CN209027994U - 一种多通道光纤式气体拉曼散射测量系统 - Google Patents
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Abstract
一种多通道光纤式气体拉曼散射测量系统属激光燃烧诊断技术领域，本实用新型中激光器系统、拉曼光谱成像系统、10通道光纤耦合系统、测控系统、45度激光反射镜、激光聚焦镜和激光收集器置同一光学平台，激光器系统置45度激光反射镜正后方，激光聚焦镜置45度激光反射镜正右方、燃烧区正左方，激光收集器置燃烧区正右方，拉曼光谱成像系统Ⅱ置激光器系统正右方，10通道光纤耦合系统置拉曼光谱成像系统正右方、燃烧区正后方，测控系统Ⅳ置10通道光纤耦合系统后方；本实用新型可实现动态燃烧场气态物种的激光自发振动拉曼光谱线成像，可实现动态燃烧场气态物种的摩尔分数和区域温度的高精度定量测量。
Description
技术领域
本实用新型属激光燃烧诊断技术领域，具体涉及一种多通道光纤式气体拉曼散射测量系统。
背景技术
高效清洁安全燃烧是人类重要的研究课题之一。无论是在发动机(包括航空航天发动机、交通运输发动机等)、供电供热的煤系统和燃气轮机中，还是在基础研究用的各类燃烧器中的燃烧，都需要通过各种先进的燃烧诊断技术手段来探索燃烧机理和进一步改善燃烧状况的途径和方法。由于一些燃烧体系(如内燃机缸内的燃烧)的封闭性、瞬态性、爆炸恶劣性等问题，目前人们一般采用各种激光燃烧诊断技术来检测燃烧过程。通过这些技术可以直接观测到燃烧场燃烧状态，实现燃烧场温度、组分及组分浓度、流度和火焰结构等高时空分辨的精确测量，为燃烧理论数值模拟计算提供实验验证。
通过激光自发振动拉曼散射物种光谱测量，可以实现复杂燃烧环境下的主要物种的浓度(摩尔分数)和区域温度的检测，并具有测量的非接触性、多物种测量同步性、定量性、时间(纳秒级)和空间(毫米级)分辨能力。目前它已经广泛应用于如发动机燃烧室内或某封闭或大气环境下的各种燃烧体系内。通过同步测量具有拉曼活性的气态物种(氮气、氧气、二氧化碳、碳氢燃料、氢气、一氧化碳等)的自发振动斯托克斯拉曼光谱信号，来获得气体摩尔分数，并由氮气的自发振动斯托克斯和反斯托克斯拉曼光谱信号，来获得局部空间上的温度。这些光学测量结果与数值模拟计算结果互相验证和补充，为燃烧理论和燃烧试验提供基础数据。
但由于燃烧系统(如在内燃机试验台架中的光学发动机缸内的燃烧)存在系统结构复杂、环境恶劣、实验空间有限、布置光学成像系统困难、空间杂散光干扰大和存在机械振动等诸多不利因素，造成在动态燃烧场内测量气体拉曼散射信号时，受到光学器件布置的空间限制、杂散光干扰和机体振动的影响而不能得到更高的时空分辨能力和更大的气态拉曼信号的信噪比。由于实际测量的空间位置的随机变动，而得不到准确的动态燃烧内测量点或线或面上的气体拉曼散射信号，其光学测量结果也就难与数值模拟仿真结果相对应。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种利用光纤传导的气态拉曼散射光收集光学系统来完成实现复杂动态燃烧场内的基于激光自发振动拉曼散射的精确定量测量气体摩尔分数和区域温度测量技术。通过一个多通道光纤传感器，在其输入输出两端分别按直线紧密布置排列10路光纤，其中一端的前部安装有一个收集镜构成输入端，并与振动的燃烧系统紧固连接，保证该光纤的输入端与燃烧系统同步振动，消除机体振动对测量位置的影响；另一端为输出端，它与两片准直反射镜进行光学耦合，经由一片激光滤光片后准直到光谱仪狭缝。最后在拉曼ICCD相机上得到气态物种拉曼光谱成像信号，从而实现动态燃烧场环境下的混合气体摩尔分数和区域温度的光谱检测。
