CN114839311A - 测试铝粉反应活性的激光点火装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种测试铝粉反应活性的激光点火装置及方法，该装置包括燃烧室、激光器、高速相机、温度传感器、压力传感器、控制处理器和显示器。燃烧室设置有进气阀、出气阀和电磁阀，燃烧室的侧面和顶部均设有观察窗；激光器用于给燃烧室内的试样进行点火；高速相机设置在观察窗上，其用于捕捉光信号、试样燃烧照片；温度传感器设置在燃烧室上，用于检测燃烧室内的温度变化；压力传感器设置在燃烧室上，用于检测燃烧室内的压力变化；所述控制处理器分别与高速相机、温度传感器和压力传感器连接，以收集、处理图片和数据，实现测量试样在不同气体、压力下的点火能量、燃烧过程、点火延时、燃烧速度、火焰形状、以及试样温度、环境压力随时间的变化。
Description
技术领域
本发明涉及激光点火测验技术领域，尤其涉及一种测试铝粉反应活性的激光点火装置及方法。
背景技术
目前国内主流激光点火设备测量参数包括：燃烧过程、点火延时、燃烧时间、点火能量、点火燃烧气氛、点火燃烧环境初始压力、燃速中的部分功能。这些设备均采用CCD或者摄像机观察试样燃烧过程、火焰形状、燃速并计算燃烧时间。由于CCD或者摄像机的帧率不同，各型号之间存在较大差异，绝大部分CCD或者摄像机帧率小于1000帧/s。点火能量通过激光管功率和辐照时间调节。点火气氛和压力通过气源与压力控制器调节。点火延时均根据试样和激光的光谱信号采集时间差计算，由于激光和试样的光谱信号不是来自同一台设备，设备之间的反应时间及反应时间重复性未知，因而测得的点火延时数据的可信度不高。并且由于此类设备没有加装温度、压力实时监测系统，无法得到试样内部或者火焰区的温度变化情况以及试样燃烧对体系压力带来的影响，进而无法判断试样的燃烧放热速率及相对热值。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的测试铝粉反应活性的激光点火装置及方法，其用于测量试样在不同气体、压力下的点火能量、燃烧过程、点火延时、燃烧速度、火焰形状、以及试样温度、环境压力随时间的变化。
第一方面，本发明提供了一种测试铝粉反应活性的激光点火装置，包括：
燃烧室，用于试样的在不同气体、压力下的点火和燃烧，其设置有进气阀、出气阀和电磁阀，燃烧室的侧面和顶部均设有观察窗；
激光器，用于给燃烧室内的试样进行点火；
高速相机，设置在观察窗上，其用于捕捉光信号、试样燃烧照片；
温度传感器，设置在燃烧室上，用于检测燃烧室内的温度变化；
压力传感器，设置在燃烧室上，用于检测燃烧室内的压力变化；
气源，其通过进气阀连通燃烧室，用于给燃烧室提供不同气体以及压力；
控制处理器和显示器，所述控制处理器分别与高速相机、温度传感器和压力传感器连接，以收集、处理图片和数据，实现测量试样在不同气体、压力下的点火能量、燃烧过程、点火延时、燃烧速度、火焰形状、以及试样温度、环境压力随时间的变化，并在显示器中显示。
进一步地，所述燃烧室内设有试样架。
进一步地，所述激光器通过激光管连通燃烧室，以使激光器发送的激光通过激光管传送到燃烧室，且燃烧室在激光管处设有激光透过镜。
进一步地，所述燃烧室内设有用于在一定压强下给试样点火的电阻丝，所述电阻丝和激光器配置有点火按钮，可根据电阻丝的长度、电阻率、通过的电压值以及电压作用的时间，调整和计算点火能量。
进一步地，所述燃烧室配置有抽真空组件，用于在测验时将燃烧室抽真空，再通过气源充入不同的气体。
第二方面，本发明还提供了一种测试铝粉反应活性的激光点火装置的测试方法，包括如下步骤：
S1：完成多次点火能量测定、燃烧过程测定、燃烧速度测定、点火延时测定、燃烧温度及环境压力测定；
S2：对于多次点火能量测定、燃烧过程测定、燃烧速度测定、点火延时测定、燃烧温度及环境压力测定取平均值；
