一种单颗微粒燃料微燃烧、气化悬浮、成像及检测系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种单颗微粒燃料微燃烧、气化悬浮、成像及检测系统。目前，基于微燃烧的微能源系统所使用的燃料普遍为气体燃料，但气体燃料不易存储、携带。本实用新型包括第一激光驱动器、第一激光器、第二激光驱动器、第二激光器、第一反光镜、第一分光镜、倒置望远镜、第二分光镜、高倍物镜、微颗粒燃料、微燃烧芯片、三维电动位移平台、聚光镜、第三分光镜、可变光阑、集光镜、光源、第一透镜、滤光片、四象限探测器、第二透镜、第三分光镜、CCD相机、第二反光镜和红外摄像机。本实用新型采用全光学式颗粒悬浮定位、点燃以及测试方法，对颗粒微燃烧和气化进行无干扰式测试，最能反映微燃烧和气化真实性，还原其本质，有效揭示其机理。
【专利说明】一种单颗微粒燃料微燃烧、气化悬浮、成像及检测系统【技术领域】
[0001]本实用新型属于微燃烧【技术领域】，涉及一种单颗微粒燃料微燃烧、气化悬浮、成像及检测系统。
【背景技术】
[0002]随着微电机械系统(MEMS)技术的发展，因能满足可携带电子设备的长时间供电和微小型航空航天设备高性能动力源和电源的需求，微能源系统的研究引起了广泛的重视，如微/纳卫星、微飞行器、“陆军勇士”单兵作战系统、机器蚂蚁、移动式电子设备微能源系统等。传统微能源系统大多基于微锂电池组进行供电，但锂电池组供电存在诸多不足:能量密度较低、供电时间较短、重复使用时充电时间较长等，因此难以满足新型微能源系统体积小、重量轻、能量密度高、不间断长时间供电等的要求。
[0003]1996年，由MIT的Epstein和Senturia首次提出新型微能源系统“Power MEMS”，可产生电能20W和推力0.125N。而后“Power MEMS”扩展到微燃料电池、微型核电池、微型热机系统等。
[0004]微燃料电池具有操作温度低(80~100°C )效率较高(20~30%)的优势，但系统极其复杂，尤其是燃料转化器等。微型核电池具有供电时间长(衰变50年)、受干扰小的优势，但有供能低(数mW)，放射源不安全、衰变控制难、微型化难等问题。微型热机是通过微尺度燃烧将燃料化学能转换为热能，再转换为电能或者推力的一种微能源系统，包括微热电系统、微热光伏系统、微燃烧透平/发动(电)机系统。这三种微型热机系统各自具有优缺点，但每个系统都需要对燃料进行微燃烧。
[0005]目前，基于微燃烧的微能源系统所使用的燃料普遍为气体燃料，因为气体燃料的燃烧热值高，易于点燃，假设能量转换效率为20%，气体燃料燃烧能量密度也能达到2000ff-hr/Kg以上。但气体燃料不易存储、携带，对于微型航空航天设备以及便携式设备而言是一个较大的问题。因此存 在一个疑问:微燃烧燃料能否使用液体或固体微颗粒燃料？
[0006]如果使用液体或固体微颗粒燃料，如何对微燃烧进行有效操控？如何集成微燃烧系统？
[0007]本实用新型采用全光学式颗粒悬浮定位、点燃成像，以及对微颗粒燃料微燃烧进行无干扰式测试，最能反映微燃烧和气化真实性，还原其本质，有效揭示其机理，可作为标准性燃烧和气化测试方法。
【发明内容】
[0008]本实用新型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，提出了一种单颗微粒燃料微燃烧、气化悬浮、点燃、成像及检测系统。
[0009]本实用新型采取的技术方案为:
[0010]单颗微粒燃料微燃烧、气化悬浮、点燃、成像及检测系统，包括第一激光驱动器、第一激光器、第二激光驱动器、第二激光器、第一反光镜、第一分光镜、倒置望远镜、第二分光镜、高倍物镜、微颗粒燃料、微燃烧芯片、三维电动位移平台、聚光镜、第三分光镜、可变光阑、集光镜、光源、第一透镜、滤光片、四象限探测器、第二透镜、第三分光镜、C⑶相机、第二反光镜和红外摄像机。
[0011]第一激光器发出的光通过第一分光镜、倒置望远镜、第二分光镜和高倍物镜形成聚焦光斑来悬浮微颗粒燃料；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燃料点燃；微粒燃烧发出的红外辐射光通过高倍物镜、第二分光镜、第二透镜、第三分光镜、第二反光镜到达红外摄像机进行成像和微粒温度分布检测；所述的微颗粒燃料放置于微燃烧芯片中。
[0012]第二激光器发出的光通过第一反光镜、第一分光镜、倒置望远镜、第二分光镜、高倍物镜、微颗粒燃料、微燃烧芯片、聚光镜、第三分光镜、第一透镜、滤光片到达四象限探测器，获得微颗粒燃料的位置，第二激光器由第二激光驱动器驱动和控制。