本实用新型由激光器系统Ⅰ、拉曼光谱成像系统Ⅱ、10通道光纤耦合系统Ⅲ、测控系统Ⅳ、45度激光反射镜1、激光聚焦镜2、燃烧区3和激光收集器4组成，激光器系统Ⅰ、拉曼光谱成像系统Ⅱ、10通道光纤耦合系统Ⅲ、测控系统Ⅳ、45度激光反射镜1、激光聚焦镜2和激光收集器4置于同一光学平台上，45度激光反射镜1的镀膜工作面朝向正右后方，激光器系统Ⅰ置于45度激光反射镜1的正后方，激光聚焦镜2置于45度激光反射镜1的正右方、燃烧区3的正左方，激光收集器4置于燃烧区3的正右方，拉曼光谱成像系统Ⅱ置于激光器系统Ⅰ的正右方，10通道光纤耦合系统Ⅲ置于拉曼光谱成像系统Ⅱ的正右方、燃烧区3的正后方，测控系统Ⅳ置于10通道光纤耦合系统Ⅲ的后方、拉曼光谱成像系统Ⅱ的右方；激光器系统Ⅰ的激光器中心线5与45度激光反射镜1的镀膜工作面的正中心相交；10通道光纤耦合系统Ⅲ中的光纤输入端适配器21和散射光收集镜23具有同一条轴向水平中心线Ⅳ24，轴向水平中心线Ⅳ24与激光聚焦镜2和激光收集器4的中心连线垂直相交，光纤输入端适配器21和散射光收集镜23通过镜架和磁力夹持器固接于燃烧区3外部的燃烧系统的金属外壳体上；光纤输出端适配器26的轴向水平中心线Ⅴ25与散射光反射镜Ⅱ28的镀膜工作面的正中心相交，并与其轴向水平中心线Ⅰ15成45度角，散射光反射镜Ⅰ18的轴向水平中心线Ⅲ19与激光滤光片16的轴向水平中心线Ⅱ17成22.5度角；10通道光纤耦合系统Ⅲ中10通道光纤输入端22的10通道光纤输出端口的直线排列方向，与激光聚焦镜2和激光收集器4的中心连线平行，10通道光纤耦合系统Ⅲ中10通道光纤输出端27的10通道光纤输出端口的直线排列方向与拉曼光谱成像系统Ⅱ中的成像光谱仪14上狭缝13的高度方向平行，狭缝13位于10通道光纤耦合系统Ⅲ中激光滤光片16的正左方。
测控系统Ⅳ中数字延迟脉冲发生器33的脉冲输出端口Ⅰg经专用电缆与拉曼光谱成像系统Ⅱ中拉曼ICCD相机11的外触发输入端口d连接；测控系统Ⅳ中数字延迟脉冲发生器33的脉冲输出端口Ⅱh经专用电缆与激光器系统Ⅰ中激光控制器7的泵浦灯外触发输入端口a连接；拉曼光谱成像系统Ⅱ中拉曼ICCD相机11的外触发输出端口c经专用电缆与激光器系统Ⅰ中激光控制器7的Q开关外触发输入端口b连接；拉曼光谱成像系统Ⅱ中拉曼ICCD相机11的数据输出端口e经专用电缆与测控系统Ⅳ中数据采集卡30的数据输入端口f连接。
所述的激光器系统Ⅰ由激光器专用电缆6、激光控制器7、激光发射器8、零级波片9和激光脉冲展宽器10组成，激光控制器7、激光发射器8、零级波片9和激光脉冲展宽器10自后至前依次排列，激光发射器8的激光出口中心、零级波片9的中心和激光脉冲展宽器10的激光出口中心的连线为激光器中心线5；激光控制器7通过激光器专用电缆6与激光发射器8连接；激光控制器7上设有泵浦灯外触发输入端口a和Q开关外触发输入端口b。
所述的拉曼光谱成像系统Ⅱ由拉曼ICCD相机11、适配器12、成像光谱仪14组成，拉曼ICCD相机11、适配器12和成像光谱仪14自后至前依次排列，拉曼ICCD相机11通过适配器12与成像光谱仪14固接；成像光谱仪14上设有拉曼散射光输入的狭缝13，狭缝13的高度方向与拉曼ICCD相机11中CCD的空间轴方向一致；拉曼ICCD相机11上设有外触发输出端口c、外触发输入端口d和数据输出端口e。
所述的10通道光纤耦合系统Ⅲ由激光滤光片16、散射光反射镜Ⅰ18、光纤光缆20、光纤输入端适配器21、10通道光纤输入端22、散射光收集镜23、光纤输出端适配器26、10通道光纤输出端27和散射光反射镜Ⅱ28组成，其中散射光反射镜Ⅱ28置于激光滤光片16的正前方，且其镀膜工作面朝向正右方；光纤输出端适配器26置于散射光反射镜Ⅱ28的正右前方，且其上的10通道光纤输出端朝向正左后方；散射光反射镜Ⅰ18置于激光滤光片16的正右方，散射光反射镜Ⅰ18的镀膜工作面朝向左前方，激光滤光片16的镀膜工作面朝向正右方；光纤输入端适配器21上的10通道光纤输入端22朝向正前方；光纤输入端适配器21通过光纤光缆20连接至光纤输出端适配器26；光纤输入端适配器21和光纤输出端适配器26的端面分别设有10通道光纤输入端22和10通道光纤输出端27，10通道光纤输入端22朝向正前方，10通道光纤输出端27朝向正左后方。
10通道光纤输入端22由光纤通道1输入端口1b、光纤通道2输入端口2b、光纤通道3输入端口3b、光纤通道4输入端口4b、光纤通道5输入端口5b、光纤通道6输入端口6b、光纤通道7输入端口7b、光纤通道8输入端口8b、光纤通道9输入端口9b和光纤通道10输入端口10b组成。
10通道光纤输出端27由光纤通道1输出端口1a、光纤通道2输出端口2a、光纤通道3输出端口3a、光纤通道4输出端口4a、光纤通道5输出端口5a、光纤通道6输出端口6a、光纤通道7输出端口7a、光纤通道8输出端口8a、光纤通道9输出端口9a和光纤通道10输出端口10a组成。