S3：对平均值测定结果进行定义、计算和/或数据处理，得到试样在不同气体、压力下的点火能量、燃烧过程、点火延时、燃烧速度、火焰形状、以及试样温度、环境压力随时间的变化。
进一步地，所述步骤S1中点火能量测定包括如下子步骤：
S1011：称取一定量的试样放置于试样架，确保试样处于激光光路上；
S1012：封闭燃烧室，打开进气阀，关闭出气阀，充入气体至设置的压力值时，电磁阀(即泄压阀)自动打开，同时手动关闭进气阀；此时的压力值为P1≤1Mpa；
S1013：将激光功率设置为较低值，照射时间同样设置为较低值；点击点火按钮，若试样未点燃，则小幅度增加激光功率或照射时间，直至试样点燃，根据功率和点火延时计算出点火能量；若试样点燃，则重复试验，降低激光功率或照射时间；
S1014：试样燃烧结束后，打开出气阀，待气体排完后，打开燃烧室，取出燃烧产物。
进一步地，所述步骤S1中点火能量测定包括如下子步骤：
S1021：称取一定量的试样放置于试样架；
S1022：封闭燃烧室，打开进气阀，关闭出气阀，充入气体至设置的压力值时，电磁阀(即泄压阀)自动打开，同时手动关闭进气阀；此时的压力值为1MPa≤P2＜3MPa；
S1023：点击点火按钮，通过电阻丝给试样点火，可根据电阻丝的长度、电阻率、通过的电压值以及电压作用的时间，调整和计算点火能量；
S1024：试样燃烧结束后，打开出气阀，待气体排完后，打开燃烧室，取出燃烧产物。
进一步地，所述步骤S1中燃烧过程测定包括如下子步骤：
S1031：称取一定量的试样放置于试样架，确保试样处于激光光路上。
S1032：封闭燃烧室，打开进气阀，关闭出气阀，充入气体至设置的压力值时，电磁阀(即泄压阀)自动打开，同时手动关闭进气阀。
S1033：将高速相机置于燃烧室侧面观察窗位置；
S1034：点火参数设置完毕后，点击点火按钮(相机自动打开)，待试样燃烧完毕后，点击关闭相机按钮；
S1035：打开出气阀，待气体排完后，打开燃烧室，取出燃烧产物。
进一步地，所述步骤S1中燃烧速度测定包括如下子步骤：
S1041：称取一定量的试样放入模具中，将压制成规定尺寸的药条试样放置于试样架，确保试样处于激光光路上；
S1042：封闭燃烧室，打开进气阀，关闭出气阀，充入气体至设置的压力值时，电磁阀(即泄压阀)自动打开，同时手动关闭进气阀；
S1043：将高速相机置于燃烧室侧面观察窗位置；
S1044：点火参数设置完毕后，点击点火按钮(相机自动打开)，待药条试样全部燃烧后，点击关闭相机按钮；
S1045：打开出气阀，待气体排完后，打开燃烧室，取出燃烧产物。
进一步地，所述步骤S1中点火延时测定包括如下子步骤：
S1051：称取一定量的试样放置于试样架，确保试样处于激光光路上；
S1052：封闭燃烧室，打开进气阀，关闭出气阀，充入气体至设置的压力值时，电磁阀(即泄压阀)自动打开，同时手动关闭进气阀；
S1053：将高速相机置于燃烧室顶部观察窗位置；
S1054：点火参数设置完毕后，点击点火按钮(相机自动打开)，待试样燃烧后，即可点击关闭相机按钮。
S1055：打开出气阀，待气体排完后，打开燃烧室，取出燃烧产物。
点火延时判断依据：激光作用于试样时，高速相机同时捕捉激光管的光信号和试样被点燃的光信号，以这两个光信号的时间差确定点火延时。
值得注意的是，点火延时测定前，先将粉体试样应根据测试者粉体特性过筛，如将试样过40钼和60目筛，取40—60目之间的粉体。
进一步地，所述步骤S1中燃烧温度及环境压力测定包括如下子步骤：
S1061：称取一定量的试样放置于试样架，确保试样处于激光光路上；
S1062：封闭燃烧室，打开进气阀，关闭出气阀，充入气体至设置的压力值时，电磁阀(即泄压阀)自动打开，同时手动关闭进气阀；
S1063：点火参数设置完毕后，点击点火按钮，待试样燃烧完毕后，点击关闭相机按钮；
