一种高温高压下气态物种浓度和温度的光谱检测系统的制作方法

本实用新型属激光燃烧诊断技术领域，具体涉及一种高温高压下气态物种浓度和温度的光谱检测系统。

背景技术：

高效清洁燃烧是人类重要的研究课题之一。无论是发动机(包括航空航天发动机、交通运输发动机等)中的各种燃料的燃烧，还是供电供热的煤燃烧系统、基础研究用的各种燃烧器的燃烧等等，都需要通过各种先进的燃烧诊断技术手段来探索进一步改善燃烧状况的途径和方法。由于一些燃烧体系的封闭性、瞬变性、爆炸恶劣性等问题，人们很难直接观测到这些环境中的燃烧状态，更难获取燃烧室内的各种物种的浓度、温度和速度的微观物理信息，有时仅依赖于燃烧理论数值模拟计算，但缺乏实验验证。随着科技的发展，各种激光燃烧诊断技术无疑为诊断燃烧过程提供了可能性。

通过激光自发振动拉曼散射，可以实现复杂燃烧环境下的主要物种的浓度(摩尔分数)和区域温度的检测，并具有非接触性、同步性、时间(纳秒级)和空间(毫秒)分辨能力。目前它已经广泛应用于如内燃机缸内或某封闭或大气环境下的燃烧体系内，通过具有拉曼活性的气态物种(氮气、氧气、二氧化碳、碳氢燃料、氢气、一氧化碳等)的自发振动斯托克斯拉曼光谱信号，来获取气体摩尔分数测量，以及通过氮气的自发振动斯托克斯和反斯托克斯拉曼光谱信号，来获取局部空间上的温度的同步定量测量。这些光学测量结果与数值模拟计算结果互相验证和补充，为燃烧理论和燃烧试验提供基础数据。

但目前这项技术较多的应用于1000K温度以下的燃烧环境。当高于这个温度后，气态物种的自发振动斯托克斯和反斯托克斯拉曼光谱就具有温度依赖性了。也就是说，各物种的光谱形状会随着高温的变化而发生变化，这样从光谱形状(高度或面积)来定义光谱强度及接下来的摩尔分数和温度的计算结果就不准确了，或者说计算误差要大于5％，甚至更高。另一个技术问题是气态物种的自发拉曼信号极弱(与激光能量之比约10^-14)，给定量测量带来困难。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种利用激光瑞利散射测温技术结合激光自发振动拉曼散射测量摩尔分数技术，通过温度和摩尔分数的逐步迭代计算的方法，以及在激光器出口加装了可调节旋转位置的一个线偏振1/2波片，利用气态拉曼信号的激光偏振特性，最大化拉曼信号强度，从而实现1000K温度以上燃烧环境的摩尔分数和区域温度的光谱检测。

本实用新型由高温高压燃烧系统Ⅱ、激光器系统Ⅲ、工控机Ⅳ、瑞利成像系统Ⅴ、拉曼成像系统Ⅵ、显示器1、电荷放大器2、激光收集器3和脉冲延迟发生器5组成，所述的工控机Ⅳ内设有高速数据采集卡19、瑞利ICCD相机采集卡20、同步采集卡21和拉曼ICCD相机采集卡22。脉冲延迟发生器5上设有同步TTL电平输出通道端口Ⅰf、同步TTL电平输出通道端口Ⅱg、同步TTL电平输出通道端口Ⅲh和同步TTL电平输出通道端口Ⅳi。脉冲延迟发生器5的同步TTL电平输出通道端口Ⅰf与拉曼成像系统Ⅵ中拉曼ICCD相机28的外同步触发输入端口e连接。拉曼成像系统Ⅵ中拉曼ICCD相机28的数据输出端口d与工控机Ⅳ的拉曼ICCD相机采集卡22连接。拉曼成像系统Ⅵ中拉曼ICCD相机28的触发输出端口c与激光器系统Ⅲ中激光控制器18的Q开关外触发TTL电平输入端口b连接。瑞利成像系统Ⅴ中瑞利ICCD相机24的数据输出端口j与工控机Ⅳ的瑞利ICCD相机采集卡20连接。脉冲延迟发生器5的同步TTL电平输出通道端口Ⅱg与激光器系统Ⅲ中激光控制器18的泵浦灯外触发TTL电平输入端口a连接。脉冲延迟发生器5的同步TTL电平输出通道端口Ⅲh与工控机Ⅳ的同步采集卡21连接。脉冲延迟发生器5的同步TTL电平输出通道端口Ⅳi与瑞利成像系统Ⅴ中瑞利ICCD相机24的外同步触发TTL电平输入端口k连接。

