一种燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置及方法

技术特征：
1.一种燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置，其特征在于，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；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；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；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。2.根据权利要求1所述的燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置，其特征在于，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；所述自由电子激光器，用于发射连续太赫兹波；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；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；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；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；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。3.根据权利要求2所述的燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置，其特征在于，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。4.根据权利要求2所述的燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置，其特征在于，所述第二测量模块包括：第三分束镜和第二热释电探测器；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；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。5.根据权利要求4所述的燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置，其特征在于，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；
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；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；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。6.根据权利要求5所述的燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置，其特征在于，所述数据处理模块具体用于：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。7.根据权利要求6所述的燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置，其特征在于，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：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；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；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；基于干涉条纹级数，计算火焰样品的折射率分布n(x,y)：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；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)：其中，t
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是参考温度。8.根据权利要求7所述的燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置，其特征在于，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：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；温度t下水蒸气吸收谱线的谱线强度s(t)为：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
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为分子低能态的能量，υ0为吸收谱线中心频率；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)：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：其中，δν为碰撞线宽；υ为频率。9.一种燃烧温度场及水蒸气含量同步测量方法，应用于权利要求5-8任一项所述的燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置，其特征在于，包括：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；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；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。10.根据权利要求9所述的燃烧温度场及水蒸气含量同步测量方法，其特征在于，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：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。

技术总结
本申请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，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；第一测量模块用于产生未穿过火焰的参考太赫兹波以及穿过火焰的两束测量太赫兹波，将参考太赫兹波和一束测量太赫兹波分别投射到第二测量模块和第三测量模块，采集另一束的二维光强信息；第二测量模块用于将参考太赫兹波分为两束，将一束投射到第三测量模块，采集另一束的二维光强信息；第三测量模块用于生成太赫兹波和参考太赫兹波的干涉条纹图像；数据处理模块用于对两个二维光强信息和干涉条纹图像进行处理，得到火焰的温度场分布和水蒸气浓度分布。本申请实现了火焰温度和水蒸气含量的同步测量。测量。测量。


技术研发人员：宋艳 杨立军 李敬轩
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2022.06.22
技术公布日：2022/8/9