本发明公开了一种基于太赫兹脉冲测量的燃烧温度传感装置及方法。本发明激光从飞秒激光器发射,经过分束器分为参考激光和探测激光,探测激光聚焦到光电导天线型太赫兹发射器上,太赫兹发射器发射出的太赫兹脉冲,经离轴抛物面镜组会聚到ZnTe晶体上,参考激光经半透反射镜、平行光栅组、偏振片后和会聚到ZnTe晶体上的太赫兹波准直重合,利用ZnTe晶体的Pockels效应实现太赫兹波的调制,CCD探测器将采集到的携带太赫兹脉冲强度信息的第一参考激光和不携带太赫兹脉冲强度信息的第二参考激光所对应的图像信号输入计算机进行后续处理。本发明提高非接触燃烧测量方法精度、速度,实现燃烧对象温度、温度分布的非接触测量。
1.xa0基于太赫兹脉冲测量的燃烧温度传感装置,包括飞秒激光器、分束器、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、聚焦透镜、光电导天线型太赫兹发射器、离轴抛物面镜组、第一半透反射镜、第二半透反射镜、平行光栅组、平面反射镜、第一偏振片、第二偏振片、ITO玻璃、ZnTe晶体、CCD探测器、计算机、函数发生器、高频功率放大器、一维光学平移台,其特征在于:激光从飞秒激光器发射,经过分束器分光后,分为参考激光和探测激光两路,其中探测激光依次通过第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜反射后由聚焦透镜聚焦到光电导天线型太赫兹发射器上,光电导天线型太赫兹发射器在探测激光和高频功率放大器的电压激励作用下发射出太赫兹脉冲,太赫兹脉冲经过离轴抛物面镜组一侧的离轴抛物面镜的准直后成为平行的太赫兹波,并穿过燃烧区域,另一侧的离轴抛物面镜将平行的太赫兹波会聚到ZnTe晶体上,分束器分出的参考激光经过第一半透反射镜后入射到一对平行光栅组上,经过平行光栅组的参考激光由平面反射镜反射回平行光栅组,实现参考激光的频率啁啾和时间展宽,时间展宽后的参考激光由第一半透反射镜反射通过第一偏振片,经过第一偏振片的参考激光由ITO玻璃反射到ZnTe晶体上,和会聚到ZnTe晶体上的太赫兹波准直重合,利用ZnTe晶体的泡克耳斯效应实现对太赫兹波的调制,偏振状态被太赫兹波调制的第一参考激光穿过第二半透反射镜后,再经过第二偏振片,携带太赫兹脉冲强度信息的第一参考激光被第四平面反射镜反射到CCD探测器探测接受,同时由于ZnTe晶体的双折射效应,不携带太赫兹脉冲强度信息的第二参考激光经过第二半透反射镜、第六平面反射镜、第五平面反射镜反射后也入射到CCD探测器被探测接收,CCD探测器将采集到的携带太赫兹脉冲强度信息的第一参考激光和不携带太赫兹脉冲强度信息的第二参考激光所对应的图像信号输入计算机进行后续处理;函数发生器产生基频正弦波信号输入到高频功率放大器,高频功率放大器驱动光电导天线型太赫兹发射器周期产生太赫兹脉冲,同时函数发生器产生倍频的倍频矩形波信号控制CCD探测器的采样周期是太赫兹脉冲发射频率的两倍;所述的平行光栅组为平行放置的一组光栅,平面反射镜将平行光栅组啁啾展宽后的参考激光脉冲反射回入射光路;所述的ITO玻璃使反射到ZnTe晶体上的参考激光脉冲与会聚到ZnTe晶体上的太赫兹脉冲共点共轴;所述的一维光学平移台上放置了第一平面反射镜、第二平面反射镜,通过光学延迟方法将太赫兹脉冲定位于同步探测脉冲的持续时间内,同时通过一维光学平移台的调整,将太赫兹脉冲的成像位置调节到CCD探测器的中央区域;所述的函数发生器产生两种不同频率的电压信号,分别是基频正弦波脉冲信号和倍频矩形波脉冲信号;基频正弦波信号输入到高频功率放大器,经过放大后加载到光电导天线型太赫兹发射器上形成光电导天线的周期电压激励,当探测激光入射到光电导天线型太赫兹发射器上时产生瞬间的光生载流子,光生载流子在正半周正弦电压激励下辐射出太赫兹脉冲,光生载流子在负半周正弦电压激励下将不辐射出太赫兹脉冲;倍频矩形波脉冲信号输入到CCD探测器作为CCD探测器的采样同步信号,由于倍频矩形波脉冲信号和基频正弦波信号频率相差一倍,因此相邻采集的两帧CCD图像中一帧是太赫兹脉冲存在的图像,一帧是没有太赫兹脉冲存在的图像,通过CCD倍频采样的方法实现测量的动态修正。
