一种燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置及方法

1.本技术涉及光学燃烧测量技术领域，尤其是涉及一种燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置及方法。


背景技术：

2.温度和组分测量是燃烧诊断的重要监测参数，其中，温度是表征热释放最直接的物理量，而水蒸气作为燃烧中最主要的产物，其浓度是表征燃烧效率的重要参量，因此燃烧温度和水蒸气浓度测量对于燃烧状态的判断、预测和诊断具有非常重要的意义。
3.传统的热电偶或烟气分析仪等接触式测量手段虽然简单、直观，但存在感应元件易于损坏、被测场易受干扰等难题。随着激光技术的发展，灵敏度很高、测量响应速度快的激光光谱技术成为燃烧诊断的重要手段之一，其中激光干涉测温是基于光波的相位移特性，通过燃烧场的干涉图来反映温度场的空间分布；可调谐二极管激光吸收光谱(tdlas)技术基于燃烧粒子的吸收光谱获取具燃烧温度或组分浓度信息。但现有的激光干涉或tdlas技术还不能满足对火焰温度和水蒸气组分浓度的同时在线测量的需求。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术提供了一种燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置及方法，以解决上述技术问题。
5.第一方面，本技术实施例提供了一种燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置，包括：第一测量模块、第二测量模块、第三测量模块和数据处理模块；
6.所述第一测量模块，用于产生未穿过火焰样品的参考太赫兹波以及穿过火焰样品的两束测量太赫兹波，将参考太赫兹波投射到第二测量模块，将一束测量太赫兹波投射到第三测量模块，采集另一束测量太赫兹波的二维光强信息，发送至数据处理模块；
7.所述第二测量模块，用于将参考太赫兹波分为两束，将一束参考太赫兹波投射到所述第三测量模块，采集另一束参考太赫兹波的二维光强信息，发送至数据处理模块；
8.所述第三测量模块，用于实现测量太赫兹波和参考太赫兹波的干涉，生成干涉条纹图像，发送至数据处理模块；
9.所述数据处理模块，用于对测量太赫兹波的二维光强信息、参考太赫兹波的二维光强信息和干涉条纹图像进行处理，得到火焰样品的温度场分布和水蒸气浓度分布。
10.进一步，所述第一测量模块包括：自由电子激光器，光隔离器，第一离轴抛物面镜，第二离轴抛物面镜，第一分束镜，第二分束镜和第一热释电探测器；所述火焰样品位于第一分束镜和第二分束镜之间；
11.所述自由电子激光器，用于发射连续太赫兹波；
12.所述光隔离器的中心轴与所述自由电子激光器发射的太赫兹波平行，用于隔离反射的太赫兹回波，使太赫兹波单方向传播；
13.所述第一离轴抛物面镜位于太赫兹波的光路上，所述第二离轴抛物面镜与所述第
一离轴抛物面镜相对放置；所述第一离轴抛物面镜和第二离轴抛物面镜对太赫兹波进行反射准直，实现对太赫兹波的扩束；
14.所述第一分束镜位于第二离轴抛物面镜反射的光路上，用于将扩束后的太赫兹波分为两束：一束透射的测量太赫兹波穿过火焰样品到达第二分束镜；另一束反射的参考太赫兹波进入所述第二测量模块；
15.所述第二分束镜用于将测量太赫兹波分为两束，一束透射的测量太赫兹波进入第一热释电探测器，另一束反射的测量太赫兹波进入第三测量模块；
16.所述第一热释电探测器为阵列式探测器，用于采集透射的测量太赫兹波的二维光强信息，发送至数据处理模块。
17.进一步，所述第一测量模块还包括：速度调制器，用于调制火焰样品的速度。
18.进一步，所述第二测量模块包括：第三分束镜和第二热释电探测器；
19.所述第三分束镜位于参考太赫兹波的光路上，用于将参考太赫兹波分为两束，一束透射的参考太赫兹波进入第二热释电探测器，另一束反射的参考太赫兹波进入第三测量模块；
20.所述第二热释电探测器为阵列式探测器，用于测量透射的参考太赫兹波的二维光强信息，发送至数据处理模块。
21.进一步，所述第三测量模块包括：第四分束镜、第三离轴抛物面镜、第四离轴抛物面镜和ccd相机；
22.所述第四分束镜位于第二分束镜的反射的测量太赫兹波光路，和第三分束镜的反射的参考太赫兹波的光路上，用于实现测量太赫兹波和参考太赫兹波的干涉；
23.所述第四离轴抛物面镜与第三离轴抛物面镜相对放置，所述第三离轴抛物面镜和第四离轴抛物面镜对干涉后的太赫兹波进行反射准直，实现干涉后的太赫兹波的缩束，将缩束的干涉后的太赫兹波投射至所述ccd相机；
24.所述ccd相机，用于对缩束的干涉后的太赫兹波进行成像，将干涉条纹图像发送至数据处理模块。