激光器系统Ⅲ中激光发射器13、线偏振1/2波片14、纳秒级激光脉冲展宽器15和聚焦镜16置于高温高压燃烧系统Ⅱ中石英玻窗口Ⅰ7的正前方，激光收集器3置于高温高压燃烧系统Ⅱ中石英玻窗口Ⅲ11的正后方，且激光发射器13发射的激光束17贯穿线偏振1/2波片14、纳秒级激光脉冲展宽器15、聚焦镜16、石英玻窗口Ⅰ7和石英玻窗口Ⅲ11中心，并由激光收集器3接收；激光控制器18与激光发射器13之间用专用电缆连接。

显示器1置于工控机Ⅳ上。壳体6中的压力传感器8经电荷放大器2与工控机Ⅳ的高速数据采集卡19连接。壳体6中的温度传感器9与工控机Ⅳ的高速数据采集卡19连接。瑞利成像系统Ⅴ的激光衰减片23和瑞利ICCD相机24置于高温高压燃烧系统Ⅱ中石英玻窗口Ⅱ10的正右方。拉曼成像系统Ⅵ的拉曼收集透镜25负窄带激光波长滤光片26置于高温高压燃烧系统Ⅱ中石英玻窗口Ⅳ12的正左方。

所述的高温高压燃烧系统Ⅱ由加温加压系统4、壳体6、压力传感器8和温度传感器9组成，其中壳体6为长方体形，壳体6前部设有石英玻窗口Ⅰ7，壳体6右部设有石英玻窗口Ⅱ10，壳体6后部设有石英玻窗口Ⅲ11，壳体6左部设有石英玻窗口Ⅳ12；压力传感器8和温度传感器9左右排列，固接于壳体6的石英玻窗口Ⅰ6右侧，并与高温高压燃烧系统内腔Ⅰ连通，加温加压系统4与高温高压燃烧系统内腔Ⅰ连通。

所述的激光器系统Ⅲ由激光发射器13、线偏振1/2波片14、纳秒级激光脉冲展宽器15、聚焦镜16和激光控制器18组成，激光发射器13、线偏振1/2波片14、纳秒级激光脉冲展宽器15和聚焦镜16自前至后顺序排列，且激光发射器13、线偏振1/2波片14、纳秒级激光脉冲展宽器15和聚焦镜16的中心线重合。

激光控制器18上设有泵浦灯外触发TTL电平输入端口a和Q开关外触发TTL电平输入端口b；激光发射器12由激光控制器18控制。

所述的瑞利成像系统Ⅴ由激光衰减片23和瑞利ICCD相机24组成，激光衰减片23和瑞利ICCD相机24为左右排列，且激光衰减片23置于瑞利ICCD相机24镜头的正前方；瑞利ICCD相机24上设有数据输出端口j和外同步触发TTL电平输入端口k。

所述的拉曼成像系统Ⅵ由拉曼收集透镜25、负窄带激光波长滤光片26、拉曼光谱仪27和拉曼ICCD相机28组成，其中拉曼ICCD相机28上设有触发输出端口c、数据输出端口d和外同步触发输入端口e。拉曼ICCD相机28安装在拉曼光谱仪27的光谱输出口上，且拉曼ICCD相机28的纵向空间分辨轴与拉曼光谱仪27中的光栅刻线及入口狭缝高度方向一致。负窄带激光波长滤光片26和拉曼收集透镜25自左至右置于拉曼光谱仪27右侧的入口狭缝正前方。

