[实用新型]一种用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置

说明书

本实用新型提出一种用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置，包括发射探头模块、接收探头模块和铠装光纤束，4个接收探头模块分别固定安装在一矩形的四边并形成矩形探测孔，4个发射探头模块分别安装在4个接收探头模块的一侧，发射探头模块、接收探头模块均与铠装光纤束连接，接收探头模块包括壳体、不锈钢光纤插芯、耦合透镜、第一光楔和光纤收发内接口，发射探头模块包括外套管、陶瓷插芯、准直透镜、非球面柱透镜和第二光楔。本实用新型采用一路发射、多路接收的方案，能够有效抵御震动，提高探测分辨率，减少发射端光纤数量，减小光学系统体积，结构排布更加紧凑。

技术领域

本实用新型涉及可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)在测量矩形燃烧场的二维温度分布中的光学测量模块，尤其是一种用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置。

背景技术

当光束通过含有未知浓度的待测气体的一定厚度的气室时，如果发射光源的波长与待测气体特征吸收波长一致，待测气体会吸收光能，导致从待测气体中透射光束的光强衰减，因此可以通过测量光路上待测气体的吸收强度，从而获得待测气体的相关信息。根据气体光谱吸收技术的基本原理——Lambert-Beer定律可知，待测气体吸收过程中所经过的光程越大、气体浓度越大，则吸收程度越大，出射光强衰减越多，即气体的吸收度与其厚度和其浓度成正比。

激光光谱技术广泛应用于燃烧领域，例如在冲压发动机、航空发动机、燃煤锅炉上的应用等，是燃烧诊断的重要手段之一。波长调制谐波检测技术是基于直接吸收检测技术原理的一种，通过调制和解调技术减少系统的随机噪声的影响，提高系统的信噪比。波长调制谐波检测技术如图1所示。

气体检测系统可分为光学模块、电学模块和数据处理模块。系统示意图如图2所示。其中的光学模块主要包括有可调谐激光器、光学吸收池和光电探测器。

可调谐激光器作为红外光源发出特定波长的红外光，在光学吸收池中与燃烧场中的粒子相互作用，产生散射、吸收、荧光等光谱信号。光电探测器在出射端接收光信号，通过分析这些携带有燃烧场温度、组分浓度等信息的光谱信号，可以实现利用激光光谱技术诊断燃烧流场的目的。

在实际流场中由于流动混合、相变、化学反应、与壁面的热交换等效应的存在，使得沿着光线传播方向有明显的梯度变化，单一路径上气体的平均参数不能满足准确预测气体流动特性的要求。因此，需要增加同一平面上的光线空间分布信息，满足获取气体二维分布的要求。以获得流场内的二维分布信息。TDLAS技术不同于传统的单点或单线测量手段，是一种基于视线效应的测量，可以详细给出流场内部气体参数的二维信息，满足燃烧流场气体多参数实时测量的需求。

为了提高重建结果质量，在光学测量模块中，光线分布的设计尤为关键，需要尽可能设计多的光线穿过流场区域。但在实际的燃烧流场测量中，由于光学吸收池空间有限，无法安装大量的测量设备，现有方案通常采用移动旋转或光线固定模式来弥补一次投影光线数目的不足。

1)移动旋转模式

图3(a)装置利用4个高速旋转平台产生4束夹角为11°的扇形光束，能在0.1s内完成对被测区域的扫描并得到了400组投影数据，实现了对气体参数截面分布的高速扫描测量。图3(b)测量方案利用装置的等距平移，实现了对300—1100K范围的红外燃气炉温度场进行了重建。缺点：在移动旋转过程中，需要机械运动部件，在实际应用中避免不了受到机械振动的影响，且无法实现对非定常流场的瞬时测量。

2)空间固定模式

图4(a)采用4个投影角度，每个投影角度6条光线的方式，测量了不同当量比下的平面火焰温度和浓度分布。图4(b)所示，选取6条测量光线，固定安装在矩形框架上，对1333—1377nm的H2O吸收光谱范围进行扫描，对包含当量比为0.5的H2－空气混合气体火焰等6个区域进行了重建。缺点：这种模式下，光学的发射端(Beams) 和接收端(Detector)为对称分布在被测区域两侧，这种点对点、一对一的收发模式限制了投影光线的数目。

实用新型内容