25.进一步，所述数据处理模块具体用于：
26.获取测量太赫兹波的二维光强信息、参考太赫兹波的二维光强信息和干涉条纹图像；
27.对干涉条纹图像进行处理，得到火焰样品的温度场分布；
28.对测量太赫兹波的二维光强信息、参考太赫兹波的二维光强信息和火焰样品的温度场分布进行处理，得到火焰样品的水蒸气浓度分布。
29.进一步，对干涉条纹图像进行处理，得到火焰样品的温度场分布，得到火焰样品的温度场分布；包括：
30.对干涉条纹图像进行滤波处理，去除燃烧过程中杂散光对干涉条纹图像的噪声干扰，得到去噪后的干涉条纹图像；
31.对去噪后的干涉条纹图像进行图像二值化处理，得到二值化图像；
32.采用数学形态学对二值化图像进行细化，提取出干涉条纹中心线，标记干涉条纹级数n；
33.基于干涉条纹级数，计算火焰样品的折射率分布n(x,y)：
[0034][0035]
其中，n
ref
为空气折射率，λ为太赫兹波波长，l为太赫兹波通过火焰区域宽度；
[0036]
根据火焰样品的折射率分布n(x,y)、理想气体定律及gladstone-dale关系，计算火焰样品区域的温度场分布t(x,y)：
[0037][0038]
其中，t
ref
是参考温度。
[0039]
进一步，对测量太赫兹波的二维光强信息、参考太赫兹波的二维光强信息和火焰样品的温度场分布进行处理，得到火焰样品的水蒸气浓度分布；包括：
[0040]
构建多项式形式的配分函数q(t)，多项式系数由hitran数据库获得，t为温度；
[0041]
温度t下水蒸气吸收谱线的谱线强度s(t)为：
[0042][0043]
其中，s(t0)为预设温度t0的谱线强度，k为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数，c为光速，e
″
为分子低能态的能量，υ0为吸收谱线中心频率。
[0044]
基于测量太赫兹波的二维光强i(x,y)、参考太赫兹波的二维光强i0(x,y)、火焰样品折射率分布n(x,y)和温度场分布t(x,y)，利用理想气体定律及gladstone-dale关系计算火焰中水蒸气的浓度分布x(x,y)：
[0045][0046]
其中，g为混合气体的gladstone-dale系数，r为理想气体常数，s(t(x,y))是温度t(x,y)的水蒸气吸收谱线的谱线强度，是洛伦兹型线型函数：
[0047][0048]
其中，δν为碰撞线宽；υ为频率。
[0049]
第二方面，本技术实施例提供了一种燃烧温度场及水蒸气含量同步测量方法，应用于本技术实施例的装置，包括：
[0050]
打开所述自由电子激光器，所述自由电子激光器发出连续太赫兹波；
[0051]
所述第一热释电探测器采集测量太赫兹波的二维光强信息，发送至数据处理模块；所述第二热释电探测器采集参考太赫兹波的二维光强信息，发送至数据处理模块；所述ccd相机生成干涉条纹图像，发送至数据处理模块；
[0052]
所述数据处理模块对测量太赫兹波的二维光强信息、参考太赫兹波的二维光强信息和干涉条纹图像进行处理，得到火焰样品的温度场分布和水蒸气浓度分布。
[0053]
进一步，所述数据处理模块对测量太赫兹波的二维光强信息、参考太赫兹波的二
维光强信息和干涉条纹图像进行处理，得到火焰样品的温度场分布和水蒸气浓度分布；包括：
[0054]
获取测量太赫兹波的二维光强信息、参考太赫兹波的二维光强信息和干涉条纹图像；
[0055]
对干涉条纹图像进行处理，得到火焰样品的温度场分布；
[0056]
对测量太赫兹波的二维光强信息、参考太赫兹波的二维光强信息和火焰样品的温度场分布进行处理，得到火焰样品的水蒸气浓度分布。
[0057]
本技术实现了火焰温度和水蒸气含量的同步测量。
附图说明
[0058]
为了更清楚地说明本技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0059]
图1为本技术实施例提供的燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置的结构示意图；
[0060]
图2为本技术实施例提供的燃烧温度及水蒸气含量同步测量方法流程图。
[0061]
图标：
[0062]
101-自由电子激光器，102-光隔离器，
[0063]
103-第一离轴抛物面镜，104-第二离轴抛物面镜，
[0064]
105-第三离轴抛物面镜，106-第四离轴抛物面镜，
[0065]
107-第一分束镜，108-第二分束镜，109-第三分束镜，
[0066]
110-第四分束镜，111-火焰样品，112-第一热释电探测器，
[0067]
113-第二热释电探测器，114-ccd相机，115-电子设备。
具体实施方式
