CN115639124B - 用单波长激光实现碳烟浓度测量和原位标定的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用单波长激光实现碳烟浓度测量和原位标定的装置及方法，所述装置包括激光器、片光整形系统、时序控制器、片光分光镜、能量计、光学狭缝、燃烧器、相机，所述激光器输出的激光经片光整形系统整形成片状激光，片状激光经第一片光分光镜分成两束，一束激光入射到燃烧器中激发碳烟颗粒产生炽光，炽光信号被放置在激光入射法向上的相机收集，另一束激光经第一光学狭缝引入到第一能量计的探头中；所述燃烧器出射的片状激光经第二片光分光镜、第二光学狭缝引入到第二能量计的探头中。本发明仅使用一台激光器就可利用LII方法和消光法同步标定和定量测量，进而获得被测火焰碳烟浓度分布，免去了光束耦合的过程，简化了实验的步骤。

Description

用单波长激光实现碳烟浓度测量和原位标定的装置及方法

技术领域

本发明属于激光光谱应用领域，涉及一种碳烟浓度定量测量和原位标定的装置及方法，具体涉及一种利用单波长激光实现碳烟浓度定量测量和原位标定的装置及方法。

背景技术

激光诱导炽光法(LaserInducedIncandescence,LII)是一种灵敏的探测碳烟颗粒浓度分布及粒径分布的技术。激光器输出的激光先后经过扩束镜、准直镜和聚焦镜，将点状激光整形成片状激光，片状激光宽度窄，在增大探测区域的基础上极大地保证了激光的能量密度。因为激光被整形成长条状，从传播方向的法向看去，就形成了一个激光薄片，因此又可称为平片激光诱导白炽光技术。

在进行激光诱导炽光实验时，实验系统主要由激光系统、燃烧系统、探测系统和时序控制系统组成。图1为激光诱导炽光实验系统示意图。其中激光系统中还包含片光整形系统，激光经激光器出射后，进入片光整形系统，片光整形系统分别在两个方向上对激光束进行整形，最后形成片状激光，射入到待测物中(如火焰，冷态碳烟喷注装置等)，这个过程对整个待测物都不会产生干扰，对待测物结构没有影响。

激光诱导炽光法定量测量碳烟浓度的实验需要对探测器所获得的信号图像进行标定，从而确定所探测得到的信号强度与碳烟实际浓度的关系。目前关于激光诱导炽光探测器标定的方法主要有两大类，一类是利用标准辐射源如黑体辐射炉等产生一个亮度、温度已知的被测光源，接下来利用探测器获取被测光源的信号，从而建立出信号强度与温度、亮度等信息的联系，但这种方法所利用的黑体辐射炉等标定设备体积庞大，且标定过程复杂；另一类是利用消光法和激光诱导炽光法联合，将两个激光器产生的激光耦合到一个平面内，一台激光器供消光法使用，另一台激光器供LII法使用，利用消光法激光器所发出激光逐行扫描探测器的探测区域，利用消光法得到每一行所对应的碳烟体积分数，进而对LII信号图像上的每一行信号强度进行标定。现有消光法和LII法联合的标定、测量方法因为利用了两台激光器，所以存在测量系统复杂且光束耦合困难的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用单波长激光实现碳烟浓度测量和原位标定的装置及方法，在进行碳烟浓度测量时，仅使用一台激光器就可利用LII方法和消光法同步标定和定量测量，进而获得被测火焰碳烟浓度分布，免去了光束耦合的过程，简化了实验的步骤。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用单波长激光实现碳烟浓度测量和原位标定的装置，包括激光器、片光整形系统、时序控制器、片光分光镜、能量计、光学狭缝、燃烧器、相机，其中：

所述时序控制器包括第一时序控制器、第二时序控制器和第三时序控制器；

所述片光分光镜包括第一片光分光镜和第二片光分光镜；

所述能量计包括第一能量计和第二能量计；

所述光学狭缝包括第一光学狭缝和第二光学狭缝，第一光学狭缝和第一能量计通过第一升降台旋转支杆固定在第一升降台上，第二光学狭缝和第二能量计通过第二升降台旋转支杆固定在第二升降台上，第一升降台和第二升降台固定在同一个光学平台上；