本实用新型可实现高温(大于1000K)高压下的物种摩尔分数和温度高精度定量检测。

附图说明

图1为高温高压下气态物种浓度和温度的光谱检测系统的结构示意图

图2为高温高压燃烧系统Ⅱ结构示意图

图3为激光器系统Ⅲ的结构示意图

图4为工控机Ⅳ的结构示意图

图5为瑞利成像系统Ⅴ的结构示意图

图6为拉曼成像系统Ⅵ的结构示意图

图7为时序图

其中：Ⅰ.高温高压燃烧系统内腔 Ⅱ.高温高压燃烧系统 Ⅲ.激光器系统 Ⅳ.工控机 Ⅴ.瑞利成像系统 Ⅵ.拉曼成像系统 1.显示器 2.电荷放大器 3.激光收集器 4.加温加压系统 5.脉冲延迟发生器 6.壳体 7.石英玻窗口Ⅰ 8.压力传感器 9.温度传感器 10.石英玻窗口Ⅱ 11.石英玻窗口Ⅲ 12.石英玻窗口Ⅳ 13.激光发射器 14.线偏振1/2波片 15.纳秒级激光脉冲展宽器 16.聚焦镜 17.激光束 18.激光控制器 19.高速数据采集卡 20.瑞利ICCD相机采集卡 21.同步采集卡 22.拉曼ICCD相机采集卡 23.激光衰减片 24.瑞利ICCD相机 25.拉曼收集透镜 26.负窄带激光波长滤光片 27.拉曼光谱仪 28.拉曼ICCD相机 a.泵浦灯外触发TTL电平输入端口 b.Q开关外触发TTL电平输入端口 c.触发输出端口 d.数据输出端口 e.外同步触发输入端口 f.同步TTL电平输出通道端口Ⅰ g.同步TTL电平输出通道端口Ⅱ h.同步TTL电平输出通道端口Ⅲ i.同步TTL电平输出通道端口Ⅳ j.数据输出端口 k.外同步触发TTL电平输入端口 q.激发线

具体实施方式

如图1和图4所示，本实用新型由高温高压燃烧系统Ⅱ、激光器系统Ⅲ、工控机Ⅳ、瑞利成像系统Ⅴ、拉曼成像系统Ⅵ、显示器1、电荷放大器2、激光收集器3和脉冲延迟发生器5组成，所述的工控机Ⅳ内设有高速数据采集卡19、瑞利ICCD相机采集卡20、同步采集卡21和拉曼ICCD相机采集卡22。脉冲延迟发生器5上设有同步TTL电平输出通道端口Ⅰf、同步TTL电平输出通道端口Ⅱg、同步TTL电平输出通道端口Ⅲh和同步TTL电平输出通道端口Ⅳi。脉冲延迟发生器5的同步TTL电平输出通道端口Ⅰf与拉曼成像系统Ⅵ中拉曼ICCD相机28的外同步触发输入端口e连接。拉曼成像系统Ⅵ中拉曼ICCD相机28的数据输出端口d与工控机Ⅳ的拉曼ICCD相机采集卡22连接。拉曼成像系统Ⅵ中拉曼ICCD相机28的触发输出端口c与激光器系统Ⅲ中激光控制器18的Q开关外触发TTL电平输入端口b连接。瑞利成像系统Ⅴ中瑞利ICCD相机24的数据输出端口j与工控机Ⅳ的瑞利ICCD相机采集卡20连接。脉冲延迟发生器5的同步TTL电平输出通道端口Ⅱg与激光器系统Ⅲ中激光控制器18的泵浦灯外触发TTL电平输入端口a连接。脉冲延迟发生器5的同步TTL电平输出通道端口Ⅲh与工控机Ⅳ的同步采集卡21连接。脉冲延迟发生器5的同步TTL电平输出通道端口Ⅳi与瑞利成像系统Ⅴ中瑞利ICCD相机24的外同步触发TTL电平输入端口k连接。激光器系统Ⅲ中激光发射器13、线偏振1/2波片14、纳秒级激光脉冲展宽器15和聚焦镜16置于高温高压燃烧系统Ⅱ中石英玻窗口Ⅰ7的正前方，激光收集器3置于高温高压燃烧系统Ⅱ中石英玻窗口Ⅲ11的正后方，且激光发射器13发射的激光束17贯穿线偏振1/2波片14、纳秒级激光脉冲展宽器15、聚焦镜16、石英玻窗口Ⅰ7和石英玻窗口Ⅲ11中心，并由激光收集器3接收；激光控制器18与激光发射器13之间用专用电缆连接。显示器1置于工控机Ⅳ上。壳体6中的压力传感器8经电荷放大器2与工控机Ⅳ的高速数据采集卡19连接。壳体6中的温度传感器9与工控机Ⅳ的高速数据采集卡19连接。瑞利成像系统Ⅴ的激光衰减片23和瑞利ICCD相机24置于高温高压燃烧系统Ⅱ中石英玻窗口Ⅱ10的正右方。拉曼成像系统Ⅵ的拉曼收集透镜25负窄带激光波长滤光片26置于高温高压燃烧系统Ⅱ中石英玻窗口Ⅳ12的正左方。