2.如权利要求1所述的基于太赫兹脉冲测量的燃烧温度传感装置的方法,其特征在于包括如下步骤:步骤(1).CCD输出测量脉冲的灰度图像f₁(x)和参考脉冲的灰度图像f₂(x);步骤(2).将测量脉冲的灰度图像f₁(x)和参考脉冲的灰度图像f₂(x)相减得到太赫兹脉冲信号大小f(x)=f₁(x)-f₂(x);步骤(3).判断燃烧是否为均匀温度分布;3-1.若燃烧温度是均匀分布则使用均匀温度公式模型,均匀温度公式模型如式(1)描述; ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="62"/>xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0(1)其中,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="81"/>,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="24"/>是空气折射率的变化大小,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="21"/>是太赫兹脉冲的延迟时间;P—空气压强; X—气体分子的摩尔浓度;L—太赫兹脉冲通过燃烧区域的距离;然后,根据空气折射率变化计算燃烧温度,温度变化和折射率变化的关系由公式(2)描述; ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="70"/>xa0xa0xa0xa0xa0(2)其中,β是折射率变化和温度变化的比例系数;3-2.若判断燃烧不是均匀温度分布,则运用快速傅里叶变换方法将太赫兹脉冲信号转化为光谱信号;步骤(4).使用福依特线型函数对FFT变换后的频谱做拟合,拟合函数采用的福依特线型函数由公式(3)描述; ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="205"/>xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0(3)其中,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="105"/>,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="85"/>xa0xa0;xa0其中: γ _D —高斯线性函数光谱宽度; γ _C —洛伦兹线性函数光谱宽度;同时获得福依特线性函数光谱宽度ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="37"/>: ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="349"/> 其中,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="37"/>是谱线的碰撞线宽; ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="38"/>是谱线的多普勒线宽;步骤(5).使用吸收谱线判别方法判别出测量光谱范围中合适的吸收谱线,根据有火焰燃烧时候的吸收光谱和没有火焰燃烧时候的吸收光谱计算出m条不同的吸收谱线的吸收系数a₁,a₂,...a_m,由公式(4)描述; ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="62"/>xa0xa0xa0(4)其中,P_m—有火焰燃烧时的吸收谱线强度; Q _m —无火焰燃烧时的吸收谱线强度;步骤(6).设燃烧的温度分布为T₁,T₂,...T_n,将谱线的吸收系数a_m和谱线强度的温度矩阵A代入吸收谱线方程组Ax=a,由公式(5)描述,如果公式(5)的解存在且唯一,则可计算出不同温度的燃烧区域的比例x; ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="265"/>xa0xa0(5)其中,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="49"/>可通过查找国际标准光谱数据库中的谱线参数获得;如果已知m条不同谱线的吸收系数组成向量ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="60"/>,并且已知温度矩阵A,m>n,则可利用最小二乘法可以估计温度T的分布ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="58"/>;所述的步骤(3)中的温度系数的标定和步骤(5)的吸收谱线判别的具体流程如下:调节一维光学平移台使太赫兹脉冲成像在CCD中心区域;同时调