所述第一时序控制器分别与激光器和第二时序控制器相连，第二时序控制器分别与第一能量计、第二能量计、相机和第三时序控制器相连；

所述激光器输出的激光经片光整形系统整形成片状激光，片状激光经第一片光分光镜分成两束，一束激光入射到燃烧器中激发碳烟颗粒产生炽光，炽光信号被放置在激光入射法向上的相机收集，另一束激光经第一光学狭缝引入到第一能量计的探头中；

所述燃烧器出射的片状激光经第二片光分光镜、第二光学狭缝引入到第二能量计的探头中。

一种利用上述装置进行消光法和激光诱导炽光法同步测量碳烟颗粒体积分数的方法，包括如下步骤：

第一步、相机对焦：将相机前装好镜头并进行连线，之后固定在相机的底座上，底座放置在距离燃烧器的合适位置处，燃烧器的喷嘴高度与放置相机的底座高度一致，并调节镜头使镜头成像结果达到最清晰的状况；对焦完成后，将带有二维刻度的目标物体放置于燃烧器喷嘴上方并做好固定，利用相机记录下视场范围内的刻度范围，以便后续利用消光法进行校准；

第二步、光路搭建：按顺序安装好激光器、片光整形系统和分光镜，打开激光器，调整片状激光高度使其下边缘紧贴燃烧器喷嘴位置，并选择合适比例的激光扩束镜和激光准直镜，使片状激光长度覆盖整个火焰；

第三步、消光法准备：固定好光学狭缝和能量计探头，并将能量计和相机连接至第二时序控制器进行时序控制，同时第二时序控制器使用外触发模式，由第一时序控制器提供外触发信号，第一时序控制器另外为激光器提供触发信号，保证整个测量过程中，激光器不会出现因触发信号丢失而导致的损伤；同时使用第三时序控制器对控制能量计和相机的第二时序控制器进行抑制，保证能量计和相机同步工作；而后点燃火焰，打开激光器，利用相机拍摄LII图像并观察对比对焦图像得出下方LII信号的出现高度；完成先期准备后，调节支撑光学狭缝和能量计探头的升降台高度，使光学狭缝刚好位于图像下方LII信号出现的高度，升降台带有刻度，实验前记录升降台的初始读数；

第四步、开展消光法和激光诱导炽光法同步测量实验：点燃火焰，打开激光器并调节激光器输出能量至合适档位，待火焰稳定后，撤除抑制信号同步采集消光法数据和炽光信号，并记录此时的光学狭缝高度；记录完毕后，选取不同的光学狭缝高度，记录多组数据，利用消光法对激光诱导炽光法所获得的信号进行标定并测量得到火焰中碳烟的体积分数。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明由于在其激光诊断方面的优势，在碳烟浓度测量、碳烟分布测量、燃烧室结构及燃料喷注优化等方面都有着广泛的应用。

2、本发明仅利用单台激光器输出的单波长激光、固定比例分光镜、光学狭缝和能量计等就可组成消光法和激光诱导炽光法同步测量装置，利用该装置可进行的LII法的原位标定和碳烟浓度的定量测量。

附图说明

图1为常见LII系统实验装置示意图；

图2为激光诱导炽光法和消光法同步测量实验装置示意图；

图3为消光法能量探测装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种用单波长激光实现碳烟浓度测量和原位标定的装置，所述装置用到的仪器设备有Nd:YAG激光器、光整形系统、DG645时序控制器、分光镜、光学狭缝、能量计、燃烧器、ICMO相机等。消光法和激光诱导炽光法同步进行的测量方法设计思路如图2所示，火焰燃烧在富燃状态下产生碳烟颗粒，Nd:YAG激光器输出的532nm激光经片光整形系统整形成片状激光，片状激光入射到待测火焰场中激发碳烟颗粒产生炽光，炽光信号被放置在激光入射法向上的ICMOS相机收集。由于激光诱导炽光法在单个探测波长下只会得到相对的炽光信号强度分布，因此若想获得碳烟颗粒体积分数的分布情况，就需要联合消光法对激光诱导炽光法的测量结果进行标定，所以本发明采用消光法和激光诱导炽光法同步测量的方法来进行标定，在进行消光法测量时，不再单独引入一束激光，而是利用原有的532nm片状激光作为消光法的光源，分别在光路上放置两个相同的固定比例的分光镜，将分出的激光引入到能量计的探头中，进行消光法测量。另外，若想利用消光法对激光诱导炽光图像进行校准，就要保证ICMOS相机和两个能量计的探头所接收到的信号处于同一时刻，这样才能将两方法所采集的信号一一对应。所以实验中采用3台DG645时序控制器进行时序控制，保证Nd:YAG激光器正常工作的同时，又能做到同步采集。具体结构如下：