S1064：打开出气阀，待气体排完后，打开燃烧室，取出燃烧产物。
进一步地，所述步骤S3包括如下步骤：
S301：参数定义和计算；
S3011：计算激光起始时刻：ti
高速相机帧率设定为f，则相机记录的相邻两张图片之间的时间间隔为1/f秒；相机记录的信息可另存为图片、视频、动图等格式，另存为图片格式时，图号n代表相机一共记录了多少张图片；利用高速相机同时观察激光和被测试样，相机将在不同的时刻记录下激光的光信号和试样被点着的光信号，两个光信号第一次出现的图片序列号分别记为nL和nS，则有：
S3012：计算试样药条被点着时刻：ts
S3013：计算点火延时：td
S3014：试样药条燃尽时刻：te
高速相机一直记录试样的燃烧状况，当试样火焰熄灭或者固定长度的试样烧至终点时，此时高速相机记录的图片号记为ne，则有：
S3015：定义试样药条长、宽、高：L、W、H，计算试样的燃速vb，则有：
S3016：定义最小点火能Emin、激光功率p，则有：
Emin＝p×td……………式(6)；
S3017：计算温度变化率为：△T/△t；
S3018：计算压力时间变化率为：△P/△t；
进一步地，所述步骤S3中的数据处理包括：
S302：点火延时数据处理方法(多种试样对比处理)
S3021：第一张选取激光刚出现的照片(起始时间0ms)；
S3022：第二张选取光斑刚出现的照片(n1ms)；
S3023：第三、四张分别选取光斑刚出现的后两张照片(n2、n2ms)；或者
S3024：第一张选取激光刚出现的照片(起始时间0ms)；
S3025：第二张选取光斑刚出现的照片(n1ms)；
S3026：第三张选取光斑刚出现后20、30、40或50ms(n1+20/30/40/50ms)＝n2的照片(多种试样对比选取时间差一致)；
S3027：第四张选取第三张照片后20、30、40或50ms(n1+20/30/40/50ms)＝n3的照片(多种试样对比选取时间差一致)；
S303：燃烧速度数据处理方法(多种试样对比处理)
S3031：找出每种试样左侧刚有光斑出现的时间与试样条上表面刚燃烧最右侧的时间，计算时间差为N；
S3032：第一张选取左侧刚有光斑出现的照片(起始时间0ms)；
S3033：挑选出时间为Nmin最低的试样，将时间Nmin分为三等份(取整数)的时间为n1；
S3034：第二张选取每种试样时间为n1的照片；
S3035：第三张选取每种试样时间为2*n1的照片；
S3036：第四张选取每种试样时间为N的照片。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提供的一种测试铝粉反应活性的激光点火装置及方法，可以准确测量出试样在不同气体、压力下的点火能量、燃烧过程、点火延时、燃烧速度、火焰形状、以及试样温度、环境压力随时间的变化。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考图形表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本发明实施例一中一种测试铝粉反应活性的激光点火装置的结构示意图；
图2示出了本发明实施例一中一种测试铝粉反应活性的激光点火装置的连接示意图；
图3示出了本发明实施例二中步骤3017的温度变化率的示意图；
图4示出了本发明实施例二中步骤3018的压力时间变化率的示意图；
图5示出了本发明实施例二中步骤302的第一种点火延时数据处理方法的示例图；
图6示出了本发明实施例二中步骤302的第二种点火延时数据处理方法的示例图；
图7示出了本发明实施例二中步骤302的燃烧速度数据处理方法的示例图。
