冲信号发生器的脉冲信号输出端与激光器以及两台ICMOS相机的信号输入端连接，两台ICMOS相机的信号输出端与计算机信号输入端连接。
本发明的火焰CH基和NO分子同步激发的方法，包括如下步骤：
步骤一、将空间标定板置于燃烧器火焰的中心平面上，两台ICMOS相机同时对焦，实现探测平面的校准；
步骤二、调谐激光器的出光波长，使其输出波长为387.168nm的激光，并满足输出激光的线宽大于1cm-1，则对应单光子激发CH基B-X （0，0）带的R1（7）线和双光子激发NO分子D-X（0，1）带的Q12(31)、Q1（28）和R1（22）联合线，实现同步激发CH基和NO分子；
步骤三、调整聚焦透镜使激发光聚焦到燃烧器的火焰中心位置；
步骤四、通过脉冲信号发生器准确地控制激发和探测的时间，保证两台ICMOS相机同时拍摄火焰中CH基和NO分子；
步骤五、计算机通过同步图像采集系统获取两台ICMOS相机拍摄的CH基和NO分子的荧光图像。
本发明的火焰CH基和NO分子选择性激发的方法，包括如下步骤：
步骤一、将空间标定板置于燃烧器火焰的中心平面上，两台ICMOS相机同时对焦，实现探测平面的校准；
步骤二、调谐激光器的出光波长，使其输出波长为387.168nm的激光，并满足输出激光的线宽小于1cm-1，则对应单光子激发CH基B-X （0，0）带的R1（7）线，记为激光A；调谐激光器的出光波长，使其输出波长为387.174nm的激光，并满足输出激光的线宽小于1cm-1，则对应双光子激发NO分子 D-X（0，1）带的Q12(31)、Q1（28）和R1（22）线，记为激光B；
步骤三、调整聚焦透镜使激光A或者激光B聚焦到燃烧器的火焰中心位置；
步骤四、通过脉冲信号发生器控制两台ICMOS相机单独工作，而后选择性拍摄火焰中CH基和NO分子；
步骤五、计算机通过同步图像采集系统获取两台ICMOS相机拍摄的CH基和NO分子的荧光图像。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明是一种非接触式主动测量的燃烧诊断方法，不干扰燃烧器燃烧场的火焰结构；
2、本发明可利用一台激光器实现对两种组份（CH基和NO分子）同步或者选择性激发，装置简单，节约成本；
3、本发明通过激光器输出激光的线宽大小的不同以及实现了燃烧过程中的CH基与NO分子同步测量或者选择性测量；
4、本发明同时测量火焰中CH基与污染物NO分子的空间分布，可以分析火焰结构与污染物NO形成的关系，对于燃烧学机理和控制污染物NO排放具有重要意义；
5、本发明利用CH基单光子吸收谱线与NO分子双光子吸收谱线接近重叠的特性，实现同步激发或者选择性激发两种基团；
6、本发明选择同步激发谱线，线强度较强，荧光量子产率较大，探测信噪比高；
7、本发明使用激发NO分子的方式是双光子激发，这样可以有效避免诸如O2-LIF，CO2-LIF等荧光谱线干扰，为后续定量化测量提供可能；
8、本发明中，CH基的发射谱带在390nm以上，NO分子的发射波段在195-250nm之间，探测波段相差较远，避免了谱线重叠。
附图说明
图1是本发明的火焰CH基和NO分子同步或选择性激发测量装置整体结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体实施方式一：如图1所示，本发明公开了一种火焰CH基和NO分子同步或选择性激发测量装置，包括激光器1、聚焦透镜2、燃烧器3、空间标定板6、脉冲信号发生器7、计算机8、两台ICMOS相机4以及两个滤光片5，所述激光器1、聚焦透镜2以及空间标定板6沿激光的传输方向依次设置，所述空间标定板6设置于燃烧器3火焰的中心平面上，所述燃烧器3的两侧分别设有一台ICMOS相机4，每台所述ICMOS相机4到燃烧器3的光程均相同，且两台ICMOS相机4的镜头均朝向燃烧器3火焰一侧设置，两台ICMOS相机4的焦平面位于同一空间对焦板上，保证收集的信号源于同一发射平面；每台ICMOS相机4的镜头上分别加装有一个滤光片5，两个所述滤光片5与两台ICMOS相机4镜头同轴设置且均位于同一水平高度；所述脉冲信号发生器7的脉冲信号输出端与激光器1以及两台ICMOS相机4的信号输入端连接，两台ICMOS相机4的信号输出端与计算机8信号输入端连接。