[0068]
为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0069]
因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0070]
首先对本技术实施例的设计思想进行简单介绍。
[0071]
太赫兹波是一种处于红外和微波间的过渡波段，对于很多介电材料和非极性的液体有良好的穿透性，在安全监测、无损检测、药品检测等领域有广泛应用。作为目前电磁空间唯一尚未完全开发利用的频谱资源，太赫兹频段涵盖了大多数燃烧气体分子的纯转动跃迁频率，具有对气体分子温度及含量变化敏感的特点；太赫兹波波长较长，在非均匀物质中
有较少的散射和偏折；同时太赫兹辐射对红外辐射噪声不敏感；这些独特的优势使得太赫兹波在燃烧诊断领域展现了一定的应用前景。
[0072]
针对现有的激光干涉或tdlas技术还不能满足对火焰温度和水蒸气组分浓度的同时在线测量的需求，基于太赫兹技术，本技术提供了一种燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置，利用分束镜替换现有马赫-曾德干涉光路中的反射镜，以同时获取燃烧场的干涉图像及透射光谱；通过干涉图像确定相位信息，进而重构火焰的温度场，基于燃烧的气体吸收谱线获取燃烧产物中水蒸气浓度信息，以此解决现有技术中存在的对于火焰温度和水蒸气组分浓度的同步在线测量困难的问题。
[0073]
在介绍了本技术实施例的应用场景和设计思想之后，下面对本技术实施例提供的技术方案进行说明。
[0074]
如图1所示，本技术实施例提供了一种燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置，包括：第一测量模块、第二测量模块、第三测量模块和数据处理模块；所述数据处理模块设置在电子设备115上；
[0075]
所述第一测量模块，用于产生未穿过火焰样品的参考太赫兹波以及穿过火焰样品的两束测量太赫兹波，将参考太赫兹波投射到第二测量模块，将一束测量太赫兹波投射到第三测量模块，采集另一束测量太赫兹波的二维光强信息，发送至数据处理模块；
[0076]
在本实施例中，所述第一测量模块包括：自由电子激光器101，光隔离器102，第一离轴抛物面镜103，第二离轴抛物面镜104，第一分束镜107，第二分束镜108和第一热释电探测器112；所述火焰样品111位于第一分束镜107和第二分束镜108之间；所述第一测量模块还包括：速度调制器，用于调制火焰样品111的速度。
[0077]
所述自由电子激光器101，用于发射连续太赫兹波；
[0078]
所述光隔离器102的中心轴与自由电子激光器101发射的太赫兹波平行，用于隔离反射的太赫兹回波，使太赫兹波单方向传播；
[0079]
所述第一离轴抛物面镜103位于太赫兹波的光路上，所述第二离轴抛物面镜104与第一离轴抛物面镜103相对放置；所述第一离轴抛物面镜103和第二离轴抛物面镜104对太赫兹波进行反射准直，实现对太赫兹波的扩束；
[0080]
所述第一分束镜107位于第二离轴抛物面镜104反射的光路上，用于将扩束后的太赫兹波分为两束：一束透射的测量太赫兹波穿过火焰样品111到达第二分束镜108；另一束反射的参考太赫兹波进入所述第二测量模块；
[0081]
所述第二分束镜108用于将测量太赫兹波分为两束，一束透射的测量太赫兹波进入第一热释电探测器112，另一束反射的测量太赫兹波进入第三测量模块；
[0082]
所述第一热释电探测器112为阵列式探测器，用于采集透射的测量太赫兹波的二维光强信息，发送至数据处理模块。
[0083]
所述第二测量模块，用于将参考太赫兹波分为两束，将一束参考太赫兹波投射到所述第三测量模块，采集另一束参考太赫兹波的二维光强信息，发送至数据处理模块；
[0084]
在本实施例中，所述第二测量模块包括：第三分束镜109和第二热释电探测器113；
[0085]
所述第三分束镜109位于参考太赫兹波的光路上，用于将参考太赫兹波分为两束，一束透射的参考太赫兹波进入第二热释电探测器113，另一束反射的参考太赫兹波进入第三测量模块；
[0086]
所述第二热释电探测器113为阵列式探测器，用于测量透射的参考太赫兹波的二维光强信息，发送至数据处理模块。
[0087]
所述第三测量模块，用于实现测量太赫兹波和参考太赫兹波的干涉，生成干涉条纹图像，发送至数据处理模块；
[0088]
所述第三测量模块包括：第四分束镜110、第三离轴抛物面镜105、第四离轴抛物面镜106和ccd相机114；
[0089]
在本实施例中，所述第四分束镜110位于第二分束镜108的反射的测量太赫兹波光路，和第三分束镜109反射的参考太赫兹波的光路上，用于实现测量太赫兹波和参考太赫兹波的干涉；
