基于数字全息光镊的微颗粒群燃料微燃烧系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于数字全息光镊的微颗粒群燃料微燃烧系统。本发明包括第一激光驱动器、第一激光器、第一分光镜、第二激光器、衰减片、第二反光镜、准直透镜组、第一反光镜、空间光调制器、扩束镜组、第二分光镜、物镜、微颗粒群燃料、微燃烧芯片、第三分光镜、第三反光镜、CCD相机、红外摄像机、第一图像采集卡、第二图像采集卡、数据采集卡、计算机、氮气储气瓶、氧气储气瓶、第一流量计、第二流量计、缓冲罐、第一阀门、第二阀门、气相色谱质谱联用仪。本发明可通过数字全息技术和空间光调制器有效操控燃料的分布形态，实现微颗粒群燃料能够在微燃烧芯片中发生燃烧，而且可以有效改善微燃烧的组成方式，提高微燃烧的燃烧效率。
【专利说明】基于数字全息光镊的微颗粒群燃料微燃烧系统
【技术领域】
[0001]本发明属于微燃烧【技术领域】，涉及一种基于数字全息光镊的微颗粒群燃料微燃烧系统。
【背景技术】
[0002]微燃烧与传统燃烧功能相同，就是将燃料的化学能高效转化为热能和动能，同时具有可靠的点火方式、较宽的运行界限和较小的压力损失。但尺度的减小为微尺度燃烧带来了很多挑战:(I)燃料混合困难:因为微尺度小燃料混合物流动的雷诺数很小，流动处于层流状态。因此混合不能依靠强烈的湍流混合，而是依靠分子扩散。(2)较小的燃料滞留时间:随着尺度的减小，燃料在燃烧室内的滞留时间大大缩减，通常约为0.5ms，达到了燃料的特征反应时间，因此邓克尔准数Da接近于甚至小于1，因此很多燃料来不及反应就被排除室外，燃烧效率降低。(3)较大的燃烧热损失:随着尺度的减小，燃烧室的表面积体积比大大增加，相应的表面散热量也大大增加，从而影响燃烧效率。同时散热严重，会造成燃烧室温度降低，降低反应速度，增加反应时间，使得燃烧运行界限变窄，邓克尔数更小，燃烧效率降低。燃烧的不稳定性增强:随着尺度的减小，燃烧不稳定，甚至出现熄火现象。主要因为:表面积体积比增大，热损失增大，反应温度降低，延缓燃烧反应速率反应运行界限减小，反应延缓甚至停止；燃烧室体积减小，从而减小了燃料的停留时间，加大气体流速，短时间内可导致不反应而出现吹熄。反应过程产生许多中间产物，其中具有活性的自由基将会影响反应的连续性。大尺度下，自由基壁面消耗可以忽略，但在微尺度下，分子扩散到壁面的距离很短，单位时间与壁面的碰撞频率增加，因此自由基壁面消耗很大，对整体反应影响加大。
[0003]因此，本发明提出采用基于数字全息光镊的微颗粒燃料微燃烧控制系统，可以增加燃料在微燃烧芯片中的滞留时间，提高燃料的混合程度，实现微颗粒燃料在微燃烧芯片里燃烧，而且可以有效进行操控，提高燃烧的效率和燃料能量利用率。
【发明内容】
[0004]本发明为了解决使用液体或固体微颗粒燃料微燃烧系统中微燃烧有效控制及系统集成问题，提出了一种基于数字全息光镊的微颗粒群燃料微燃烧系统。
[0005]本发明采取的技术方案为:
基于数字全息光镊的微颗粒群燃料微燃烧系统包括第一激光驱动器、第一激光器、第一分光镜、第二激光器、衰减片、第二反光镜、准直透镜组、第一反光镜、空间光调制器、扩束镜组、第二分光镜、物镜、微颗粒群燃料、微燃烧芯片、第三分光镜、第三反光镜、CCD相机、红外摄像机、第一图像采集卡、第二图像采集卡、数据采集卡、计算机、氮气储气瓶、氧气储气瓶、第一流量计、第二流量计、缓冲罐、第一阀门、第二阀门、气相色谱质谱联用仪、第三阀门、真空泵、照明系统、载物台、压电陶瓷和压力表。
[0006]第一激光器发出的光经过第一分光镜入射到准直透镜组中对光路进行准直；然后经第一反光镜入射到空间光调制器中，空间光调制器反射的光经过扩束镜组扩束，扩束光束经第二分光镜反射至物镜聚焦于微颗粒群燃料上，微颗粒群燃料被捕获而均匀分布；第一激光器由第一激光驱动器驱动和控制；微颗粒群燃料被置于微燃烧芯片中。
[0007]第二激光器发出的光经衰减片、第二反光镜、准直透镜组、第一反光镜、空间光调制器、扩束镜组、第二分光镜、物镜到达微颗粒群燃料上，用于对光路进行辅助调节，确保微颗粒群燃料能够被准确捕获。