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述激光器1为线宽可调激光器。满足激发光线宽在1cm-1上下范围可调，激发光线宽大于1cm-1时，可实现谱线同时激发，激发光线宽小于1cm-1时，可实现谱线选择性激发；若激光器1线宽不可调，可根据具体线宽大小，选择激发方式，满足CH基和NO分子的激发要求。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或具体实施方式二作出的进一步说明，所述激光器1输出激光的波长在387nm附近，具体为387.168nm或387.174nm。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三作出的进一步说明，两个所述滤光片5分别为通带波长为不小于390nm的高通滤光片（用于收集CH基B-X带发射荧光）以及通带波长为195-250nm的干涉滤光片（用于收集NO分子D-X带发射荧光）。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式三作出的进一步说明，所述脉冲信号发生器7为高精度数字延时脉冲信号发生器。
具体实施方式六：一种根据具体实施方式三至具体实施方式五任一具体实施方式所述的装置实现火焰CH基和NO分子同步激发的方法，所述方法步骤如下：
步骤一、将空间标定板6置于燃烧器3火焰的中心平面上，两台ICMOS相机4同时对焦，实现探测平面的校准；
步骤二、调谐激光器1的出光波长，使其输出波长为387.168nm的激光，并满足输出激光的线宽大于1cm-1，则对应单光子激发CH基B-X （0，0）带的R1（7）线和双光子激发NO分子D-X（0，1）带的Q12(31)、Q1（28）和R1（22）联合线，实现同步激发CH基和NO分子；
步骤三、调整聚焦透镜2使激发光聚焦到燃烧器3的火焰中心位置；
步骤四、通过脉冲信号发生器7准确地控制激发和探测的时间，保证两台ICMOS相机4同时拍摄火焰中CH基和NO分子；
步骤五、计算机8通过同步图像采集系统获取两台ICMOS相机4拍摄的CH基和NO分子的荧光图像。
具体实施方式七：一种根据具体实施方式三至具体实施方式五任一具体实施方式所述的装置实现火焰CH基和NO分子选择性激发的方法，所述方法步骤如下：
步骤一、将空间标定板6置于燃烧器3火焰的中心平面上，两台ICMOS相机4同时对焦，实现探测平面的校准；
步骤二、调谐激光器1的出光波长，使其输出波长为387.168nm的激光，并满足输出激光的线宽小于1cm-1，则对应单光子激发CH基B-X （0，0）带的R1（7）线，记为激光A；调谐激光器1的出光波长，使其输出波长为387.174nm的激光，并满足输出激光的线宽小于1cm-1，则对应双光子激发NO分子 D-X（0，1）带的Q12(31)、Q1（28）和R1（22）线，记为激光B；
步骤三、调整聚焦透镜2使激光A或者激光B聚焦到燃烧器3的火焰中心位置；
步骤四、通过脉冲信号发生器7控制两台ICMOS相机4单独工作，而后选择性拍摄火焰中CH基和NO分子；
步骤五、计算机8通过同步图像采集系统获取两台ICMOS相机4拍摄的CH基和NO分子的荧光图像。
在实施方式六和七中,需要保证激光器1出光波长无漂移，或漂移量已知，需要波长计的精度较高（至少1pm量级）；同时，需要保证两台ICMOS相机4能够拍摄到荧光图像，需要对观测光的光程进行准确计算并利用高精度的数字延时脉冲信号发生器7来完成时序控制；此外，NO分子双光子激发吸收截面相对于单光子激发吸收截面较小，需要激光器1出光能量较大，通过聚焦透镜2对光束在一定区域聚焦，提高探测区域的功率密度可实现激发要求。