附图标记：1-燃烧室；2-温度传感器；3-压力传感器；4-高速相机；5-观察窗；6-电磁阀；7-激光管；8-试样架；9-抽真空组件；10-气源；11-显示器；12-控制处理器。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明主要用于测量物质在不同气体、压力下的点火能量、燃烧过程、点火延时、燃烧速度、火焰形状，以及试样温度、环境压力随时间的变化。
实施例一
如图1-2所示，一种测试铝粉反应活性的激光点火装置，包括燃烧室1、激光器(图中未标注)、高速相机4、温度传感器2、压力传感器3、气源10、控制处理器12、显示器11和电阻丝(图中未标注)。
在本实施例中，燃烧室1用于试样的在不同气体、压力下的点火和燃烧，其设置有进气阀(图中未标注)、出气阀(图中未标注)和电磁阀6，燃烧室1的侧面和顶部均设有观察窗5。
优选的，燃烧室1尺寸为
激光点火模式下，腔体初始压力P≤1MPa，整体耐压≥2MPa，压力薄弱点为一块
的激光透过镜。燃烧室1顶部设有电磁阀6(即泄压阀)，出厂设定泄压值为1MPa，泄压值可调，范围为0.5MPa—4MPa。观察窗的直径为
可观察容器内点火过程。
在本实施例中，激光器用于给燃烧室1内的试样进行点火；激光器通过激光管7连通燃烧室1，以使激光器发送的激光通过激光管7穿透激光透过镜传送到燃烧室1内给试样点火。
优选的，激光器为CO2连续激光器，额定输出功率60W，激光光斑直径小于5.0mm，作用时间大于n×10ms(n为任意自然数)，根据试验需要，可改变激光功率和作用时间以控制点火能量。
在本实施例中，高速相机4设置在观察窗5上，其用于捕捉光信号、试样燃烧照片。
优选的，高速相机4采用Optronis超高速工业相机，出厂设定分辨率为640*480，帧速6160fps；根据试验需求，增加分辨率可调至1280*860@1980fps，降低分表率可调至128*128@20830fps。
在本实施例中，温度传感器2设置在燃烧室1上，用于检测燃烧室1内的温度变化；压力传感器3设置在燃烧室1上，用于检测燃烧室1内的压力变化。
优选的，温度传感器2采用铂电阻传感器，量程为0℃—1820℃，外套钢玉管保护，出厂设定采样频率1kHz，响应时间小于250ms。压力传感器3量程为-100kPa—3MPa，出厂采样频率2kHz。
在本实施例中，气源10通过进气阀连通燃烧室1，用于给燃烧室提供不同气体以及压力。
在本实施例中，控制处理器12分别与高速相机4、温度传感器2和压力传感器3连接，以收集、处理图片和数据，实现测量试样在不同气体、压力下的点火能量、燃烧过程、点火延时、燃烧速度、火焰形状、以及试样温度、环境压力随时间的变化，并在显示器11中显示；优选的，控制处理器12为电脑主机。
在本实施例中，燃烧室1内设有试样架8，用于放置试验的试样。
在本实施例中，电阻丝设置在燃烧室1内，以用于在一定压强下给试样点火的，可根据电阻丝的长度、电阻率、通过的电压值以及电压作用的时间，调整和计算点火能量；优选的，电阻丝为铁镍合金丝。在需要进行高压力试验时，当燃烧室初始气压超过1MPa，则选用电阻丝点火模式。此模式下，利用直流电通过铁镍合金丝产生焦耳热点燃试样，根据合金丝的长度、电阻率、通过的电压值以及电压作用的时间，可以调整和计算点火能量。
在本实施例中，电阻丝和激光器配置有点火按钮，用于控制电阻丝或者激光器工作；优选的，显示器11上可设置点火按钮、点火功率输入和点火时间输入，显示器11上还可显示高速相机照片界面、温度曲线表、压力曲线表等，点火按钮控制电阻丝或者激光器的点火方式为：试验压力P，当P≤1MPa时选用激光点火，当1MPa≤P＜3MPa时选用电阻丝点火。
在本实施例中，燃烧室1配置有抽真空组件9，用于在测验时将燃烧室1抽真空，再通过气源10充入不同的气体。