[0008]照明系统发出的光经微颗粒群燃料、载物台、微燃烧芯片、物镜、第二分光镜到达第三分光镜，经第三分光镜分光后，一束光进入CCD相机中，对微颗粒群燃料进行成像并观察燃料分布情况；另一束光经第三反光镜进入红外摄像机中，对微颗粒群燃料进行温度分布测试。
[0009]CXD相机经第一图像采集卡与计算机相连；红外摄像机经第二图像采集卡与计算机相连；根据微颗粒群燃料的位置分布和燃烧情况，计算机通过数据采集卡对第一激光驱动器和空间光调制器进行反馈控制。
[0010]氮气从氮气储气瓶经第一流量计进入缓冲罐,氧气从氧气储气瓶经第二流量计进入缓冲罐，氮气与氧气按照79:21的比例在缓冲罐中进行混合成为混合气。
[0011]混合气在未进入微燃烧芯片之前，先利用真空泵经第三阀门对微燃烧芯片抽真空；满足真空度要求后，混合气经第一阀门进入微燃烧芯片中，压力表检测微燃烧芯片中的压力；微颗粒群燃料在混合气气氛中被均匀捕获，通过调节第一激光驱动器的驱动电流提高第一激光器的输出功率，至微颗粒群燃料被点燃。
[0012]微颗粒群燃料发生燃烧后析出的挥发分和燃烧尾气经第二阀门进入气相色谱质谱联用仪中进行成分分析。
[0013]所述的微颗粒燃料为液体、固体、生物质颗粒或混合燃料；液体选用油或醇类，固体选用煤或金属，生物质颗粒选用稻草或秸杆。
[0014]所述载物台由压电陶瓷以设定的频率震荡，以使燃料不能沉积在载物台上。
[0015]本发明可通过数字全息技术和空间光调制器有效操控燃料的分布形态，实现微颗粒群燃料能够在微燃烧芯片中发生燃烧，而且可以有效改善微燃烧的组成方式，提高微燃烧的燃烧效率，为微型航空航天以及微型便携式设备提供动力和推进系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明的数字全息阵列光镊示意图；
图3为本发明的数字全息阵列光镊辅助调节光路示意图；
图4为本发明的微颗粒群燃料成像、检测和反馈控制示意图；
图5为本发明的微燃烧芯片系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]以下结合附图对本发明作进一步说明。
[0018]经典全息技术利用光的干涉原理，将物体发射的光波波前以干涉条纹的形式记录下来，达到冻结物光波相位信息的目的；利用光的衍射原理再现所记录物光波的波前，就能够得到物体的振幅(强度)和位相(包括位置、形状和色彩)信息，在光学检测和三维成像领域具有独特的优势。
[0019]数字全息是指用CCD成像器件代替普通照相干板来记录全息图，用数字计算方法再现；后来，数字全息的范围扩大到计算机制全息图，光电子再现全息图等，形成了更广义的数字全息。数字全息术从记录过程来看可以分为计算机制全息和像素全息两种:从再现过程分又可以分为计算机再现和光电子再现。
[0020]如图1所不:本实施例包括第一激光驱动器1、第一激光器2、第一分光镜3、第二激光器4、衰减片5、第二反光镜6、准直透镜组7、8、第一反光镜9、空间光调制器10、扩束镜组11、12、第二分光镜13、物镜14、微颗粒群燃料15、微燃烧芯片16、第三分光镜17、第三反光镜18、CCD相机19、红外摄像机20、第一图像采集卡21、第二图像采集卡22、数据采集卡
23、计算机24、氮气储气瓶25、氧气储气瓶26、第一流量计27、第二流量计28、缓冲罐29、第一阀门30、第二阀门31、气相色谱质谱联用仪32、第三阀门33、真空泵34、照明系统35、载物台36、压电陶瓷37、压力表38。
[0021]第一激光器2发出的光经过第一分光镜3入射到准直透镜组7、8中对光路进行准直。然后经第一反光镜9入射到空间光调制器10中，空间光调制器10反射的光经过扩束镜组11、12扩束，扩束光束经第二分光镜13反射至物镜14聚焦于微颗粒群燃料15上，微颗粒群燃料15被捕获而均匀分布。
[0022]空间光调制器10是一类能将信息加载于一维或两维的光学数据场上，以便有效的利用光的固有速度、并行性和互连能力的器件。这类器件可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或者把非相干光转化成相干光。本发明是利用空间光调制器的数字全息技术，通过控制空间光调制器的相位输出实现对微颗粒群燃料的某一种形式的空间分布。