LIFBASE模拟证实，CH基团的B-X（0,0）带的单光子吸收谱线和NO分子的D-X（0,1）带双光子吸收谱线在387nm附近距离较近（小于6pm，约对应1cm-1）。激光器1线宽大于1cm-1用来单光子激发CH自由基和双光子激发NO分子，从而实现CH基和NO分子两种基团同步激发。激光器1线宽小于1cm-1，可以稍微调整激光波长（约几个pm），选择性激发CH基或NO分子。两台ICMOS相机4分别安装通带波长为390nm以上的高通滤光片和通带波长为195-250 nm干涉滤光片，分别同时探测CH自由基NO分子。NO分子的多数测量都采用单光子激发方式，但也暴露出诸多问题，如：O2与NO谱线的重叠，火焰温度下CO2和H2O的吸收，及PAH和未燃碳氢化合物荧光干扰。然而，选用双光子激发方式可以有效避免O2谱线干扰问题，由于其波长较长CO2和H2O的吸收损耗也较小，较大的光谱分离可以避免PAH和碳氢化合物荧光干扰。因此，对于NO分子，双光子激发具有广阔的应用前景。本发明可以利用两台ICMOS相机同时分别探测CH基和NO分子，实现对多组分的同时可视化研究。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种火焰CH基和NO分子同步激发的方法，所述方法是通过测量装置实现的，所述测量装置包括激光器（1）、聚焦透镜（2）、燃烧器（3）、空间标定板（6）、脉冲信号发生器（7）、计算机（8）、两台ICMOS相机（4）以及两个滤光片（5），所述激光器（1）、聚焦透镜（2）以及空间标定板（6）沿激光的传输方向依次设置，所述空间标定板（6）设置于燃烧器（3）火焰的中心平面上，所述燃烧器（3）的两侧分别设有一台ICMOS相机（4），每台所述ICMOS相机（4）到燃烧器（3）的光程均相同，且两台ICMOS相机（4）的镜头均朝向燃烧器（3）火焰一侧设置，两台ICMOS相机（4）的焦平面位于同一空间对焦板上，每台ICMOS相机（4）的镜头上分别加装有一个滤光片（5），两个所述滤光片（5）与两台ICMOS相机（4）镜头同轴设置且均位于同一水平高度；所述脉冲信号发生器（7）的脉冲信号输出端与激光器（1）以及两台ICMOS相机（4）的信号输入端连接，两台ICMOS相机（4）的信号输出端与计算机（8）信号输入端连接，其特征在于：所述方法步骤如下：
步骤一、将空间标定板（6）置于燃烧器（3）火焰的中心平面上，两台ICMOS相机（4）同时对焦，实现探测平面的校准；
步骤二、调谐激光器（1）的出光波长，使其输出波长为387.168nm的激光，并满足输出激光的线宽大于1cm-1，则对应单光子激发CH基B-X （0，0）带的R1（7）线和双光子激发NO分子D-X（0，1）带的Q12(31)、Q1（28）和R1（22）联合线，实现同步激发CH基和NO分子；
步骤三、调整聚焦透镜（2）使激发光聚焦到燃烧器（3）的火焰中心位置；
步骤四、通过脉冲信号发生器（7）准确地控制激发和探测的时间，保证两台ICMOS相机（4）同时拍摄火焰中CH基和NO分子；
步骤五、计算机（8）通过同步图像采集系统获取两台ICMOS相机（4）拍摄的CH基和NO分子的荧光图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述激光器（1）为线宽可调激光器。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述激光器（1）输出激光的波长为387.174nm。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：两个所述滤光片（5）分别为通带波长为不小于390nm的高通滤光片以及通带波长为195-250nm的干涉滤光片。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述脉冲信号发生器（7）为高精度数字延时脉冲信号发生器。
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