光纤通道1输入端口1b对应光纤通道1输入端口1b为一根光纤的两端，以此类推，光纤通道10输入端口10b对应光纤通道10输出端口10a，为一根光纤的两个端口。
光纤通道1输入端口1b、光纤通道2输入端口2b……和光纤通道10输入端口10b的中心连线构成光纤输入端适配器21的径向中心线Ⅱ35，且平行于激光聚焦镜2和激光收集器4的中心连线；光纤通道1输出入端口1a、光纤通道2输出端口2a，...和光纤通道10输出端口10a的中心线构成光纤输出端适配器26的径向中心线Ⅰ34，且平行于成像光谱仪14中的狭缝13的高度方向；光纤输入端适配器21和散射光收集镜23的中心连线构成轴向水平中心线Ⅳ24；散射光反射镜Ⅱ28和散射光反射镜Ⅰ18的中心连线为中心连线29；光纤输出端适配器26的轴向水平中心线Ⅴ25与散射光反射镜Ⅱ28的镀膜工作面的中心相交，散射光反射镜Ⅱ28的轴向水平中心线Ⅰ15分别与光纤输出端适配器26的轴向水平中心线Ⅴ25和中心连线29成α角，α为45度；激光滤光片16和散射光反射镜Ⅰ18的中心连线构成轴向水平中心线Ⅱ17，轴向水平中心线Ⅱ17平行于轴向水平中心线Ⅰ15，轴向水平中心线Ⅲ19分别与中心连线29和轴向水平中心线Ⅱ17成β角，β为22.5度；光纤光缆20弯曲小于90度的角度。
所述的测控系统Ⅳ由数据采集卡30、工控机31、显示器32和数字延迟脉冲发生器33组成，其中数据采集卡30上设有数据输入端口f，数字延迟脉冲发生器33上设有脉冲输出端口Ⅰg和脉冲输出端口Ⅱh，显示器32置于工控机31上，工控机31和数字延迟脉冲发生器33按左右顺序排列。
本实用新型通过多通道光纤与拉曼光谱仪狭缝之间的光学耦合技术，可实现动态燃烧场气态物种的激光自发振动拉曼光谱线成像，在测量中避免了燃烧系统的机械振动对光学测量的影响、避免的杂散光对弱的气态拉曼散射光的干扰和具有搭建光谱收集系统简单节省空间等优点，最终可实现动态燃烧场气态物种的摩尔分数和区域温度的高精度定量测量。
附图说明
图1为多通道光纤式气体拉曼散射测量系统的结构示意图
图2为激光器系统Ⅰ的结构示意图
图3为拉曼光谱成像系统Ⅱ的结构示意图
图4为10通道光纤耦合系统Ⅲ的结构示意图
图5为测控系统Ⅳ中数据采集卡、工控机、显示器的结构示意图
图6为测控系统Ⅳ中数字延迟脉冲发生器的结构示意图
图7为10通道光纤传感器的结构示意图
图8为信号同步时序图
其中：Ⅰ.激光器系统 Ⅱ.拉曼光谱成像系统 Ⅲ.10通道光纤耦合系统 Ⅳ.测控系统1. 45度激光反射镜 2.激光聚焦镜 3.燃烧区 4.激光收集器 5.激光器中心线 6.激光器专用电缆 7.激光控制器 8.激光发射器 9.零级波片 10.激光脉冲展宽器 11.拉曼ICCD相机 12.适配器 13.狭缝 14.成像光谱仪 15.轴向水平中心线Ⅰ 16.激光滤光片 17.轴向水平中心线Ⅱ 18.散射光反射镜Ⅰ 19.轴向水平中心线Ⅲ 20.光纤光缆 21.光纤输入端适配器 22.10通道光纤输入端 23.散射光收集镜 24.轴向水平中心线Ⅳ 25.轴向水平中心线Ⅴ 26.光纤输出端适配器 27.10通道光纤输出端 28.散射光反射镜Ⅱ 29.中心连线30.数据采集卡 31.工控机 32.显示器 33.数字延迟脉冲发生器 34.径向中心线Ⅰ 35.径向中心线Ⅱ a.泵浦灯外触发输入端口 b.Q开关外触发输入端口 c.外触发输出端口 d.外触发输入端口 e.数据输出端口 f.数据输入端口 g.脉冲输出端口Ⅰ h.脉冲输出端口Ⅱ1a.光纤通道1输出端口 2a.光纤通道2输出端口 3a.光纤通道3输出端口 4a.光纤通道4输出端口 5a.光纤通道5输出端口 6a.光纤通道6输出端口 7a.光纤通道7输出端口 8a.光纤通道8输出端口 9a.光纤通道9输出端口 10a.光纤通道10输出端口 1b.光纤通道1输入端口 2b.光纤通道2输入端口 3b.光纤通道3输入端口 4b.光纤通道4输入端口 5b.光纤通道5输入端口 6b.光纤通道6输入端口 7b.光纤通道7输入端口 8b.光纤通道8输入端口 9b.光纤通道9输入端口 10b.光纤通道10输入端口
具体实施方式
下面结合附图描述本实用新型。