节分束器的分光比例使CCD中的第一参考激光和第二参考激光的强度相等,实现在一次CCD采样过程中完成太赫兹脉冲的测量;在燃烧区域放置长光程气体池,实现标定过程;当长光程气体池加热到温度T_n时采集太赫兹脉冲的延迟时间,当所有标定温度都完成后利用偏最小二乘法拟合温度T_n和太赫兹脉冲延迟的线性方程得到温度测量模型的温度系数;基于太赫兹脉冲测量的燃烧温度传感方法中谱线的选择包括气体分子的选择、谱线频谱范围的确定、谱线温度灵敏度的计算,在测量过程中先选择一种吸收系数较大的气体分子作温度测量,然后根据太赫兹脉冲的频谱范围确定分子谱线的光谱频率范围;根据国际光谱数据库查找光谱频率范围内的谱线参数,在温度测量范围区间内计算所有谱线的温度灵敏度ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="54"/>,选择ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="54"/>最大的m条谱线S₁,S₂,...xa0S_m作为温度分布计算的谱线。 xa0 技术领域
本发明属于燃烧检测技术领域,尤其涉及一种基于太赫兹脉冲测量的燃烧温度传感装置及方法。
背景技术
燃烧现象广泛地存在于石油化工、航天、冶金和电力等众多行业中。在燃烧反应过程中化学能不断的转换为热能和电能,同时不断进行传热、传质及化学反应过程。燃烧过程中会产生二氧化碳、一氧化碳、氮氧化合物、二氧化硫和水蒸气等气体产物同时释放出热量。为保证中国经济的可持续发展,近年来中国政府和科技界更加重视能源效率提高的研究和应用。然而由于燃烧过程非常复杂,因此特别需要使用新型的燃烧检测技术到燃烧的分析和研究之中,从而推动高效、环保的燃烧模型和污染物生成模型的建立。在燃烧的检测过程中温度是关键的参数,燃烧温度和温度分布的实时准确测量对于安全生产、提高燃烧效率、降低污染物等诸多方面都具有重要的作用。燃烧温度传感测量方法从原理上大体可以分为两类:接触式测量方法与非接触式测量方法。其中,接触式测量的主要原理是利用热电偶、热电阻等热敏感元件在温度变化时会发生电压或电阻的变化,从而得到温度的值。专利号为CN102607731A的“响应速度快的热电偶温度传感器”将包裹有保护管和金属封装层的热电偶用于温度的测量。专利号为CN102483360A的“光纤温度传感器”通过改变由光纤传送的光被遮盖的光量或传送的光反射后接受的光量来传感检测温度。接触式测量的特点是成本低廉、测量可靠,是目前最为广泛应用的测量方法之一。但是接触式的测量方式会对被测对象产生扰动,其测量响应往往无法对快速变化的温度进行跟踪,并且敏感元件易于受到高温或腐蚀性气体介质的污染而降低可靠性。此外,利用单个热电偶或者热电阻的接触式测量只能对单点来进行测量,无法了解整个燃烧对象内部的真实情况。非接触的测量方法是燃烧温度测量的另一个重要方向,非接触式的测量技术方法包括了光学法,声学法等新一代的方法,它们主要利用光波或者声波信号对不同温度的响应来实现测量。专利号为CN1388340A的“测量锅炉燃烧辐射能及温度场并控制燃烧的方法及其系统”利用CCD采集燃烧图像,通过图像处理的方式测量出燃烧的温度。专利号为CN1587930A的“燃煤锅炉炉内三维温度场实时监测装置”通过在炉膛内设置多个摄像头的方法接受来自炉膛内各个方向的辐射信息,采用特殊的非迭代算法计算出炉膛内燃烧温度的分布。非接触式测量方法的优点是响应速度快,测量不会对燃烧对象产生干扰。随着科技和生产力的进步,研究快速、高灵敏度的燃烧温度传感方法既能帮助人们加深对燃烧机理的研究,又能帮助人们对燃烧过程中产生的污染物进行分析和控制。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足,提出一种基于太赫兹脉冲测量的燃烧温度传感装置及方法,提高现有的非接触燃烧测量方法的精度和测量速度,实现燃烧对象的温度和温度分布的非接触测量。本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下:本发明包括飞秒激光器、分束器、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、聚焦透镜、光电导天线型太赫兹发射器、离轴抛物面镜组、第一半透反射镜、第二半透反射镜、平行光栅组、平面反射镜、第一偏振片、第二偏振片、ITO玻璃、ZnTe晶体、CCD探测器、计算机、函数发生器、高频功率放大器、一维光学平移台。