试验时，由系统输入燃烧室1气压、激光功率及作用时间或者点火电压、高速相机4采样精度。激光作用于试样时，高速相机4同时捕捉激光管7的光信号和试样被点燃的光信号，以这两个光信号的时间差确定点火延时。根据高速相机4采集的图片，观察燃烧过程，根据试样初始尺寸及燃烧时间计算燃速。同时温度传感器2记录试样火焰区或者试样内部的温度变化并以T-t曲线和数据的形式表现；压力传感器3记录腔体内部压力变化，并以P-t曲线和数据的形式表现。
实施例二
试验的参数设定：
一种测试铝粉反应活性的激光点火装置的测试方法，包括如下步骤：
(1)完成多次点火能量测定、燃烧过程测定、燃烧速度测定、点火延时测定、燃烧温度及环境压力测定；
(2)对于多次点火能量测定、燃烧过程测定、燃烧速度测定、点火延时测定、燃烧温度及环境压力测定取平均值；
(3)对平均值测定结果进行定义、计算和/或数据处理，得到试样在不同气体、压力下的点火能量、燃烧过程、点火延时、燃烧速度、火焰形状、以及试样温度、环境压力随时间的变化。
在本实施例中，所述步骤(1)中点火能量测定包括如下子步骤：
1011：称取一定量的试样放置于试样架8，确保试样处于激光光路上；
1012：封闭燃烧室1，打开进气阀，关闭出气阀，充入气体至设置的压力值时，电磁阀6(即泄压阀)自动打开，同时手动关闭进气阀；此时的压力值为P1≤1Mpa；
1013：将激光功率设置为较低值(如5W)，照射时间同样设置为较低值(如100ms)；点击点火按钮，若试样未点燃，则小幅度增加激光功率或照射时间，直至试样点燃，根据功率和点火延时计算出点火能量；若试样点燃，则重复试验，降低激光功率或照射时间；值得注意的是，试样点燃后立即点击关闭相机按钮；
1014：试样燃烧结束后，打开出气阀，待气体排完后，打开燃烧室1，取出燃烧产物。
在本实施例中，所述步骤(1)中点火能量测定包括如下子步骤：
1021：称取一定量的试样放置于试样架8；
1022：封闭燃烧室1，打开进气阀，关闭出气阀，充入气体至设置的压力值时，电磁阀6(即泄压阀)自动打开，同时手动关闭进气阀；此时的压力值为1MPa≤P2＜3MPa；
1023：点击点火按钮，通过电阻丝给试样点火，可根据电阻丝的长度、电阻率、通过的电压值以及电压作用的时间，调整和计算点火能量；
1024：试样燃烧结束后，打开出气阀，待气体排完后，打开燃烧室1，取出燃烧产物。
在本实施例中，所述步骤(1)中燃烧过程测定包括如下子步骤：
1031：称取一定量的试样放置于试样架8，确保试样处于激光光路上。
1032：封闭燃烧室1，打开进气阀，关闭出气阀，充入气体至设置的压力值时，电磁阀6(即泄压阀)自动打开，同时手动关闭进气阀。
1033：将高速相机4置于燃烧室侧面观察窗5位置；
1034：点火参数设置完毕后，点击点火按钮(相机自动打开)，待试样燃烧完毕后，点击关闭相机按钮；
1035：打开出气阀，待气体排完后，打开燃烧室1，取出燃烧产物。
在本实施例中，所述步骤(1)中燃烧速度测定包括如下子步骤：
1041：称取一定量的试样放入模具中，将压制成规定尺寸的药条试样(5mm×5mm×100mm)放置于试样架8，确保试样处于激光光路上；
1042：封闭燃烧室1，打开进气阀，关闭出气阀，充入气体至设置的压力值时，电磁阀6(即泄压阀)自动打开，同时手动关闭进气阀；
1043：将高速相机4置于燃烧室侧面观察窗5位置；
1044：点火参数设置完毕后，点击点火按钮(相机自动打开)，待药条试样全部燃烧后，点击关闭相机按钮；
1045：打开出气阀，待气体排完后，打开燃烧室1，取出燃烧产物。
在本实施例中，所述步骤(1)中点火延时测定包括如下子步骤：
1051：称取一定量的试样放置于试样架8，确保试样处于激光光路上；
1052：封闭燃烧室1，打开进气阀，关闭出气阀，充入气体至设置的压力值时，电磁阀6(即泄压阀)自动打开，同时手动关闭进气阀；
1053：将高速相机4置于燃烧室顶部观察窗5位置；