如图1所示，由激光器系统Ⅰ、拉曼光谱成像系统Ⅱ、10通道光纤耦合系统Ⅲ、测控系统Ⅳ、45度激光反射镜1、激光聚焦镜2、燃烧区3和激光收集器4组成，激光器系统Ⅰ、拉曼光谱成像系统Ⅱ、10通道光纤耦合系统Ⅲ、测控系统Ⅳ、45度激光反射镜1、激光聚焦镜2和激光收集器4置于同一光学平台上，45度激光反射镜1的镀膜工作面朝向正右后方，激光器系统Ⅰ置于45度激光反射镜1的正后方，激光聚焦镜2置于45度激光反射镜1的正右方、燃烧区3的正左方，激光收集器4置于燃烧区3的正右方，拉曼光谱成像系统Ⅱ置于激光器系统Ⅰ的正右方，10通道光纤耦合系统Ⅲ置于拉曼光谱成像系统Ⅱ的正右方、燃烧区3的正后方，测控系统Ⅳ置于10通道光纤耦合系统Ⅲ的后方、拉曼光谱成像系统Ⅱ的右方；激光器系统Ⅰ的激光器中心线5与45度激光反射镜1的镀膜工作面的正中心相交；10通道光纤耦合系统Ⅲ中的光纤输入端适配器21和散射光收集镜23具有同一条轴向水平中心线Ⅳ24，轴向水平中心线Ⅳ24与激光聚焦镜2和激光收集器4的中心连线垂直相交，光纤输入端适配器21和散射光收集镜23通过镜架和磁力夹持器固接于燃烧区3外部的燃烧系统的金属外壳体上；光纤输出端适配器26的轴向水平中心线Ⅴ25与散射光反射镜Ⅱ28的镀膜工作面的正中心相交，并与其轴向水平中心线Ⅰ15成45度角，散射光反射镜Ⅰ18的轴向水平中心线Ⅲ19与激光滤光片16的轴向水平中心线Ⅱ17成22.5度角；10通道光纤耦合系统Ⅲ中10通道光纤输入端22的10通道光纤输出端口的直线排列方向，与激光聚焦镜2和激光收集器4的中心连线平行，10通道光纤耦合系统Ⅲ中10通道光纤输出端27的10通道光纤输出端口的直线排列方向与拉曼光谱成像系统Ⅱ中的成像光谱仪14上狭缝13的高度方向平行，狭缝13位于10通道光纤耦合系统Ⅲ中激光滤光片16的正左方。
测控系统Ⅳ中数字延迟脉冲发生器33的脉冲输出端口Ⅰg经专用电缆与拉曼光谱成像系统Ⅱ中拉曼ICCD相机11的外触发输入端口d连接；测控系统Ⅳ中数字延迟脉冲发生器33的脉冲输出端口Ⅱh经专用电缆与激光器系统Ⅰ中激光控制器7的泵浦灯外触发输入端口a连接；拉曼光谱成像系统Ⅱ中拉曼ICCD相机11的外触发输出端口c经专用电缆与激光器系统Ⅰ中激光控制器7的Q开关外触发输入端口b连接；拉曼光谱成像系统Ⅱ中拉曼ICCD相机11的数据输出端口e经专用电缆与测控系统Ⅳ中数据采集卡30的数据输入端口f连接。
如图2所示，所述的激光器系统Ⅰ由激光器专用电缆6、激光控制器7、激光发射器8、零级波片9和激光脉冲展宽器10组成，激光控制器7、激光发射器8、零级波片9和激光脉冲展宽器10自后至前依次排列，激光发射器8的激光出口中心、零级波片9的中心和激光脉冲展宽器10的激光出口中心的连线为激光器中心线5；激光控制器7通过激光器专用电缆6与激光发射器8连接；激光控制器7上设有泵浦灯外触发输入端口a和Q开关外触发输入端口b。
如图3所示，所述的拉曼光谱成像系统Ⅱ由拉曼ICCD相机11、适配器12、成像光谱仪14组成，拉曼ICCD相机11、适配器12和成像光谱仪14自后至前依次排列，拉曼ICCD相机11通过适配器12与成像光谱仪14固接；成像光谱仪14上设有拉曼散射光输入的狭缝13，狭缝13的高度方向与拉曼ICCD相机11中CCD的空间轴方向一致；拉曼ICCD相机11上设有外触发输出端口c、外触发输入端口d和数据输出端口e。
如图4和7所示，所述的10通道光纤耦合系统Ⅲ由激光滤光片16、散射光反射镜Ⅰ18、光纤光缆20、光纤输入端适配器21、10通道光纤输入端22、散射光收集镜23、光纤输出端适配器26、10通道光纤输出端27和散射光反射镜Ⅱ28组成，其中散射光反射镜Ⅱ28置于激光滤光片16的正前方，且其镀膜工作面朝向正右方；光纤输出端适配器26置于散射光反射镜Ⅱ28的正右前方，且其上的10通道光纤输出端朝向正左后方；散射光反射镜Ⅰ18置于激光滤光片16的正右方，散射光反射镜Ⅰ18的镀膜工作面朝向左前方，激光滤光片16的镀膜工作面朝向正右方；光纤输入端适配器21上的10通道光纤输入端22朝向正前方；光纤输入端适配器21通过光纤光缆20连接至光纤输出端适配器26；光纤输入端适配器21和光纤输出端适配器26的端面分别设有10通道光纤输入端22和10通道光纤输出端27，10通道光纤输入端22朝向正前方，10通道光纤输出端27朝向正左后方。