激光从飞秒激光器发射,经过分束器分光后,分为参考激光和探测激光两路,其中探测激光依次通过第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜反射后由聚焦透镜聚焦到光电导天线型太赫兹发射器上,光电导天线型太赫兹发射器在探测激光和高频功率放大器的电压激励作用下发射出太赫兹脉冲,太赫兹脉冲经过离轴抛物面镜组一侧的离轴抛物面镜的准直后成为平行的太赫兹波,并穿过燃烧区域,另一侧的离轴抛物面镜将平行的太赫兹波会聚到ZnTe晶体上,分束器分出的参考激光经过第一半透反射镜后入射到一对平行光栅组上,经过平行光栅组的参考激光由平面反射镜反射回平行光栅组,从而实现了参考激光的频率啁啾和时间展宽,时间展宽后的参考激光由第一半透反射镜反射通过第一偏振片,经过第一偏振片的参考激光由ITO玻璃反射到ZnTe晶体上,和会聚到ZnTe晶体上的太赫兹波准直重合,利用ZnTe晶体的泡克耳斯(Pockels)效应实现对太赫兹波的调制,偏振状态被太赫兹波调制的第一参考激光穿过第二半透反射镜后,再经过第二偏振片,携带太赫兹脉冲强度信息的第一参考激光被第四平面反射镜反射到CCD探测器探测接受,同时由于ZnTe晶体的双折射效应,不携带太赫兹脉冲强度信息的第二参考激光经过第二半透反射镜、第六平面反射镜、第五平面反射镜反射后也入射到CCD探测器被探测接收,CCD探测器将采集到的携带太赫兹脉冲强度信息的第一参考激光和不携带太赫兹脉冲强度信息的第二参考激光所对应的图像信号输入计算机进行后续处理。函数发生器产生基频正弦波信号输入到高频功率放大器,高频功率放大器驱动光电导天线型太赫兹发射器周期产生太赫兹脉冲,同时函数发生器产生倍频的倍频矩形波信号控制CCD探测器的采样周期是太赫兹脉冲发射频率的两倍。所述的平行光栅组为平行放置的一组光栅,平面反射镜将平行光栅组啁啾展宽后的参考激光脉冲反射回入射光路。所述的ITO玻璃使反射到ZnTe晶体上的参考激光脉冲与会聚到ZnTe晶体上的太赫兹脉冲共点共轴。所述的一维光学平移台上放置了第一平面反射镜、第二平面反射镜,通过光学延迟方法将太赫兹脉冲定位于同步探测脉冲的持续时间内,同时通过一维光学平移台的调整,将太赫兹脉冲的成像位置调节到CCD探测器的中央区域。所述的函数发生器产生两种不同频率的电压信号,分别是基频正弦波脉冲信号和倍频矩形波脉冲信号。基频正弦波信号输入到高频功率放大器,经过放大后加载到光电导天线型太赫兹发射器上形成光电导天线的周期电压激励,当探测激光入射到光电导天线型太赫兹发射器上时产生瞬间的光生载流子,光生载流子在正半周正弦电压激励下辐射出太赫兹脉冲,光生载流子在负半周正弦电压激励下将不辐射出太赫兹脉冲。倍频矩形波脉冲信号输入到CCD探测器作为CCD探测器的采样同步信号,由于倍频矩形波脉冲信号和基频正弦波信号频率相差一倍,因此相邻采集的两帧CCD图像中一帧是太赫兹脉冲存在的图像,一帧是没有太赫兹脉冲存在的图像,通过CCD倍频采样的方法实现了测量的动态修正,提高了系统测量的信噪比。xa0基于太赫兹脉冲测量的燃烧温度传感方法,包括如下步骤:步骤(1).CCD输出测量脉冲的灰度图像f₁(x)和参考脉冲的灰度图像f₂(x)。步骤(2).将测量脉冲的灰度图像f₁(x)和参考脉冲的灰度图像f₂(x)相减得到太赫兹脉冲信号大小f(x)=f₁(x)-f₂(x)。步骤(3).判断燃烧是否为均匀温度分布,3-1.若燃烧温度是均匀分布则使用均匀温度公式模型,均匀温度公式模型如式(1)描述。 ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="62"/>xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0(1)其中,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="81"/>,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="24"/>是空气折射率的变化大小,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="21"/>是太赫兹脉冲的延迟时间。P—空气压强; X—气体分子的摩尔浓度;L—太赫兹脉冲通过燃烧区域的距离。然后根据空气折射率变化计算燃烧温度,温度变化和折射率变化的关系由公式(2)描述。 ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="70"/>xa0(2)其中,β是折射率变化和温度变化的比例系数,通过折射率的变化大小可以得到温度的变化值,从而得到燃烧的温度。