[0023]本发明的【具体实施方式】中，空间调制器10采用向列式液晶光阀空间光调制器，包含许多由计算机控制的像素单元，通过施加电场，可以实时调整像素上液晶的取向，从而产生相应的相移，最终在光学捕获面上产生可实时控制光强分布的图案，其中每一个光点可以捕获一个微粒，具有捕获微粒群的能力。因此单光束通过空间调制器10后形成具有特性分布形式的多光束，多光束经过物镜14后形成阵列光镊。本发明中采用的数字全息光镊光路图见图2。
[0024]本发明采用数字记录和光学再现的方式实现数字全息光镊，通过软件生成全息图，然后读入到空间光调制器10中，用空间光调制器10代替传统光学全息中的再现介质。首先，设定并加载微颗粒群燃料15的分布信息，即读入燃料位置分布的图片，注意图片尺寸不要超过1024X 1024像素。通过设置虚拟光路的参数，如衍射距离、参考光夹角等，生成数字全息图。然后，根据说明书附图1的光路利用数字对全息图再现计算程序实现具有空间分布的多光束阵列光镊。调节空间调制器10上的偏振片的角度和空间调制器10与光路的夹角，获得最佳再现效果。
[0025]微颗粒群燃料15被置于微燃烧芯片16中。本发明系统中所使用的微颗粒群燃料15可以为液体(油、醇类)、固体(煤、金属)、生物质颗粒(稻草、秸杆)及混合燃料等。由于液体燃料、固体、生物质燃料及混合燃料，其燃料特性参数存在较大差异，因此需要实时反馈燃料空间分布给激光驱动器和空间光调制器进行有效调控。[0026]逐渐提高照射在微颗粒群燃料15上的激光功率，颗粒表面发生气化，有挥发分析出，当微颗粒燃料表面温度超过其着火点时，微颗粒燃料被点燃而发生燃烧反应。说明书附图2中，第一激光器2被第一激光驱动器I驱动和控制，因此为了实现微颗粒燃料点燃，第一激光器2的最高输出功率应达到数瓦。
[0027]本发明中第一激光器2的波长为不可见光，因此对于光路的调节需要采用辅助光路来进行，数字全息光镊辅助调节光路见说明书附图3。第二激光器4发出的光经衰减片
5、第二反光镜6、准直透镜组7、8、第一反光镜9、空间光调制器10、扩束镜组11、12、第二分光镜13、物镜14到达微颗粒群燃料15上，用于对光路进行辅助调节，确保微颗粒群燃料15能够被准确捕获。第二激光器4通常米用可见光氦氖激光器,波长632.8nm,功率为数毫瓦。
[0028]本发明中微颗粒群燃料15的成像、空间位置分布和温度分布测试图见说明书附图4。照明系统35发出的光经微颗粒群燃料15、载物台36、微燃烧芯片16、物镜14、第二分光镜13到达第三分光镜17，经第三分光镜17分光后，一束光进入CXD相机19中，对微颗粒群燃料15进行成像并观察燃料分布情况。另一束光经第三反光镜18进入红外摄像机20中，对微颗粒群燃料15进行温度分布测试。微燃烧芯片中，载物台36可由压电陶瓷37以一定的频率震荡，以使燃料不能沉积在载物台上。
[0029]同时采用计算机进行实时数据采集和反馈控制，其结构示意图见说明书附图4。CXD相机19经第一图像采集卡21与计算机24相连。红外摄像机20经第二图像采集卡22与计算机24相连。根据微颗粒群燃料15的位置分布和燃烧情况，通过数据采集卡23对第一激光驱动器I和空间光调制器10进行反馈控制。通过调节第一激光驱动器I的功率输出实现微颗粒群燃料15的稳定捕获，通过调节和变换空间光调制器10的多光束分布来实现微颗粒群燃料15不同形式的分布。
[0030]微燃烧芯片系统结构示意图见说明书附图5，氮气从氮气储气瓶25经第一流量计27进入缓冲罐29，氧气从氧气储气瓶26经第二流量计28进入缓冲罐29，氮气与氧气按照79:21的比例在缓冲罐29中进行混合成为混合气。
[0031]混合气在未进入微燃烧芯片16之前，先利用真空泵34经第三阀门33对微燃烧芯片16抽真空。满足真空度要求后，混合气经第一阀门30进入微燃烧芯片16中，压力表38检测微燃烧芯片16中的压力。
[0032]微颗粒群燃料15在混合气气氛中被均匀捕获，通过调节第一激光驱动器I的驱动电流提高第一激光器2的输出功率，至微颗粒群燃料15被点燃。