所述光整形系统包括依次设置的激光扩束镜(凹透镜)、激光准直镜(凸透镜)、激光聚焦镜(凸透镜)；

所述时序控制器包括第一时序控制器、第二时序控制器和第三时序控制器；

所述片光分光镜包括第一片光分光镜和第二片光分光镜；

所述光学狭缝包括第一光学狭缝和第二光学狭缝，第一光学狭缝和第一能量计通过第一升降台旋转支杆固定在第一升降台上，第二光学狭缝和第二能量计通过第二升降台旋转支杆固定在第二升降台上，第一升降台和第二升降台固定在同一个光学平台上；

所述能量计包括第一能量计和第二能量计；

所述第一DG645时序控制器分别与Nd:YAG激光器和第二DG645时序控制器相连，第二DG645时序控制器分别与第一能量计、第二能量计、ICMO相机和第三DG645时序控制器相连；

所述Nd:YAG激光器输出的532nm激光经片光整形系统整形成片状激光，片状激光经第一片光分光镜分成两束，一束激光入射到燃烧器中激发碳烟颗粒产生炽光，炽光信号被放置在激光入射法向上的ICMOS相机收集，另一束激光经第一光学狭缝引入到第一能量计的探头中；

所述燃烧器出射的片状激光经第二片光分光镜、第二光学狭缝引入到第二能量计的探头中。

这里需要注意的是，现有能量计的探头都会小于实际应用时的片光尺寸，故在进行消光法测量时，需要利用狭缝来选取片状激光上适当位置处的激光。实验所采用的狭缝宽度为5mm，将通过狭缝的激光引入能量计的探头中，即可完成消光法的测量，具体实验方案如图3所示。实验时，所述第一光学狭缝和第一能量计通过第一升降台旋转支杆固定在第一升降台上，第二光学狭缝和第二能量计通过第二升降台旋转支杆固定在第二升降台上，第一升降台和第二升降台固定在同一个光学平台上，保证第一升降台和第二升降台初始高度一致的同时，保证了光学狭缝中心和能量计的探头中心处于同一高度。第一升降台旋转支杆和第二升降台旋转支杆为具有螺旋测微功能的调节杆，位移精度可以达到0.02mm。实验时可以调节两侧第一升降台和第二升降台的高度，选取不同高度处的片状激光入射到能量计中，达到对ICMOS相机视场内不同高度处炽光信号标定的目的。

本发明中，碳烟浓度测量原理如下：

当激光穿过碳烟颗粒团聚体时会发生光强的衰减，出射光强和入射光强遵循比尔朗博定律，可表示为：

KL＝-ln(τ)＝-ln(II₀)(2)

式中，I为出射光强，I₀为入射光强，τ为透射率，L为消光法光束在碳烟颗粒中的光程长度，k为光程中某一位置的吸收系数，K为光程上的平均吸收系数。KL因子可以用来衡量光程上的光学密度或者是光学厚度。

对于目前已知的碳氢燃料燃烧所产生的碳烟，碳烟颗粒的粒径一般都要小于入射激光的波长，因此激光与碳烟颗粒的相互作用满足瑞利散射的条件，据此可以得出火焰中光束传播路径上某一点处的碳烟体积分数与该点处吸收系数的关系为：

式中，f_v为体积分数，λ为入射激光的波长，α为碳烟颗粒对激光的散射与吸收光强之比，m为碳烟颗粒的复折射率，k_e为消光系数，是一个无量纲的系数。在进行计算时，α的取值一般为0。为了将平均吸收系数和碳烟颗粒的平均体积分数联系起来，可以得到：