3-2.若判断燃烧不是均匀温度分布,则运用快速傅里叶变换(FFT)方法将太赫兹脉冲信号转化为光谱信号;步骤(4).使用福依特(Voigt)线型函数对FFT变换后的频谱做拟合,拟合函数采用的福依特线型函数由公式(3)描述。 ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="205"/>xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0(3)其中,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="105"/>,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="85"/>xa0xa0;xa0其中: γ _D —高斯线性函数光谱宽度; γ _C —洛伦兹线性函数光谱宽度;同时获得福依特线性函数光谱宽度ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="37"/>: ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="349"/> 其中,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="37"/>是谱线的碰撞线宽; ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="38"/>是谱线的多普勒线宽;步骤(5).使用吸收谱线判别方法判别出测量光谱范围中合适的吸收谱线,根据有火焰燃烧时候的吸收光谱和没有火焰燃烧时候的吸收光谱计算出m条不同的吸收谱线的吸收系数a₁,a₂,...a_m,由公式(4)描述。 ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="62"/>xa0xa0xa0(4)其中,P_m—有火焰燃烧时的吸收谱线强度; Q _m —无火焰燃烧时的吸收谱线强度;步骤(6).设燃烧的温度分布为T₁,T₂,...T_n,将谱线的吸收系数a_m和谱线强度的温度矩阵A代入吸收谱线方程组Ax=a,由公式(5)描述,如果公式(5)的解存在且唯一,则可计算出不同温度的燃烧区域的比例x。 ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="265"/>xa0xa0(5)其中,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="49"/>可通过查找国际标准光谱数据库中的谱线参数获得。如果已知m条不同谱线的吸收系数组成向量ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="60"/>,并且已知温度矩阵A,m>n,则可利用最小二乘法可以估计温度T的分布ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="58"/>。所述的步骤(3)中的温度系数的标定和步骤(5)的吸收谱线判别的具体流程如下:(a)xa0xa0调节一维光学平移台使太赫兹脉冲成像在CCD中心区域;同时调节分束器的分光比例使CCD中的第一参考激光和第二参考激光的强度相等,实现在一次CCD采样过程中完成太赫兹脉冲的测量。(b)xa0xa0在燃烧区域放置长光程气体池,实现标定过程。当长光程气体池加热到温度T_n时采集太赫兹脉冲的延迟时间,当所有标定温度都完成后利用偏最小二乘法拟合温度T_n和太赫兹脉冲延迟的线性方程得到温度测量模型的温度系数。(c)xa0xa0基于太赫兹脉冲测量的燃烧温度传感方法中谱线的选择包括气体分子的选择、谱线频谱范围的确定、谱线温度灵敏度的计算,在测量过程中先选择一种吸收系数较大的气体分子作温度测量,然后根据太赫兹脉冲的频谱范围确定分子谱线的光谱频率范围;根据国际光谱数据库查找光谱频率范围内的谱线参数,在温度测量范围区间内计算所有谱线的温度灵敏度ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="54"/>,选择ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="54"/>最大的m条谱线S₁,S₂,...xa0S_m作为温度分布计算的谱线。