一种用于燃烧场测量的光纤阵列光学探头的制作方法
本发明属于流场光学测量技术领域，涉及可调谐半导体激光吸收光谱技术，特别涉及一种用于燃烧场测量的光纤阵列光学探头。
背景技术：
燃烧场诊断技术对航空航天、资源环境等领域意义十分重大，引起了世界各国的普遍关注和高度重视。具有非侵入式特性的激光测量技术逐渐受到人们的重视。利用光谱手段进行燃烧场诊断，不仅可以实现非侵入的原位探测，还具有时间分辨率高、多参数同时测量等显著优点，在燃烧场诊断等领域的应用越来越广泛。
可调谐二极管激光吸收光谱技术(tdlas)技术利用被测气体的组分对激光产生共振吸收，利用激光能量的衰减程度实现气体参数的测量。tdlas技术是一种视线测量技术，能够获得沿光线路径上的气体参量信息，结合计算机层析成像技术，还能够实现对光线所在截面的气体温度等流场信息的测量。
应用tdlas技术对对燃烧系统工作进程中的气体信息进行深入的研究分析，对于完善和优化燃烧系统、提高燃烧效率意义重大。美国stanford大学、美国空军研究实验室等单位先后利用tdlas技术在各种类型发动机、燃煤锅炉、气化炉等燃烧设施中开展工程化应用研究。为了实现tdlas技术在各种燃烧设施中的应用，需要合理的设计发射和接收传感器，其作用主要是将光纤传输的光束准直发射并捕获穿出流场的激光信号。
下述文献涉及到了发射和接收传感器的设计。
1、美国pennsylvaniastate大学的justin等人与美国推进工程研究中心合作，在火箭发动机燃烧室上安装了发射和接受传感器，实现了燃烧内气体温度和h2o摩尔分数的测量(justinml,sibtoshp,woodward,rd,etal..diodelaserabsorptionspectroscopymeasurementsinagaseoushydrogen/oxygenrocket[r].orlando:49thaiaaaerospacesciencesmeetingincludingthenewhorizonsforumandaerospaceexposition.2011,aiaa-2011-688.)。传感器安装在发动机的燃烧室侧壁上，在壁面上开有1.5英寸厚的窗口，用于安装发射和接收传感器。发射传感器包括准直器、调节架和蓝宝石窗口，能够实现微小角度的调节，传感器表面装有2°倾斜角、0.16英寸厚的蓝宝石窗口，并利用o型环密封。发射和接受传感器结构类似。该类型传感器能够实现单路光束的传输，具有耐高压等特点，然而整体尺寸较大，实现多路光束测量时安装难度较大。
2、美国stanford大学的hanson等人与pratt&whitney公司合作，在pw6000航空发动机上开展了基于tdlas技术的质量流量测量(lylekh,jeffriesjbandhansonrk.diodelasersensorforairmassfluxbasedonoxygenabsorption2:non-uniformflowmodelingandaero-enginetests[j].aiaajournal,2007,45.)。发射端和接收端传感器安装在压力探针孔处。发射传感器安装在多轴调整架上，可进行较小角度的二维调节，接收传感器利用聚焦面镜聚焦穿过流场的激光光束，而后利用探测器探测。该类型传感器的主要不足之处是传感器的安装调试难度较大，还需要严格的热防护措施。
3、stanford大学的hanson实验室与utah大学合作，在气流床煤气化炉上设计了发射和接受传感器，实现了炉膛内流场参数的测量(surr,sunk,jeffriesjb,etal..scanned-wavelength-modulation-spectroscopysensorforco,co2,ch4andh2oinahigh-pressureengineering-scaletransport-reactorcoalgasifier[j].fuel,2015,150.)。发射端传感器包括单模光纤、75mm焦距的平凸caf2透镜和多孔光缆。将单模光纤、75mm焦距的平凸caf2透镜耦合到光缆上，调整透镜与光纤输出端之间的距离可使光纤输出端位于透镜的焦平面上，实现不同激光束的准直。接收端传感器主要包括50mm焦平凸caf2透镜和可调增益探测器。激光穿过流场后，经平凸透镜后由探测器接收。该类型传感器将多个单模光纤耦合到多孔光缆上，能够实现少量激光光束的测量，然后发射传感器包括将单模光纤和caf2透镜耦合到一起，调整透镜与光纤输出端之间的距离可使光纤输出端位于透镜的焦平面上，操作起来比较复杂，通用性也不强。