1054：点火参数设置完毕后，点击点火按钮(相机自动打开)，待试样燃烧后，即可点击关闭相机按钮。
1055：打开出气阀，待气体排完后，打开燃烧室1，取出燃烧产物。
点火延时判断依据：激光作用于试样时，高速相机同时捕捉激光管的光信号和试样被点燃的光信号，以这两个光信号的时间差确定点火延时。
值得注意的是，点火延时测定前，先将粉体试样应根据测试者粉体特性过筛，如将试样过40钼和60目筛，取40—60目之间的粉体。
在本实施例中，所述步骤(1)中燃烧温度及环境压力测定包括如下子步骤：
1061：称取一定量的试样放置于试样架8，确保试样处于激光光路上；
1062：封闭燃烧室1，打开进气阀，关闭出气阀，充入气体至设置的压力值时，电磁阀6(即泄压阀)自动打开，同时手动关闭进气阀；
1063：点火参数设置完毕后，点击点火按钮，待试样燃烧完毕后，点击关闭相机按钮；
1064：打开出气阀，待气体排完后，打开燃烧室1，取出燃烧产物。
在本实施例中，所述步骤(3)包括如下步骤：
301：参数定义和计算；
3011：计算激光起始时刻：ti
高速相机帧率设定为f，则相机记录的相邻两张图片之间的时间间隔为1/f秒；相机记录的信息可另存为图片、视频、动图等格式，另存为图片格式时，图号n代表相机一共记录了多少张图片；利用高速相机同时观察激光和被测试样，相机将在不同的时刻记录下激光的光信号和试样被点着的光信号，两个光信号第一次出现的图片序列号分别记为nL和nS，则有：
3012：计算试样药条被点着时刻：ts
3013：计算点火延时：td
3014：试样药条燃尽时刻：te
高速相机一直记录试样的燃烧状况，当试样火焰熄灭或者固定长度的试样烧至终点时，此时高速相机记录的图片号记为ne，则有：
3015：定义试样药条长、宽、高：L、W、H，计算试样的燃速vb，则有：
3016：定义最小点火能Emin、激光功率p，则有：
Emin＝p×td……………式(6)；
3017：计算温度变化率为：△T/△t，如图3所示，其中，Tmax为最大温度值；
3018：计算压力时间变化率为：△P/△t，如图4所示，其中，Ps为压力基线，Pe为结束是环境压力，△P1＝Pe-Ps。
在本实施例中，所述步骤(3)中的数据处理包括：
302：点火延时数据处理方法(多种试样对比处理)
第一种方法：如图5所示，3021：第一张选取激光刚出现的照片(起始时间0ms)；
3022：第二张选取光斑刚出现的照片(n1ms)；
3023：第三、四张分别选取光斑刚出现的后两张照片(n2、n2ms)。
第二种方法：如图6所示，3024：第一张选取激光刚出现的照片(起始时间0ms)；
3025：第二张选取光斑刚出现的照片(n1ms)；
3026：第三张选取光斑刚出现后20、30、40或50ms(n1+20/30/40/50ms)＝n2的照片(多种试样对比选取时间差一致)；
3027：第四张选取第三张照片后20、30、40或50ms(n1+20/30/40/50ms)＝n3的照片(多种试样对比选取时间差一致)。
303：燃烧速度数据处理方法(多种试样对比处理)
如图7所示，3031：找出每种试样左侧刚有光斑出现的时间与试样条上表面刚燃烧最右侧的时间，计算时间差为N；
3032：第一张选取左侧刚有光斑出现的照片(起始时间0ms)；
3033：挑选出时间为Nmin最低的试样，将时间Nmin分为三等份(取整数)的时间为n1；
3034：第二张选取每种试样时间为n1的照片；
3035：第三张选取每种试样时间为2*n1的照片；
3036：第四张选取每种试样时间为N的照片。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.测试铝粉反应活性的激光点火装置，其特征在于，包括：
燃烧室，用于试样的在不同气体、压力下的点火和燃烧，其设置有进气阀、出气阀和电磁阀，燃烧室的侧面和顶部均设有观察窗；