[0013]光源发出的光通过集光镜、可变光阑、第三分光镜、聚光镜对微燃烧芯片进行均勻照明；照明光通过高倍物镜、第二分光镜、第二透镜、第三分光镜到达CXD相机进行成像、微粒形状和粒径检测。
[0014]本实用新型采用全光学式颗粒悬浮定位、点燃以及测试方法，对颗粒微燃烧和气化进行无干扰式测试，最能反映微燃烧和气化真实性，还原其本质，有效揭示其机理，可作为标准性燃烧和气化测试方法，克服现有微燃烧和气化机理研究的难题。该技术不仅能应用于能源领域，而且可用于环境化学、生命科学、生物医药和航空航天等诸多领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本实用新型的系统结构示意图；
[0016]图2为本实用新型的单颗微粒燃料悬浮和点燃示意图；
[0017]图3为本实用新型的微颗粒燃料的位置测试示意图；
[0018]图4为本实用新型的微颗粒燃料及微燃烧芯片照明示意图；
[0019]图5为本实用新型的微颗粒燃料形状、粒径和温度分布测试示意图。
【具体实施方式】
[0020]以下结合附图对本实用新型作进一步说明。
[0021]如图1所示:本实施例主要包括第一激光驱动器1、第一激光器2、第二激光驱动器
3、第二激光器4、第一反光镜5、第一分光镜6、倒置望远镜7、8、第二分光镜9、高倍物镜10、微颗粒燃料11、微燃烧芯片12、三维电动位移平台13、聚光镜14、第三分光镜15、可变光阑16、集光镜17、光源18、第一透镜19、滤光片20、四象限探测器21、第二透镜22、第三分光镜23、CXD相机24、第二反光镜25和红外摄像机26。
[0022]第一激光器2发出的光通过第一分光镜6、倒置望远镜7、8、第二分光镜9和高倍物镜10形成聚焦光斑来悬浮微颗粒燃料11，微颗粒燃料11放置于设计加工的微燃烧芯片12中，微燃烧芯片12由三维电动位移平台13控制，精确改变微颗粒燃料11与光束的相对位置。微颗粒燃料11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。微颗粒燃料悬浮及点燃示意图见说明书附图2。微颗粒燃料11在悬浮、燃烧和气化过程中的受力包括激光辐射力、光泳力、热泳力、曳力、热流逸力、布朗力、重力和浮力等，其分析如下。
[0023]激光辐射力:在激光作用下，光子碰撞颗粒而发生方向改变，从而导致动量变化，根据动量守恒定律和牛顿第二定律，颗粒受到光子碰撞产生的作用力。激光辐射力的表达
式为:
【权利要求】
1.一种单颗微粒燃料微燃烧、气化悬浮、成像及检测系统，其特征在于:包括第一激光驱动器(I)、第一激光器(2)、第二激光驱动器(3)、第二激光器(4)、第一反光镜(5)、第一分光镜(6)、倒置望远镜(7、8)、第二分光镜(9)、高倍物镜(10)、微颗粒燃料(11)、微燃烧芯片(12)、三维电动位移平台(13)、聚光镜(14)、第三分光镜(15)、可变光阑(16)、集光镜(17)、光源(18)、第一透镜(19)、滤光片(20)、四象限探测器(21)、第二透镜(22)、第三分光镜(23)、CCD相机(24)、第二反光镜(25)和红外摄像机(26)； 第一激光器(2)发出的光通过第一分光镜(6)、倒置望远镜(7、8)、第二分光镜(9)和高倍物镜(10)形成聚焦光斑来悬浮微颗粒燃料(11);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燃料(11)点燃；微粒燃烧发出的红外辐射光通过高倍物镜(10)、第二分光镜(9)、第二透镜(22)、第三分光镜(23)、第二反光镜(25)到达红外摄像机(26)进行成像和微粒温度分布检测；所述的微颗粒燃料(11)放置于微燃烧芯片(12)中； 第二激光器(4)发出的光通过第一反光镜(5)、第一分光镜(6)、倒置望远镜(7、8)、第二分光镜(9)、高倍物镜(10)、微颗粒燃料(11)、微燃烧芯片(12)、聚光镜(14)、第三分光镜(15)、第一透镜(19)、滤光片(20)到达四象限探测器(21)，获得微颗粒燃料(11)的位置，第二激光器(4)由第二激光驱动器(3)驱动和控制； 光源(18)发出的光通过集光镜(17)、可变光阑(16)、第三分光镜(15)、聚光镜(14)对微燃烧芯片(12)进行均匀照明；照明光通过高倍物镜(10)、第二分光镜(9)、第二透镜(22)、第三分光镜(23)到达CCD相机(`24)进行成像、微粒形状和粒径检测。
【文档编号】G01N15/02GK203465172SQ201320517212
【公开日】2014年3月5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