技术实现要素：
本发明的目的是设计一种能够实现多路光束同时测量的阵列传感器，具有较强的通用性，能够实现基于tdlas技术的空间高分辨率测量。
本发明提供了一种用于燃烧场测量的光纤阵列光学探头，包括发射端传感器和接收端传感器两部分，其特征在于：
发射端传感器包含一个单模光纤阵列、两个光纤盖板、两个光纤法兰、一个透镜仓、一个一体化透镜阵列、一个蓝宝石窗口和两个修切垫。其中单模光纤阵列(1)包含16束单模光纤，单模光纤一端为仅保留
接收端传感器机械部件与发射端传感器类似，区别在于光纤类型不同，前者为多模光纤阵列，后者为单模光纤阵列，其余元件可以通用。
本发明的优势是：
1)高分辨率测量。采用一体化透镜阵列，能够同时实现16束激光光束的测量，能够实现流场空间中高分辨率的测量；
2)结构紧凑。将传输光纤、透镜阵列和保护窗口一起设计，传感器部件结构紧凑，整体空间较小；
3)通用性强。发射和接收传感器的轴向均与壁面垂直，且具有相同的壁面接口尺寸，具有较强的通用性。
4)装调简单方便。发射和接收传感器均采用一体化模块，可以实现16路光束的整体调节。
附图说明
图1发射端/接收端传感器示意图；
图2一体化透镜阵列轮廓图；
具体实施方式
结合附图对光纤阵列光学探头做进一步详细描述。图1给出了发射端/接收端传感器示意图。
传感器采用模块化设计，尽可能实现发射和接收传感器内组件的互换性，以及实现多光束的光学对准能力。
为了实现多光束的同时测量，同时尽可能的使结构更为紧凑，抛弃了单个透镜方式，采用一体化的透镜阵列，合理设计传感器的结构，分别将单模光纤和多模光纤耦合到传感器中。这种设计结构除了光纤，其他所用部件类似，便于部件的通用性，同时有效减小了传感器的尺寸。发射和接收端传感器中透镜阵列的作用类似，发射端传感器将16路单模光纤发出的激光光束分别准直发射进入被测流场，接收端传感器将穿过流场的16束激光聚焦耦合进入多模光纤。发射和接收端传感器都具有一定角度的调节和锁紧功能，使得激光器发出的激光光束穿过流场后能够准确的由接收端传感器接收。
发射端传感器和接收端传感器的主要差别在于所用光纤不同，下面以发射端传感器为例进行叙述。
发射端传感器包含一个单模光纤阵列、两个光纤盖板、两个光纤法兰、一个透镜仓、一个一体化透镜阵列、一个蓝宝石窗口和两个修切垫。其中单模光纤阵列(1)包含16束单模光纤，单模光纤一端为仅保留
接收端传感器机械部件与发射端传感器类似，区别在于光纤类型不同，前者为多模光纤阵列，后者为单模光纤阵列，其余元件可以通用；
本发明的一种用于燃烧场测量的光纤阵列光学探头的设计步骤是：
步骤一、阵列光学探头腔体的设计
具有用于安装阵列光学探头的安装槽的结构称为阵列光学探头腔体，该腔体为矩形内空形结构，选用优质不锈钢材料，腔体内的安装槽为矩形，长90mm，宽28mm，深20mm，四角有半径为1.5mm的倒角。
步骤二、一体化透镜阵列的设计
为了实现16路光束的整体调试，选用一体化透镜阵列。一体化透镜阵列为线性排列、共有16个子单元，由长82mm、宽5mm、厚3mm的硒化锌材料一次车削而成，加工面型精度pv值小于1.5μm，表面粗糙度6nm左右，两个透光面镀1300nm-1500nm的高透膜，反射比小于1％；透镜中心距为5mm，有效通光孔径为3.6mm。透镜压板长88mm，宽10mm，高3mm，4角开有
步骤三、光纤的选型
发射端和接收端传感器功能不同，所用光纤也不同。单模光纤芯径十分小，在光纤出口处仍然保持高斯光束包络，不存在模式噪声问题，主要用于发射端传感器中。多模光纤芯径较大，可提供许多发射角度，每个角度使光传播在单独模式中，主要用于接收端传感器中。单模光纤选用thorlabs公司的pm1300-hp-custom)，光纤芯径为9μm，数值孔径为0.12；多模光纤采用thorlabs公司的ft400emt-custom，光纤芯径为400μm，数值孔径为0.39±0.02。
步骤四、保护窗口的设计
在发射端或接收端传感器的底端设计了保护窗口。保护窗口采用蓝宝石，蓝宝石窗口两个透光面均为矩形，外侧透光面长88mm，宽12mm；内侧透光面长88mm，宽10mm，两透光面间距为5mm；内侧透光面具有2°倾角，用于防止干涉现象的发生，每个透光面均镀有高透膜，每个面的反射比小于0.01；蓝宝石窗口使用窗口压板压紧，窗口压板外侧长90mm，宽22mm，高4mm，4角开有直径2.5mm的螺纹孔，压板中间具有凹形槽，长88mm，宽6mm，高3mm。
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