激光器，用于给燃烧室内的试样进行点火；
高速相机，设置在观察窗上，其用于捕捉光信号、试样燃烧照片；
温度传感器，设置在燃烧室上，用于检测燃烧室内的温度变化；
压力传感器，设置在燃烧室上，用于检测燃烧室内的压力变化；
气源，其通过进气阀连通燃烧室，用于给燃烧室提供不同气体以及压力；
控制处理器和显示器，所述控制处理器分别与高速相机、温度传感器和压力传感器连接，以收集、处理图片和数据，实现测量试样在不同气体、压力下的点火能量、燃烧过程、点火延时、燃烧速度、火焰形状、以及试样温度、环境压力随时间的变化，并在显示器中显示。
2.根据权利要求1所述的测试铝粉反应活性的激光点火装置，其特征在于，所述燃烧室内设有试样架；所述激光器通过激光管连通燃烧室，以使激光器发送的激光通过激光管传送到燃烧室，且燃烧室在激光管处设有激光透过镜；所述燃烧室内设有用于在一定压强下给试样点火的电阻丝，所述电阻丝和激光器配置有点火按钮，可根据电阻丝的长度、电阻率、通过的电压值以及电压作用的时间，调整和计算点火能量。
3.测试铝粉反应活性的激光点火装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：完成多次点火能量测定、燃烧过程测定、燃烧速度测定、点火延时测定、燃烧温度及环境压力测定；
S2：对于多次点火能量测定、燃烧过程测定、燃烧速度测定、点火延时测定、燃烧温度及环境压力测定取平均值；
S3：对平均值测定结果进行定义、计算和/或数据处理，得到试样在不同气体、压力下的点火能量、燃烧过程、点火延时、燃烧速度、火焰形状、以及试样温度、环境压力随时间的变化。
4.据权利要求3所述的测试铝粉反应活性的激光点火装置的测试方法，其特征在于，所述步骤S1中点火能量测定包括如下子步骤：
S1011：称取一定量的试样放置于试样架，确保试样处于激光光路上；
S1012：封闭燃烧室，打开进气阀，关闭出气阀，充入气体至设置的压力值时，电磁阀自动打开，同时手动关闭进气阀；
S1013：将激光功率设置为较低值，照射时间同样设置为较低值；点击点火按钮，若试样未点燃，则小幅度增加激光功率或照射时间，直至试样点燃，根据功率和点火延时计算出点火能量；若试样点燃，则重复试验，降低激光功率或照射时间；
S1014：试样燃烧结束后，打开出气阀，待气体排完后，打开燃烧室，取出燃烧产物。
5.根据权利要求3所述的测试铝粉反应活性的激光点火装置的测试方法，其特征在于，所述步骤S1中燃烧过程测定包括如下子步骤：
S1031：称取一定量的试样放置于试样架，确保试样处于激光光路上。
S1032：封闭燃烧室，打开进气阀，关闭出气阀，充入气体至设置的压力值时，电磁阀自动打开，同时手动关闭进气阀。
S1033：将高速相机置于燃烧室侧面观察窗位置；
S1034：点火参数设置完毕后，点击点火按钮，待试样燃烧完毕后，点击关闭相机按钮；
S1035：打开出气阀，待气体排完后，打开燃烧室，取出燃烧产物。
6.根据权利要求3所述的测试铝粉反应活性的激光点火装置的测试方法，其特征在于，所述步骤S1中燃烧速度测定包括如下子步骤：
S1041：称取一定量的试样放入模具中，将压制成规定尺寸的药条试样放置于试样架，确保试样处于激光光路上；
S1042：封闭燃烧室，打开进气阀，关闭出气阀，充入气体至设置的压力值时，电磁阀自动打开，同时手动关闭进气阀；
S1043：将高速相机置于燃烧室侧面观察窗位置；
S1044：点火参数设置完毕后，点击点火按钮，待药条试样全部燃烧后，点击关闭相机按钮；
S1045：打开出气阀，待气体排完后，打开燃烧室，取出燃烧产物。
7.根据权利要求3所述的测试铝粉反应活性的激光点火装置的测试方法，其特征在于，所述步骤S1中点火延时测定包括如下子步骤：
S1051：称取一定量的试样放置于试样架，确保试样处于激光光路上；