本发明有益效果如下:第一,基于太赫兹脉冲测量的燃烧温度传感装置使用平行光栅组实现频率啁啾和时间展宽,从而实现了太赫兹脉冲的波分电光取样。通过改变信号发生器的正弦波和矩形脉冲波的频率和相位,光电导天线型太赫兹发射器辐射出的太赫兹脉冲和CCD采样的时钟周期同步,从而实现一次CCD的采样过程就能得到一个太赫兹脉冲的测量,实现快速获得燃烧对象太赫兹光谱的效果。由于CCD的采样的频率可以很快,因此基于太赫兹脉冲测量的燃烧温度传感装置能够以较高的采样速率对燃烧对象进行数据采集,特别适合于火焰燃烧这类动态变化较快的对象的实时测量和分析的需要。因此基于太赫兹脉冲测量的燃烧温度传感装置能够在快速燃烧变化过程中,在不干扰燃烧物质分布的条件下采用非接触的方式测量得到燃烧对象的太赫兹光谱数据。第二,由于太赫兹辐射是一种低温的电磁波辐射,因此燃烧过程中产生的大量背景红外辐射噪声对太赫兹脉冲的测量基本不产生干扰,因此使用太赫兹脉冲测量时信噪比特别高。基于太赫兹脉冲测量的燃烧温度传感装置能够实现比传统基于红外辐射测量的温度测量方法有更高的信噪比和精度。第三,光电导天线型太赫兹发射器能够发射出波长范围在0.1~7THz的太赫兹波,由于发射出的太赫兹波的频谱覆盖了大量的燃烧产物气体,因此能够实现在一次测量过程完成对H₂O、CO、CO₂、NO、NO₂、NH₃和SO₂等气体的监测。同时由于太赫兹辐射对于燃烧气体的灵敏度比传统红外辐射高10³以上,因此基于太赫兹脉冲测量的燃烧温度传感方法具有非常高的灵敏度。第四,基于太赫兹脉冲测量的燃烧温度传感装置可以根据燃烧对象的实际情况灵活设置在燃烧区域的两边。由于只需要一个光电导天线型太赫兹发射器作为光谱辐射源,因此基于太赫兹脉冲测量的燃烧温度传感装置结构非常简单紧凑。所采用的太赫兹脉冲数据处理方法,能够通过均匀温度分布模型和非均匀温度分布模型实现对复杂燃烧条件下的数据处理和分析。
附图说明
图1是本发明结构示意图;图2是光电导天线型太赫兹发射器和CCD采样电路时序图;图3是燃烧温度传感方法流程图;图4是谱线判别方法流程图;图5是温度系数标定流程图;图中,飞秒激光器1、分束器2、第一平面反射镜3-1、第二平面反射镜3-2、第三平面反射镜3-3、聚焦透镜4、光电导天线型太赫兹发射器5、离轴抛物面镜组6、第一半透反射镜7-1、第二半透反射镜7-2、平行光栅组8、平面反射镜9、第一偏振片10-1、第二偏振片10-2、ITO玻璃11、ZnTe晶体12、CCD探测器13、计算机14、函数发生器15、高频功率放大器16、一维光学平移台17。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。如图1所示,基于太赫兹脉冲测量的燃烧温度传感装置,包括飞秒激光器1、分束器2、第一平面反射镜3-1、第二平面反射镜3-2、第三平面反射镜3-3、聚焦透镜4、光电导天线型太赫兹发射器5、离轴抛物面镜组6、第一半透反射镜7-1、第二半透反射镜7-2、平行光栅组8、平面反射镜9、第一偏振片10-1、第二偏振片10-2、ITO玻璃11、ZnTe晶体12、CCD探测器13、计算机14、函数发生器15、高频功率放大器16、一维光学平移台17。激光从飞秒激光器1发射,经过分束器2分光后,分为参考激光和探测激光两路,其中探测激光依次通过第一平面反射镜3-1、第二平面反射镜3-2、第三平面反射镜3-3反射后由聚焦透镜4聚焦到光电导天线型太赫兹发射器5上,光电导天线型太赫兹发射器5在探测激光和高频功率放大器16的电压激励作用下发射出太赫兹脉冲,太赫兹脉冲经过离轴抛物面镜组6一侧的离轴抛物面镜的准直后成为平行的太赫兹波,并穿过燃烧区域,另一侧的离轴抛物面镜将平行的太赫兹波会聚到ZnTe晶体12上,分束器2分出的参考激光经过第一半透反射镜7-1后入射到一对平行光栅组8上,经过平行光栅组8的参考激光由平面反射镜9反射回平行光栅组8,从而实现了参考激光的频率啁啾和时间展宽,时间展宽后的参考激光由第一半透反射镜7-1反射通过第一偏振片10-1,经过第一偏振片10-1的参考激光由ITO玻璃11反射到ZnTe晶体12上,和会聚到ZnTe晶体12上的太赫兹波准直重合,利用ZnTe晶体12的泡克耳斯(Pockels)效应实现对太赫兹波的调制,偏振状态被太赫兹波调制的第一参考激光穿过第二半透反射镜7-2后,再经过第二偏振片10-2,携带太赫兹脉冲强度信息的第一参考激光被第四平面反射镜3-4反射到CCD探测器13探测接受,同时由于ZnTe晶体12的双折射效应,不携带太赫兹脉冲强度信息的第二参考激光经过第二半透反射镜7-2、第六平面反射镜3-6、第五平面反射镜3-5反射后也入射到CCD探测器13被探测接收,CCD探测器13将采集到的携带太赫兹脉冲强度信息的第一参考激光和不携带太赫兹脉冲强度信息的第二参考激光所对应的图像信号输入计算机14进行后续处理。