10通道光纤输入端22由光纤通道1输入端口1b、光纤通道2输入端口2b、光纤通道3输入端口3b、光纤通道4输入端口4b、光纤通道5输入端口5b、光纤通道6输入端口6b、光纤通道7输入端口7b、光纤通道8输入端口8b、光纤通道9输入端口9b和光纤通道10输入端口10b组成。
10通道光纤输出端27由光纤通道1输出端口1a、光纤通道2输出端口2a、光纤通道3输出端口3a、光纤通道4输出端口4a、光纤通道5输出端口5a、光纤通道6输出端口6a、光纤通道7输出端口7a、光纤通道8输出端口8a、光纤通道9输出端口9a和光纤通道10输出端口10a组成。
光纤通道1输入端口1b对应光纤通道1输入端口1b为一根光纤的两端，以此类推，光纤通道10输入端口10b对应光纤通道10输出端口10a，为一根光纤的两个端口。
光纤通道1输入端口1b、光纤通道2输入端口2b……和光纤通道10输入端口10b的中心连线构成光纤输入端适配器21的径向中心线Ⅱ35，且平行于激光聚焦镜2和激光收集器4的中心连线；光纤通道1输出入端口1a、光纤通道2输出端口2a，...和光纤通道10输出端口10a的中心线构成光纤输出端适配器26的径向中心线Ⅰ34，且平行于成像光谱仪14中的狭缝13的高度方向；光纤输入端适配器21和散射光收集镜23的中心连线构成轴向水平中心线Ⅳ24；散射光反射镜Ⅱ28和散射光反射镜Ⅰ18的中心连线为中心连线29；光纤输出端适配器26的轴向水平中心线Ⅴ25与散射光反射镜Ⅱ28的镀膜工作面的中心相交，散射光反射镜Ⅱ28的轴向水平中心线Ⅰ15分别与光纤输出端适配器26的轴向水平中心线Ⅴ25和中心连线29成α角，α为45度；激光滤光片16和散射光反射镜Ⅰ18的中心连线构成轴向水平中心线Ⅱ17，轴向水平中心线Ⅱ17平行于轴向水平中心线Ⅰ15，轴向水平中心线Ⅲ19分别与中心连线29和轴向水平中心线Ⅱ17成β角，β为22.5度；光纤光缆20弯曲小于90度的角度。
如图5和图6所示，所述的测控系统Ⅳ由数据采集卡30、工控机31、显示器32和数字延迟脉冲发生器33组成，其中数据采集卡30上设有数据输入端口f，数字延迟脉冲发生器33上设有脉冲输出端口Ⅰg和脉冲输出端口Ⅱh，显示器32置于工控机31上，工控机31和数字延迟脉冲发生器33按左右顺序排列。
本实用新型的具体连接过程和要求如下：
本实用新型中将激光器系统Ⅰ、拉曼光谱成像系统Ⅱ、10通道光纤耦合系统Ⅲ、测控系统Ⅳ、45度激光反射镜1、激光聚焦镜2和激光收集器4置于同一光学平台。在激光聚焦镜2、激光收集器4和散射光收集镜23之间布置燃烧系统，使得待测的燃烧区3位于激光聚焦镜2的正右方、激光收集器4的正左方和散射光收集镜23的正前方。
激光控制器7、激光发射器8、零级波片9和激光脉冲展宽器10自后至前依次排列放置于45度激光反射镜1的正后方；45度激光反射镜1镀膜工作面朝向正右后方；45度激光反射镜1、激光聚焦镜2和激光收集器4的中心在一条自左至右的直线上。
散射光反射镜Ⅱ28置于激光滤光片16的正前方，且其镀膜工作面朝向正右方。光纤输出端适配器26置于散射光反射镜Ⅱ28的正右前方，且其上的10通道光纤输出端朝向正左后方。散射光反射镜Ⅰ18置于激光滤光片16的正右方，散射光反射镜Ⅰ18的镀膜工作面朝向左前方，激光滤光片16的镀膜工作面朝向正右方。光纤输入端适配器21上的10通道光纤输入端22朝向正前方。光纤输入端适配器21通过光纤光缆20连接至光纤输出端适配器26。10通道光纤输入端22朝向正前方，10通道光纤输出端27朝向正左后方。光纤输入端适配器21的径向中心线Ⅱ35，且平行于45度激光反射镜1、激光聚焦镜2和激光收集器4的自左向右的中心的连线；光纤输出端适配器26的径向中心线Ⅰ34，且平行于成像光谱仪14中的狭缝13的高度方向。轴向水平中心线Ⅳ24分别与径向中心线Ⅱ35和45度激光反射镜1、激光聚焦镜2和激光收集器4的自左向右的中心的连线垂直相交。光纤输出端适配器26的轴向水平中心线Ⅴ25与散射光反射镜Ⅱ28的镀膜工作面的中心相交，并分别与散射光反射镜Ⅱ28的轴向水平中心线Ⅰ15和中心连线29成45度；轴向水平中心线Ⅱ17平行于轴向水平中心线Ⅰ15，轴向水平中心线Ⅲ19分别与中心连线29和轴向水平中心线Ⅱ17成22.5度。光纤光缆20可以弯曲小于90度的角度。光纤输入端适配器21和散射光收集镜23通过镜架和磁力夹持器固连到燃烧区3外部的燃烧系统的金属外壳体上。