S1052：封闭燃烧室，打开进气阀，关闭出气阀，充入气体至设置的压力值时，电磁阀自动打开，同时手动关闭进气阀；
S1053：将高速相机置于燃烧室顶部观察窗位置；
S1054：点火参数设置完毕后，点击点火按钮，待试样燃烧后，即可点击关闭相机按钮。
S1055：打开出气阀，待气体排完后，打开燃烧室，取出燃烧产物；
点火延时判断依据：激光作用于试样时，高速相机同时捕捉激光管的光信号和试样被点燃的光信号，以这两个光信号的时间差确定点火延时。
8.权利要求3所述的测试铝粉反应活性的激光点火装置的测试方法，其特征在于，所述步骤S1中燃烧温度及环境压力测定包括如下子步骤：
S1061：称取一定量的试样放置于试样架，确保试样处于激光光路上；
S1062：封闭燃烧室，打开进气阀，关闭出气阀，充入气体至设置的压力值时，电磁阀自动打开，同时手动关闭进气阀；
S1063：点火参数设置完毕后，点击点火按钮，待试样燃烧完毕后，点击关闭相机按钮；
S1064：打开出气阀，待气体排完后，打开燃烧室，取出燃烧产物。
9.权利要求3所述的测试铝粉反应活性的激光点火装置的测试方法，其特征在于，所述步骤S3包括如下步骤：
S301：参数定义和计算；
S3011：计算激光起始时刻：ti
高速相机帧率设定为f，则相机记录的相邻两张图片之间的时间间隔为1/f秒；相机记录的信息可另存为图片、视频、动图等格式，另存为图片格式时，图号n代表相机一共记录了多少张图片；利用高速相机同时观察激光和被测试样，相机将在不同的时刻记录下激光的光信号和试样被点着的光信号，两个光信号第一次出现的图片序列号分别记为nL和nS，则有：
S3012：计算试样药条被点着时刻：ts
S3013：计算点火延时：td
S3014：试样药条燃尽时刻：te
高速相机一直记录试样的燃烧状况，当试样火焰熄灭或者固定长度的试样烧至终点时，此时高速相机记录的图片号记为ne，则有：
S3015：定义试样药条长、宽、高：L、W、H，计算试样的燃速vb，则有：
S3016：定义最小点火能Emin、激光功率p，则有：
Emin＝p×td……………式(6)；
S3017：计算温度变化率为：△T/△t；
S3018：计算压力时间变化率为：△P/△t。
10.根据权利要求3所述的测试铝粉反应活性的激光点火装置的测试方法，其特征在于，所述步骤S3中的数据处理包括：
S302：点火延时数据处理方法
S3021：第一张选取激光刚出现的照片(起始时间0ms)；
S3022：第二张选取光斑刚出现的照片(n1ms)；
S3023：第三、四张分别选取光斑刚出现的后两张照片(n2、n2ms)；或者
S3024：第一张选取激光刚出现的照片(起始时间0ms)；
S3025：第二张选取光斑刚出现的照片(n1ms)；
S3026：第三张选取光斑刚出现后20、30、40或50ms(n1+20/30/40/50ms)＝n2的照片(多种试样对比选取时间差一致)；
S3027：第四张选取第三张照片后20、30、40或50ms(n1+20/30/40/50ms)＝n3的照片(多种试样对比选取时间差一致)；
S303：燃烧速度数据处理方法(多种试样对比处理)
S3031：找出每种试样左侧刚有光斑出现的时间与试样条上表面刚燃烧最右侧的时间，计算时间差为N；
S3032：第一张选取左侧刚有光斑出现的照片(起始时间0ms)；
S3033：挑选出时间为Nmin最低的试样，将时间Nmin分为三等份(取整数)的时间为n1；
S3034：第二张选取每种试样时间为n1的照片；
S3035：第三张选取每种试样时间为2*n1的照片；
S3036：第四张选取每种试样时间为N的照片。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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