[发明专利]单色激光诱导白炽光纳米级碳烟粒径测量装置及方法

权利要求书

1.一种单色激光诱导白炽光纳米级碳烟粒径测量装置，其特征在于：包括火焰发生单元、对火焰的碳烟颗粒进行加热的激光器、用于捕获火焰中白炽光信号的捕获单元、显示并记录所捕获的白炽光信号与时间关系的示波器以及与所述示波器通信连接的处理单元；

所述的捕获单元包括放置在火焰一侧的光电倍增管以及放置在所述光电倍增管前用于阻止火焰中除白炽光信号之外的光信号通过的窄带通滤光片；

所述处理单元包括存储器和处理器，存储器存储计算机程序，该计算机程序被所述处理器执行时能实现以下步骤：

建立火焰中碳烟颗粒的白炽光信号强度与时间的关系，定义碳烟颗粒的白炽光信号强度降低到其峰值的1/e时所需时间为信号特征时间τ_λ，基于包含碳烟粒径与信号特征时间τ_λ关系的粒径计算模型得出火焰中碳烟颗粒的粒径；

所述的纳米级碳烟颗粒粒径计算模型为

其中，C是由聚集体的屏蔽效应参数以及碳烟颗粒与周围气体的热力学参数组成的系数，T_g碳烟颗粒周围气体的温度，T_h-max表示碳烟颗粒冷却过程中的最高温度，λ是光电倍增管的设定探测波长，h表示普朗克常数，c表示光速，k表示玻尔兹曼常数。

2.根据权利要求1所述的单色激光诱导白炽光纳米级碳烟粒径测量装置，其特征在于，

所述的C的表达式为

其中，α_T表示热调节系数，p_g表示碳烟颗粒周围气体的压力，N_p表示聚集体中基元体颗粒的数量，ρ_s是碳烟的密度，c_s是碳烟的比热，R是通用气体常数，W_g是碳烟颗粒周围气体的平均摩尔质量，γ是周围气体的比热比，k_h和D_h均为碳烟颗粒的缩放系数。

3.根据权利要求1所述的单色激光诱导白炽光纳米级碳烟粒径测量装置，其特征在于，还包括对碳烟颗粒进行TEM采样的透镜电镜，所述的粒径计算模型为碳烟粒径与特征时间的二元关系图，该二元关系图由以下步骤得到：

对于同一工况下的碳烟颗粒，首先在2800-3700K的范围内设定若干个T_h-max的值得到不同位置处的若干个信号特征时间τ_λ，采用透射电镜TEM采样观察并得到这些位置的碳烟粒径D_p，基于实验所设定的探测波长和火焰温度，计算选择最优的T_h-max，然后在二维坐标系中标定由τ_λ和D_p确定的点，并拟合得到碳烟粒径D_p与信号特征时间τ_λ的二元关系式，最后根据该二元关系式由不同测量位置处的信号特征时间τ_λ得到火焰中D_p的二维分布结果；

对于不同工况下的碳烟颗粒，按照上述步骤得到不同的二元关系并由各工况下信号特征时间τ_λ得到D_p的值。

4.根据权利要求1所述的单色激光诱导白炽光纳米级碳烟粒径测量装置，其特征在于：

所述的激光器为脉冲激光器，在高温燃烧测量环境中，所使用的能量密度不超过0.1J/cm²。

5.根据权利要求1所述的单色激光诱导白炽光纳米级碳烟粒径测量装置，其特征在于：

所述的光电倍增管的响应波段和所述的窄带通滤光片的透过波长位于可见光范围；所述光电倍增管的上升时间小于1ns。

6.根据权利要求1所述的单色激光诱导白炽光纳米级碳烟粒径测量装置，其特征在于：

所述的激光器与火焰之间设有用于对正火焰中心的光阑以及用于调节激光器发射的脉冲能量的衰减器；

所述激光器放置在一移动平台上，该移动平台根据光阑的对正信号校正激光器的位置以使其对准火焰中心。