[0033]微颗粒群燃料15发生燃烧后析出的挥发分和燃烧尾气经第二阀门31进入气相色谱质谱联用仪32中进行成分分析。
【权利要求】
1.基于数字全息光镊的微颗粒群燃料微燃烧系统，其特征在于:包括第一激光驱动器(I)、第一激光器(2)、第一分光镜(3)、第二激光器(4)、衰减片(5)、第二反光镜(6)、准直透镜组(7、8)、第一反光镜(9)、空间光调制器(10)、扩束镜组(11、12)、第二分光镜(13)、物镜(14)、微颗粒群燃料(15)、微燃烧芯片(16)、第三分光镜(17)、第三反光镜(18)、CCD相机(19)、红外摄像机(20)、第一图像采集卡(21)、第二图像采集卡(22)、数据采集卡(23)、计算机(24)、氮气储气瓶(25)、氧气储气瓶(26)、第一流量计(27)、第二流量计(28)、缓冲罐(29)、第一阀门(30)、第二阀门(31)、气相色谱质谱联用仪(32)、第三阀门(33)、真空泵(34)、照明系统(35)、载物台(36)、压电陶瓷(37)和压力表(38)； 第一激光器(2)发出的光经过第一分光镜(3)入射到准直透镜组(7、8)中对光路进行准直；然后经第一反光镜(9)入射到空间光调制器(10)中，空间光调制器(10)反射的光经过扩束镜组(11、12)扩束，扩束光束经第二分光镜(13)反射至物镜(14)聚焦于微颗粒群燃料(15)上,微颗粒群燃料(15)被捕获而均勻分布；第一激光器(2)由第一激光驱动器(I)驱动和控制；微颗粒群燃料(15)被置于微燃烧芯片(16)中； 第二激光器4发出的光经衰减片(5)、第二反光镜(6)、准直透镜组(7、8)、第一反光镜(9)、空间光调制器(10)、扩束镜组(11、12)、第二分光镜(13)、物镜(14)到达微颗粒群燃料(15)上，用于对光路进行辅助调节，确保微颗粒群燃料(15)能够被准确捕获； 照明系统(35)发出的光经微颗粒群燃料(15)、载物台(36)、微燃烧芯片(16)、物镜(14)、第二分光镜(13)到达第三分光镜(17)，经第三分光镜(17)分光后，一束光进入CCD相机(19)中，对微颗粒群燃料(15)进行成像并观察燃料分布情况；另一束光经第三反光镜(18)进入红外摄像机(20)中，对微颗粒群燃料(15)进行温度分布测试； C⑶相机(19)经第一图像采集卡(21)与计算机(24)相连；红外摄像机(20)经第二图像采集卡(22)与计算机(24)相连；根据微颗粒群燃料(15)的位置分布和燃烧情况，计算机(24)通过数据采集卡(23)对第一激光驱动器(I)和空间光调制器(10)进行反馈控制； 氮气从氮气储气瓶(25)经第一流量计(27)进入缓冲罐(29)，氧气从氧气储气瓶(26)经第二流量计(28)进入缓冲罐(29)，氮气与氧气按照79:21的比例在缓冲罐(29)中进行混合成为混合气； 混合气在未进入微燃烧芯片(16)之前，先利用真空泵(34)经第三阀门(33)对微燃烧芯片(16)抽真空；满足真空度要求后，混合气经第一阀门(30)进入微燃烧芯片(16)中，压力表(38)检测微燃烧芯片(16)中的压力；微颗粒群燃料(15在混合气气氛中被均匀捕获，通过调节第一激光驱动器(I)的驱动电流提高第一激光器(2)的输出功率，至微颗粒群燃料(15)被点燃； 微颗粒群燃料(15)发生燃烧后析出的挥发分和燃烧尾气经第二阀门(31)进入气相色谱质谱联用仪(32)中进行成分分析。
2.根据权利要求1所述的基于数字全息光镊的微颗粒群燃料微燃烧系统，其特征在于:所述的微颗粒燃料为液体、固体、生物质颗粒或混合燃料；液体选用油或醇类，固体选用煤或金属，生物质颗粒选用稻草或秸杆。
3.根据权利要求1所述的基于数字全息光镊的微颗粒群燃料微燃烧系统，其特征在于:所述载物台由压电陶瓷以设定的频率震荡，以使燃料不能沉积在载物台上。
【文档编号】G01N21/84GK103454278SQ201310369495
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月22日 优先权日:2013年8月22日
【发明者】李盛姬, 黄雪峰 申请人:杭州电子科技大学