由激光诱导炽光法原理可知，该方法所获得的炽光信号与所对应的碳烟颗粒体积分数成正比，因此只需要通过消光法找到对应的比例系数即可完成标定。标定的具体过程如下：

将消光法所对应的激光传播路径上的炽光信号图像灰度进行积分，可以得到：

式中，L_LII表示LII方法在图像中与消光法所对应的某一行的光程，I_LII表示对应的炽光信号强度，K表示对应光程上的平均吸收系数。将式(5)中的强度项替换成式(6)，再结合式(3)即可得到式(7)。由此可以得到碳烟颗粒炽光信号强度和体积分数的比例系数可由式(8)表示。在实验过程中可通过数据计算得到不同测试高度上的KL_LEM和KL_LII，将此比例系数带入到碳烟颗粒炽光信号强度与体积分数关系表达式中即可求出全视场内的碳烟颗粒体积分数分布情况。

f_v＝c·I_LII(6)

式中，c为一常数。

利用上述装置进行消光法和激光诱导炽光法同步测量碳烟颗粒体积分数的具体实施步骤如下：

(1)相机的对焦：将ICMOS相机前装好镜头并进行连线，之后固定在相机的底座上，底座放置在距离燃烧器的合适位置处，燃烧器的喷嘴高度与放置相机的底座高度一致，并调节镜头使镜头成像结果达到最清晰的状况。对焦完成后，将带有二维刻度的目标物体放置于燃烧器喷嘴上方并做好固定，利用ICMOS相机记录下视场范围内的刻度范围，以便后续利用消光法进行校准。

(2)光路搭建：按顺序安装好Nd:YAG激光器、片光整形系统和分光镜，打开Nd:YAG激光器，调整片光高度使其下边缘紧贴燃烧器喷嘴位置，并选择合适比例的扩束镜和准直镜，使片光长度覆盖整个火焰。

(3)消光法准备：固定好光学狭缝和能量计探头，并将能量计和ICMOS相机连接至第二DG645时序控制器进行时序控制，同时第二DG645时序控制器使用外触发模式，由第一DG645时序控制器提供外触发信号，第一DG645时序控制器另外为激光器提供触发信号，这样做可以保证整个测量过程中，激光器不会出现因触发信号丢失而导致的损伤。同时使用第三DG645时序控制器对控制能量计和ICMOS相机的第二DG645时序控制器进行抑制，保证能量计和ICMOS相机同步工作。而后点燃火焰，打开Nd:YAG激光器，利用ICMOS相机拍摄LII图像并观察对比对焦图像得出下方LII信号的出现高度。完成先期准备后，调节支撑光学狭缝和能量计探头的升降台高度，使光学狭缝刚好位于图像下方LII信号出现的高度，升降台带有刻度，实验前务必记录升降台的初始读数。

(4)开展消光法和激光诱导炽光法同步测量实验：点燃火焰，打开Nd:YAG激光器并调节激光器输出能量至合适档位，待火焰稳定后，撤除抑制信号同步采集消光法数据和炽光信号，并记录此时的光学狭缝高度；记录完毕后，选取不同的光学狭缝高度，记录多组数据，后续根据式(9)利用消光法对激光诱导炽光法所获得的信号进行标定并测量得到火焰中碳烟的体积分数。

Claims (7)

1.一种消光法和激光诱导炽光法同步测量碳烟颗粒体积分数的方法，其特征在于所述方法基于用单波长激光实现碳烟浓度测量和原位标定的装置进行碳烟颗粒体积分数同步测量，其中：

所述装置包括激光器、片光整形系统、时序控制器、片光分光镜、能量计、光学狭缝、燃烧器、相机，其中：

所述时序控制器包括第一时序控制器、第二时序控制器和第三时序控制器；

所述片光分光镜包括第一片光分光镜和第二片光分光镜；

所述能量计包括第一能量计和第二能量计；

所述光学狭缝包括第一光学狭缝和第二光学狭缝；

所述第一时序控制器分别与激光器和第二时序控制器相连，第二时序控制器分别与第一能量计、第二能量计、相机和第三时序控制器相连；

所述激光器输出的激光经片光整形系统整形成片状激光，片状激光经第一片光分光镜分成两束，一束激光入射到燃烧器中激发碳烟颗粒产生炽光，炽光信号被放置在激光入射法向上的相机收集，另一束激光经第一光学狭缝引入到第一能量计的探头中；

