[发明专利]一种拉曼光谱实时原位标定荧光光谱的测量系统

说明书

一种拉曼光谱实时原位标定荧光光谱的测量系统属激光燃烧诊断技术领域，本发明中线光源收集器置45度反射镜正上方，拉曼成像系统置线光束左侧，荧光光谱成像系统置线光束右侧，拉曼成像系统和荧光光谱成像系统的中心线重合；片状光源激光器系统置线光束正后方，片光源收集器置线光束正前方，且片光源收集器与片状光源激光器系统中片状光源发生器之间为探测区；拉曼成像系统和荧光光谱成像系统的同一中心线垂直于长方体片状光源激发区的cdeh平面；脉冲延迟发生器置45度反射镜正下方。本发明能获取复杂燃烧场中实时原位定量的二维浓度分布数据，其光学测量结果与数值模拟计算结果能互相验证补充，并为燃烧理论和燃烧试验提供基础数据。

技术领域

本发明属激光燃烧诊断技术领域，具体涉及一种拉曼光谱实时原位标定荧光光谱的测量系统。

背景技术

高效清洁燃烧是人类重要的研究课题之一。无论是发动机(包括航空航天发动机、交通运输发动机等)中的各种燃料的燃烧，还是供电供热的煤燃烧系统、基础研究用的各种燃烧器的燃烧等，都需要通过各种先进的燃烧诊断技术手段来探索进一步改善燃烧状况的途径和方法。由于一些燃烧体系的封闭性、瞬变性、爆炸恶劣性等问题，人们很难直接观测到这些环境中的燃烧状态，更难获取燃烧室内的各种物种的浓度、温度和速度的微观物理信息，有时仅依赖于燃烧理论数值模拟计算，但缺乏实验验证。随着科技的发展，各种激光燃烧诊断技术无疑为诊断燃烧过程提供了可能性。

对于瞬态燃烧场中的燃料的浓度分布探测至关重要，其分布的均匀和不均匀性及定量的控制燃料浓度场分布位置，都会影响接下来的燃烧的优劣程度。平面激光诱导荧光(PLIF)技术已经广泛应用于各种燃烧场(如光学发动机缸内、燃烧炉内等)的二维浓度分布测量中。通常在燃料中掺混适量的丙酮或3-戊酮作为燃料示踪剂，通过燃烧场中示踪剂的荧光分布来表示燃料的分布。但由于荧光的淬灭性质，导致PLIF测量只是得到相对的燃料的分布信息，不能得到定量信息。如果进行PLIF定量标定，一般常用的方法一种是利用燃烧完成后的废气分析，但由于其燃烧的滞后性和排气的不完整性(如发动机中存在残余气体)，使得废气分析的浓度结果要比光学结果偏高很多，并是非实时性的；另一种方法是先在已知示踪剂浓度的一个气体样池中完成定量标定，其结果反推到实际测量环境中，但由于在实际测量中存在密封用的玻璃窗口被燃烧产物污染问题，造成两者信号对应的不确定性，并且也存在非实时性问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种拉曼光谱实时原位标定荧光光谱的浓度分布光学测量系统。通过激光自发振动拉曼散射测试技术，可以实现复杂燃烧环境下的具有拉曼活性的主要气态物种的浓度(氮气、氧气、二氧化碳、碳氢燃料、氢气、一氧化碳等摩)和区域温度的空间一维的原位检测，它具有测量的非接触性、多物种检测同步性、时间(纳秒级)和空间(毫秒)分辨能力，并且其光谱信号对淬灭不敏感，其光谱信号强度随压力呈线性增强变化。但由于气体拉曼信号较弱，很难实现二维的定量浓度信息，只能完成激光聚焦点或线上的浓度检测。目前它已经广泛应用于如内燃机缸内或某封闭或大气环境下的燃烧体系内的浓度场测量中。