用专用电缆分别连接：数字延迟脉冲发生器33的脉冲输出端口Ⅰg至拉曼光谱成像系统Ⅱ中拉曼ICCD相机11的外触发输入端口d；数字延迟脉冲发生器33的脉冲输出端口Ⅱh至激光器系统Ⅰ中激光控制器7的泵浦灯外触发输入端口a；拉曼光谱成像系统Ⅱ中拉曼ICCD相机11的外触发输出端口c至激光器系统Ⅰ中激光控制器7的Q开关外触发输入端口b；拉曼光谱成像系统Ⅱ中拉曼ICCD相机11的数据输出端口e至测控系统Ⅳ中数据采集卡30的数据输入端口f。
初步调整各光学器件中心高度：通过调节镜架仪器底座的各旋钮位置，使得激光发射器8、零级波片9、激光脉冲展宽器10、45度激光反射镜1、激光聚焦镜2、燃烧区3、激光收集器4、成像光谱仪14的狭缝13、激光滤光片16、散射光反射镜Ⅰ18、光纤输入端适配器21、散射光收集镜23、光纤输出端适配器26和散射光反射镜Ⅱ28中心在同一水平面内；通过调整使得个各轴向和径向水平中心线在如前所述的位置和角度上。
所有仪器设备通电并预热，设置各仪器旋钮位置，输入仪器各测量参数，进入工控机31上的主控程序。
精确调整各光学器件中心多维度位置：控制激光发射器8出射调试用的低能量的532nm(纳米)可见光原始激光束k，通过拉曼ICCD相机11的实时成像功能模式，同步测量燃烧区3内的激光信号。微调所有设备和镜架的高度、左右和前后位置、倾角和俯仰，保证显示器32上显示为激光实像，并且在显示器32的屏幕上竖直或水平。
测量动态燃烧场中气态物种的激光自发振动拉曼散射光谱：将燃烧区3调整到待测的压力、温度和组分浓度下；将激光发射器8和拉曼ICCD相机11设置到测量功能模式下；控制激光发射器8出射某实验能量mJ(毫焦)的原始激光束k；按照图7所示的信号同步时序，由工控机31内的主程序完成燃烧区3上被散射光收集镜23收集到的各物种拉曼散射光，并在拉曼ICCD相机11上光谱成像，经过主程序计算，最终计算出这种实验条件下的各物种的摩尔分数和区域温度值。
实施例：
如图1所示，激光器系统Ⅰ中选用白俄罗斯LOTIS TII公司的PS2225型激光控制器7、LS2137型激光发射器8、1/2零级波片9和自主研发的激光脉冲展宽器10，激光发射器8出射532nm(纳米)原始激光束k，其出口光斑直径约为8mm(毫米)，脉宽半高宽(FWHM)约为7ns(纳秒)，频率为10Hz，实验输出激光能量为380mJ(毫焦)，峰值功率为0.4GW(吉瓦)；经过零级波片9后，激光被改变偏振方向，改变后的激光束j的偏振方向与狭缝13的高度方向一致；激光脉冲展宽器10输出展宽后的激光束i，其FWHM约为35ns，光斑直径为6mm，频率为10Hz，能量为350mJ,峰值功率为0.02GW。激光束i按45度入射角入射到45度激光反射镜1的正中心，再按45度反射角反射，经过焦长为500mm的激光聚焦镜2后在燃烧区3内形成一条激光束去激发该区域内的气态物种，主要会产生拉曼散射光、荧光和激光散射光等；自制的10通道光纤传感器收集激发完成后的非弹性拉曼散射光和弹性散射激光；经过10通道光纤耦合系统Ⅲ内的激光滤光片16将弹性散射光滤除掉，在光谱仪14的狭缝上仅留下气体拉曼散射光信号。
散射光收集镜23距测试区的距离为150mm，散射光收集镜23与10通道光纤输入端22的中心距为200mm，每根光纤有效直径为100μm，光纤间中心距为120μm，光纤输出端适配器26和散射光反射镜Ⅱ28的中心距为50mm，散射光反射镜Ⅱ28和激光滤光片16的中心距为50mm，激光滤光片16和散射光反射镜Ⅰ18的中心距为200mm，激光滤光片16和狭缝13的中心距为0.8mm。
激光滤光片16为Semrock公司的NF01-532U-25型Notch滤光片去阻止532nm波长激光散射光；成像光谱仪14为美国BRUKER公司的Surespectrum 500is/sm成像光栅光谱仪，选择600g/mm光栅，狭缝高度为3mm，狭缝宽度设置为350μm，其出口配有英国Andor公司的DH720-18F-03增强型CCD的拉曼ICCD相机11；数字延迟脉冲发生器33为美国STANFORD公司的DG645脉冲延迟发生器；台湾研华610H型工控机31内的Intel主板上插入一块拉曼ICCD相机11的数据采集卡30。