[0090]
所述第四离轴抛物面镜106与第三离轴抛物面镜105相对放置，共同对干涉后的太赫兹波进行反射准直，实现干涉后的太赫兹波的缩束，将缩束的干涉后的太赫兹波投射至所述ccd相机114；
[0091]
所述ccd相机114，用于对缩束的干涉后的太赫兹波进行成像，将干涉条纹图像发送至数据处理模块。
[0092]
所述数据处理模块，用于获取测量太赫兹波的二维光强信息、参考太赫兹波的二维光强信息和干涉条纹图像；对干涉条纹图像进行处理，得到火焰样品的温度场分布；对测量太赫兹波的二维光强信息、参考太赫兹波的二维光强信息和火焰样品的温度场分布进行处理，得到火焰样品的水蒸气浓度分布。
[0093]
其中，对干涉条纹图像进行处理，得到火焰样品的温度场分布，得到火焰样品的温度场分布；包括：
[0094]
基于偏微分方程的方法对干涉条纹图像进行滤波处理，以滤掉燃烧过程中杂散光对干涉条纹图像的噪声干扰，得到去噪后的干涉条纹图像；
[0095]
对去噪后的干涉条纹图像进行图像二值化处理，得到二值化图像；
[0096]
在本实施例中，采用具有精度较高和自动化程度高的导数符号二值图法进行图像二值化。
[0097]
采用数学形态学对二值化图像进行细化，提取出干涉条纹中心线，标记干涉条纹级数n；
[0098]
基于干涉条纹级数，得到测量太赫兹波与参考太赫兹波间相位差计算火焰样品的折射率分布n(x,y)：
[0099][0100]
其中，n
ref
为空气折射率，λ为太赫兹波波长，l为太赫兹波通过火焰区域宽度；
[0101]
根据火焰样品的折射率分布n(x,y)、理想气体定律及gladstone-dale关系，计算火焰样品区域的温度场分布t(x,y)：
[0102][0103]
其中，t
ref
是参考温度。
[0104]
其中，对测量太赫兹波的二维光强信息、参考太赫兹波的二维光强信息和火焰样
品的温度场分布进行处理，得到火焰样品的水蒸气浓度分布；包括：
[0105]
构建多项式形式的配分函数q(t)，多项式系数由hitran数据库获得，t为温度；
[0106]
温度t下水蒸气吸收谱线的谱线强度s(t)为：
[0107][0108]
其中，s(t0)为预设温度t0的谱线强度，k为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数，c为光速，e
″
为分子低能态的能量，υ0为吸收谱线中心频率。
[0109]
基于测量太赫兹波的二维光强i(x,y)、参考太赫兹波的二维光强i0(x,y)、火焰样品折射率分布n(x,y)和温度场分布t(x,y)，利用理想气体定律及gladstone-dale关系计算火焰中水蒸气的浓度分布x(x,y)：
[0110][0111]
其中，g为混合气体的gladstone-dale系数，r为理想气体常数，s(t(x,y))是温度t(x,y)的水蒸气吸收谱线的谱线强度，是洛伦兹型线型函数：
[0112][0113]
其中，δν为碰撞线宽；υ为频率。
[0114]
基于上述实施例，本技术实施例提供了一种燃烧温度场及水蒸气含量同步测量方法，包括如下步骤：
[0115]
步骤201：打开所述自由电子激光器，所述自由电子激光器发出连续太赫兹波；
[0116]
步骤202：所述第一热释电探测器采集测量太赫兹波的二维光强信息，发送至数据处理模块；所述第二热释电探测器采集另一束参考太赫兹波的二维光强信息，发送至数据处理模块；所述ccd相机生成干涉条纹图像，发送至数据处理模块；
[0117]
步骤203：所述数据处理模块对测量太赫兹波的二维光强信息、参考太赫兹波的二维光强信息和干涉条纹图像进行处理，得到火焰样品的温度场分布和水蒸气浓度分布。
[0118]
在本实施例中，该步骤具体包括：
[0119]
获取测量太赫兹波的二维光强信息、参考太赫兹波的二维光强信息和干涉条纹图像；
[0120]
对干涉条纹图像进行处理，得到火焰样品的温度场分布；
[0121]
对测量太赫兹波的二维光强信息、参考太赫兹波的二维光强信息和火焰样品的温度场分布进行处理，得到火焰样品的水蒸气浓度分布。
[0122]
此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本技术方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
[0123]
尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。
[0124]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。