函数发生器15产生基频正弦波信号输入到高频功率放大器16,高频功率放大器16驱动光电导天线型太赫兹发射器5周期产生太赫兹脉冲,同时函数发生器15产生倍频的倍频矩形波信号控制CCD探测器13的采样周期是太赫兹脉冲发射频率的两倍。所述的平行光栅组8为平行放置的一组光栅,平面反射镜9将平行光栅组8啁啾展宽后的参考激光脉冲反射回入射光路。所述的ITO玻璃11使反射到ZnTe晶体12上的参考激光脉冲与会聚到ZnTe晶体12上的太赫兹脉冲共点共轴。所述的一维光学平移台17上放置了第一平面反射镜3-1、第二平面反射镜3-2,通过光学延迟方法将太赫兹脉冲定位于同步探测脉冲的持续时间内,同时通过一维光学平移台17的调整,将太赫兹脉冲的成像位置调节到CCD探测器13的中央区域。如图2所示,函数发生器15产生两种不同频率的电压信号,分别是基频正弦波脉冲信号和倍频矩形波脉冲信号。基频正弦波信号输入到高频功率放大器16,经过放大后加载到光电导天线型太赫兹发射器5上形成光电导天线的周期电压激励,当探测激光入射到光电导天线型太赫兹发射器5上时产生瞬间的光生载流子,光生载流子在正半周正弦电压激励下辐射出太赫兹脉冲,光生载流子在负半周正弦电压激励下将不辐射出太赫兹脉冲。倍频矩形波脉冲信号输入到CCD探测器13作为CCD探测器13的采样同步信号,由于倍频矩形波脉冲信号和基频正弦波信号频率相差一倍,因此相邻采集的两帧CCD图像中一帧是太赫兹脉冲存在的图像,一帧是没有太赫兹脉冲存在的图像,通过CCD倍频采样的方法实现了测量的动态修正,提高了系统测量的信噪比。如图3所示,基于太赫兹脉冲测量的燃烧温度传感方法,包括如下步骤,具体包括FFT变换、谱线线型拟合、谱线选择和谱线温度方程求解。CCD探测器13输出测量脉冲的灰度图像f₁(x)和参考脉冲的灰度图像f₂(x)(步骤310),将测量脉冲的灰度图像f₁(x)和参考脉冲的灰度图像f₂(x)相减得到太赫兹脉冲信号大小f(x)=f₁(x)-f₂(x)(步骤320),判断燃烧是否为均匀温度分布(步骤330),如果燃烧温度是均匀分布则使用均匀温度公式模型(步骤390),均匀温度公式模型由式(1)描述。 ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="62"/>xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0式(1)其中,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="81"/>,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="24"/>是空气折射率的变化大小,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="21"/>是测量得到的太赫兹脉冲的延迟时间。P—空气压强; X—气体分子的摩尔浓度;L—太赫兹脉冲通过燃烧区域的距离。xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0然后根据空气折射率变化计算燃烧温度(步骤391),温度变化和折射率变化的关系由式(2)描述。 ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="70"/>xa0式(2)其中,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="33"/>为温度变化的大小,β是折射率变化和温度变化的比例系数,通过折射率的变化大小可得到温度的变化值,从而得到燃烧的温度。如果判断燃烧不是均匀温度分布(步骤330),则需要运用快速傅里叶变换(FFT)方法将太赫兹脉冲信号转化为频谱信号(步骤340);然后使用福依特(Voigt)线型函数对FFT变换后的频谱做拟合(步骤350),拟合函数采用的福依特线型函数由式(3)描述。 ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="205"/>xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0式(3)其中,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="105"/>,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="85"/>xa0xa0;xa0其中: γ _D --高斯线性函数光谱宽度; γ _C —洛伦兹线性函数光谱宽度;同时可以获得福依特线性函数光谱宽度ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="37"/>: ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="349"/> 其中,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="37"/>是谱线的碰撞线宽;ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="38"/>是谱线的多普勒线宽;使用吸收谱线判别方法判别出测量光谱范围中合适的吸收谱线(步骤360),根据有火焰燃烧时候的吸收光谱和没有火焰燃烧时候的吸收光谱计算出m条不同的吸收谱线的吸收系数a₁,a₂,...a_m(步骤370),由式(4)描述。 ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="62"/>xa0xa0xa0式(4)其中,P_m--有火焰燃烧时的吸收谱线强度 Q _m —无火焰燃烧时的吸收谱线强度设燃烧的温度分布为T₁,T₂,...T_n,将谱线的吸收系数a_m和谱线强度的温度矩阵A代入吸收谱线方程组Ax=a(步骤380),由式(5)描述,如果式(5)的解存在且唯一,则可计算出不同温度的燃烧区域的比例x。 ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="265"/>xa0xa0xa0式(5其中,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="49"/>可以通过查找国际标准光谱数据库中的谱线参数获得。如果已知m条不同谱线的吸收系数组成向量ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="60"/>,并且已知温度矩阵A,m>n,利用最小二乘法可以估计出温度的分布ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="58"/>(步骤381)。如图4所示,基于太赫兹脉冲测量的燃烧温度传感方法中谱线的选择包括如下步骤。具体包括气体分子的选择、谱线频谱范围的确定、谱线温度灵敏度的计算。在测量过程中先要选择一种吸收系数较大的气体分子作温度测量(步骤410);根据太赫兹脉冲的频谱范围确定分子谱线的光谱频率范围(步骤420);根据国际光谱数据库查找光谱频率范围内的谱线参数(步骤430);根据燃烧对象确定燃烧温度测量范围(步骤440);在温度测量范围区间内计算所有谱线的温度灵敏度ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="54"/>(步骤450);选择ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="54"/>最大的m条谱线S₁,S₂,...xa0S_m作为温度分布计算的谱线(步骤460)。如图5所示,基于太赫兹脉冲测量的燃烧温度传感装置的标定过程包括如下步骤,为了太赫兹脉冲的测量具有较大的测量范围需要调节一维光学平移台使太赫兹脉冲成像在CCD中心区域(步骤510);为了在一次CCD探测器13采样过程中完成太赫兹脉冲的测量,调节分束器的分光比例使CCD探测器13中的第一参考激光和第二参考激光的强度相等(步骤520);标定过程中在燃烧区域放置长光程气体池,同时通过外置加热装置将长光程气体池中的气体加热到指定的温度(步骤530);当长光程气体池加热到温度T_n时采集太赫兹脉冲的延迟时间(步骤540);如果标定温度达到加热装置的最大加热温度范围则结束温度采集进入数据处理,如果标定温度未达到加热装置的最大加热温度则提高长光程气体池的加热温度,并循环执行步骤540采集太赫兹脉冲的延迟时间(步骤550)。当所有标定温度都完成后利用偏最小二乘法拟合温度T_n和太赫兹脉冲延迟的线性方程得到温度测量模型的温度系数(步骤560)。