如图8所示，其中：A为脉冲输出端口Ⅰg和脉冲输出端口Ⅱh的输出信号波形；B为外触发输出端口c的输出信号波形；C为原始激光束k的时域波形；D为展宽后的激光束i的时域波形；E为拉曼光谱信号时域波形；F为拉曼ICCD相机11内部门控时域波形。设置A1为0.1s；A、B、C、D、E和F曲线的频率均为10Hz；B1为140μm(微秒)；F1为140.14ns(纳秒)；F2为40ns。
Claims (5)
1.一种多通道光纤式气体拉曼散射测量系统，其特征在于：由激光器系统(Ⅰ)、拉曼光谱成像系统(Ⅱ)、10通道光纤耦合系统(Ⅲ)、测控系统(Ⅳ)、45度激光反射镜(1)、激光聚焦镜(2)、燃烧区(3)和激光收集器(4)组成，激光器系统(Ⅰ)、拉曼光谱成像系统(Ⅱ)、10通道光纤耦合系统(Ⅲ)、测控系统(Ⅳ)、45度激光反射镜(1)、激光聚焦镜(2)和激光收集器(4)置于同一光学平台上，45度激光反射镜(1)的镀膜工作面朝向正右后方，激光器系统(Ⅰ)置于45度激光反射镜(1)的正后方，激光聚焦镜(2)置于45度激光反射镜(1)的正右方、燃烧区(3)的正左方，激光收集器(4)置于燃烧区(3)的正右方，拉曼光谱成像系统(Ⅱ)置于激光器系统(Ⅰ)的正右方，10通道光纤耦合系统(Ⅲ)置于拉曼光谱成像系统(Ⅱ)的正右方、燃烧区(3)的正后方，测控系统(Ⅳ)置于10通道光纤耦合系统(Ⅲ)的后方、拉曼光谱成像系统(Ⅱ)的右方；激光器系统(Ⅰ)的激光器中心线(5)与45度激光反射镜(1)的镀膜工作面的正中心相交；10通道光纤耦合系统(Ⅲ)中的光纤输入端适配器(21)和散射光收集镜(23)具有同一条轴向水平中心线Ⅳ(24)，轴向水平中心线Ⅳ(24)与激光聚焦镜(2)和激光收集器(4)的中心连线垂直相交，光纤输入端适配器(21)和散射光收集镜(23)通过镜架和磁力夹持器固接于燃烧区(3)外部的燃烧系统的金属外壳体上；光纤输出端适配器(26)的轴向水平中心线Ⅴ(25)与散射光反射镜Ⅱ(28)的镀膜工作面的正中心相交，并与其轴向水平中心线Ⅰ(15)成45度角，散射光反射镜Ⅰ(18)的轴向水平中心线Ⅲ(19)与激光滤光片(16)的轴向水平中心线Ⅱ(17)成22.5度角；10通道光纤耦合系统(Ⅲ)中10通道光纤输入端(22)的10通道光纤输出端口的直线排列方向，与激光聚焦镜(2)和激光收集器(4)的中心连线平行，10通道光纤耦合系统(Ⅲ)中10通道光纤输出端(27)的10通道光纤输出端口的直线排列方向与拉曼光谱成像系统(Ⅱ)中的成像光谱仪(14)上狭缝(13)的高度方向平行，狭缝(13)位于10通道光纤耦合系统Ⅲ中激光滤光片(16)的正左方；测控系统(Ⅳ)中数字延迟脉冲发生器(33)的脉冲输出端口Ⅰ(g)经专用电缆与拉曼光谱成像系统(Ⅱ)中拉曼ICCD相机(11)的外触发输入端口(d)连接；测控系统(Ⅳ)中数字延迟脉冲发生器(33)的脉冲输出端口Ⅱ(h)经专用电缆与激光器系统(Ⅰ)中激光控制器(7)的泵浦灯外触发输入端口(a)连接；拉曼光谱成像系统(Ⅱ)中拉曼ICCD相机(11)的外触发输出端口(c)经专用电缆与激光器系统(Ⅰ)中激光控制器(7)的Q开关外触发输入端口(b)连接；拉曼光谱成像系统(Ⅱ)中拉曼ICCD相机(11)的数据输出端口(e)经专用电缆与测控系统(Ⅳ)中数据采集卡(30)的数据输入端口(f)连接。
2.按权利要求1所述的多通道光纤式气体拉曼散射测量系统，其特征在于：所述的激光器系统(Ⅰ)由激光器专用电缆(6)、激光控制器(7)、激光发射器(8)、零级波片(9)和激光脉冲展宽器(10)组成，激光控制器(7)、激光发射器(8)、零级波片(9)和激光脉冲展宽器(10)自后至前依次排列，激光发射器(8)的激光出口中心、零级波片(9)的中心和激光脉冲展宽器(10)的激光出口中心的连线为激光器中心线(5)；激光控制器(7)通过激光器专用电缆(6)与激光发射器(8)连接；激光控制器(7)上设有泵浦灯外触发输入端口(a)和Q开关外触发输入端口(b)。
3.按权利要求1所述的多通道光纤式气体拉曼散射测量系统，其特征在于：所述的拉曼光谱成像系统(Ⅱ)由拉曼ICCD相机(11)、适配器(12)、成像光谱仪(14)组成，拉曼ICCD相机(11)、适配器(12)和成像光谱仪(14)自后至前依次排列，拉曼ICCD相机(11)通过适配器(12)与成像光谱仪(14)固接；成像光谱仪(14)上设有拉曼散射光输入的狭缝(13)，狭缝(13)的高度方向与拉曼ICCD相机(11)中CCD的空间轴方向一致；拉曼ICCD相机(11)上设有外触发输出端口(c)、外触发输入端口(d)和数据输出端口(e)。