所述燃烧器出射的片状激光经第二片光分光镜、第二光学狭缝引入到第二能量计的探头中；

所述方法包括如下步骤：

第一步、相机对焦：将相机前装好镜头并进行连线，之后固定在相机的底座上，底座放置在距离燃烧器的合适位置处，燃烧器的喷嘴高度与放置相机的底座高度一致，并调节镜头使镜头成像结果达到最清晰的状况；对焦完成后，将带有二维刻度的目标物体放置于燃烧器喷嘴上方并做好固定，利用相机记录下视场范围内的刻度范围，以便后续利用消光法进行校准；

第二步、光路搭建：按顺序安装好激光器、片光整形系统和分光镜，打开激光器，调整片状激光高度使其下边缘紧贴燃烧器喷嘴位置，并选择合适比例的激光扩束镜和激光准直镜，使片状激光长度覆盖整个火焰；

第三步、消光法准备：固定好光学狭缝和能量计探头，并将能量计和相机连接至第二时序控制器进行时序控制，同时第二时序控制器使用外触发模式，由第一时序控制器提供外触发信号，第一时序控制器另外为激光器提供触发信号，保证整个测量过程中，激光器不会出现因触发信号丢失而导致的损伤；同时使用第三时序控制器对控制能量计和相机的第二时序控制器进行抑制，保证能量计和相机同步工作；而后点燃火焰，打开激光器，利用相机拍摄LII图像并观察对比对焦图像得出下方LII信号的出现高度；完成先期准备后，调节支撑光学狭缝和能量计探头的升降台高度，使光学狭缝刚好位于图像下方LII信号出现的高度，升降台带有刻度，实验前记录升降台的初始读数；

第四步、开展消光法和激光诱导炽光法同步测量实验：点燃火焰，打开激光器并调节激光器输出能量至合适档位，待火焰稳定后，撤除抑制信号同步采集消光法数据和炽光信号，并记录此时的光学狭缝高度；记录完毕后，选取不同的光学狭缝高度，记录多组数据，利用消光法对激光诱导炽光法所获得的信号进行标定并测量得到火焰中碳烟的体积分数，所述火焰中碳烟的体积分数计算公式如下：

式中，f_v为体积分数，λ为入射激光的波长，k_e为消光系数，L_LII表示LII方法在图像中与消光法所对应的某一行的光程，I_LII表示对应的炽光信号强度，K表示对应光程上的平均吸收系数，c为常数。

2.根据权利要求1所述的消光法和激光诱导炽光法同步测量碳烟颗粒体积分数的方法，其特征在于所述光整形系统包括依次设置的激光扩束镜、激光准直镜、激光聚焦镜。

3.根据权利要求1所述的消光法和激光诱导炽光法同步测量碳烟颗粒体积分数的方法，其特征在于所述第一光学狭缝和第一能量计通过第一升降台旋转支杆固定在第一升降台上，第二光学狭缝和第二能量计通过第二升降台旋转支杆固定在第二升降台上，第一升降台和第二升降台固定在同一个光学平台上，第一升降台和第二升降台初始高度一致，第一光学狭缝中心和第一能量计的探头中心处于同一高度，第二光学狭缝中心和第二能量计的探头中心处于同一高度。

4.根据权利要求1或3所述的消光法和激光诱导炽光法同步测量碳烟颗粒体积分数的方法，其特征在于所述第一光学狭缝和第二光学狭缝的宽度为5mm。

5.根据权利要求1所述的消光法和激光诱导炽光法同步测量碳烟颗粒体积分数的方法，其特征在于所述激光器为Nd:YAG激光器，输出532nm激光。

6.根据权利要求1所述的消光法和激光诱导炽光法同步测量碳烟颗粒体积分数的方法，其特征在于所述相机为ICMOS相机。

7.根据权利要求1所述的消光法和激光诱导炽光法同步测量碳烟颗粒体积分数的方法，其特征在于所述时序控制器为DG645时序控制器。