4.按权利要求1所述的多通道光纤式气体拉曼散射测量系统，其特征在于：所述的10通道光纤耦合系统(Ⅲ)由激光滤光片(16)、散射光反射镜Ⅰ(18)、光纤光缆(20)、光纤输入端适配器(21)、10通道光纤输入端(22)、散射光收集镜(23)、光纤输出端适配器(26)、10通道光纤输出端(27)和散射光反射镜Ⅱ(28)组成，其中散射光反射镜Ⅱ(28)置于激光滤光片(16)的正前方，且其镀膜工作面朝向正右方；光纤输出端适配器(26)置于散射光反射镜Ⅱ(28)的正右前方，且其上的10通道光纤输出端朝向正左后方；散射光反射镜Ⅰ(18)置于激光滤光片(16)的正右方，散射光反射镜Ⅰ(18)的镀膜工作面朝向左前方，激光滤光片(16)的镀膜工作面朝向正右方；光纤输入端适配器(21)上的10通道光纤输入端(22)朝向正前方；光纤输入端适配器(21)通过光纤光缆(20)连接至光纤输出端适配器(26)；光纤输入端适配器(21)和光纤输出端适配器(26)的端面分别设有10通道光纤输入端(22)和10通道光纤输出端(27)，10通道光纤输入端(22)朝向正前方，10通道光纤输出端(27)朝向正左后方；10通道光纤输入端(22)由光纤通道1输入端口(1b)、光纤通道2输入端口(2b)、光纤通道3输入端口(3b)、光纤通道4输入端口(4b)、光纤通道5输入端口(5b)、光纤通道6输入端口(6b)、光纤通道7输入端口(7b)、光纤通道8输入端口(8b)、光纤通道9输入端口(9b)和光纤通道10输入端口(10b)组成；10通道光纤输出端(27)由光纤通道1输出端口(1a)、光纤通道2输出端口(2a)、光纤通道3输出端口(3a)、光纤通道4输出端口(4a)、光纤通道5输出端口(5a)、光纤通道6输出端口(6a)、光纤通道7输出端口(7a)、光纤通道8输出端口(8a)、光纤通道9输出端口(9a)和光纤通道10输出端口(10a)组成；光纤通道1输入端口(1b)对应光纤通道1输入端口(1b)为一根光纤的两端，以此类推，光纤通道10输入端口(10b)对应光纤通道10输出端口(10a)，为一根光纤的两个端口；光纤通道1输入端口(1b)、光纤通道2输入端口(2b)……和光纤通道10输入端口(10b)的中心连线构成光纤输入端适配器(21)的径向中心线Ⅱ(35)，且平行于激光聚焦镜(2)和激光收集器(4)的中心连线；光纤通道1输出端口(1a)、光纤通道2输出端口(2a)，...和光纤通道10输出端口(10a)的中心线构成光纤输出端适配器(26)的径向中心线Ⅰ(34)，且平行于成像光谱仪(14)中的狭缝(13)的高度方向；光纤输入端适配器(21)和散射光收集镜(23)的中心连线构成轴向水平中心线Ⅳ(24)；散射光反射镜Ⅱ(28)和散射光反射镜Ⅰ(18)的中心连线为中心连线(29)；光纤输出端适配器(26)的轴向水平中心线Ⅴ(25)与散射光反射镜Ⅱ(28)的镀膜工作面的中心相交，散射光反射镜Ⅱ(28)的轴向水平中心线Ⅰ(15)分别与光纤输出端适配器(26)的轴向水平中心线Ⅴ(25)和中心连线(29)成α角，α为45度；激光滤光片(16)和散射光反射镜Ⅰ(18)的中心连线构成轴向水平中心线Ⅱ(17)，轴向水平中心线Ⅱ(17)平行于轴向水平中心线Ⅰ(15)，轴向水平中心线Ⅲ(19)分别与中心连线(29)和轴向水平中心线Ⅱ(17)成β角，β为22.5度；光纤光缆(20)弯曲小于90度的角度。
5.按权利要求1所述的多通道光纤式气体拉曼散射测量系统，其特征在于：所述的测控系统(Ⅳ)由数据采集卡(30)、工控机(31)、显示器(32)和数字延迟脉冲发生器(33)组成，其中数据采集卡(30)上设有数据输入端口(f)，数字延迟脉冲发生器(33)上设有脉冲输出端口Ⅰ(g)和脉冲输出端口Ⅱ(h)，显示器(32)置于工控机(31)上，工控机(31)和数字延迟脉冲发生器(33)按左右顺序排列。
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