如图2所示，所述的高温高压燃烧系统Ⅱ由加温加压系统4、壳体6、压力传感器8和温度传感器9组成，其中壳体6为长方体形，壳体6前部设有石英玻窗口Ⅰ7，壳体6右部设有石英玻窗口Ⅱ10，壳体6后部设有石英玻窗口Ⅲ11，壳体6左部设有石英玻窗口Ⅳ12；压力传感器8和温度传感器9左右排列，固接于壳体6的石英玻窗口Ⅰ6右侧，并与高温高压燃烧系统内腔Ⅰ连通，加温加压系统4与高温高压燃烧系统内腔Ⅰ连通。

如图3所示，所述的激光器系统Ⅲ由激光发射器13、线偏振1/2波片14、纳秒级激光脉冲展宽器15、聚焦镜16和激光控制器18组成，激光发射器13、线偏振1/2波片14、纳秒级激光脉冲展宽器15和聚焦镜16自前至后顺序排列，且激光发射器13、线偏振1/2波片14、纳秒级激光脉冲展宽器15和聚焦镜16的中心线重合。激光控制器18上设有泵浦灯外触发TTL电平输入端口a和Q开关外触发TTL电平输入端口b；激光发射器12由激光控制器17控制。

如图5所示，所述的瑞利成像系统Ⅴ由激光衰减片23和瑞利ICCD相机24组成，激光衰减片23和瑞利ICCD相机24为左右排列，且激光衰减片23置于瑞利ICCD相机24镜头的正前方；瑞利ICCD相机24上设有数据输出端口j和外同步触发TTL电平输入端口k。

如图6所示，所述的拉曼成像系统Ⅵ由拉曼收集透镜25、负窄带激光波长滤光片26、拉曼光谱仪27和拉曼ICCD相机28组成，其中拉曼ICCD相机28上设有触发输出端口c、数据输出端口d和外同步触发输入端口e。拉曼ICCD相机28安装在拉曼光谱仪27的光谱输出口上，且拉曼ICCD相机28的纵向空间分辨轴与拉曼光谱仪27中的光栅刻线及入口狭缝高度方向一致。负窄带激光波长滤光片26和拉曼收集透镜25自左至右置于拉曼光谱仪27右侧的入口狭缝正前方。

本实用新型的具体连接过程和要求如下：

本实用新型中将激光器系统Ⅲ、工控机Ⅳ、瑞利成像系统Ⅴ、拉曼成像系统Ⅵ、激光收集器3和脉冲延迟发生器5放置于同一水平面的光学平台上。在光学平台的中央布置高温高压燃烧系统Ⅱ。聚焦镜16、纳秒级激光脉冲展宽器15、线偏振1/2波片14、激光发射器13和激光控制器18依次放置在高温高压燃烧系统Ⅱ的石英玻窗口Ⅰ7前侧。拉曼收集透镜25、负窄带激光波长滤光片26、拉曼光谱仪27和拉曼ICCD相机依次放置在高温高压燃烧系统Ⅱ的石英玻窗口Ⅳ12左侧；拉曼光谱仪27的入口狭缝的高度方向与激光束17平行。激光收集器3放置在高温高压燃烧系统Ⅱ的石英玻窗口Ⅲ11后侧。激光衰减片23、瑞利ICCD相机24依次放置在高温高压燃烧系统Ⅱ的石英玻窗口Ⅱ10右侧。

用专用电缆分别连接：脉冲延迟发生器5的同步TTL电平输出通道端口Ⅰf至拉曼ICCD相机28的外同步触发输入端口e；脉冲延迟发生器5的同步TTL电平输出通道端口Ⅱg至激光控制器18的泵浦灯外触发TTL电平输入端口a；脉冲延迟发生器5的同步TTL电平输出通道端口Ⅲh至同步采集卡21的输入端口；脉冲延迟发生器5的同步TTL电平输出通道端口Ⅳi至瑞利ICCD相机24的外同步触发TTL电平输入端口k；拉曼ICCD相机28的触发输出端口c至激光控制器18的Q开关外触发TTL电平输入端口b；拉曼ICCD相机28的数据输出端口d至拉曼ICCD相机采集卡22的输入端口；瑞利ICCD相机24的数据输出端口j至瑞利ICCD相机采集卡20的输入端口；压力传感器8的电荷输出端口至电荷放大器2的输入端口；电荷放大器2的输出端口至高速数据采集卡19的压力输出端口；高温传感器9的输出端口至高速数据采集卡19的温度输入端口。

初步调整各光学器件中心高度：使得激光发射器13激光出口、线偏振1/2波片14、纳秒级激光脉冲展宽器15、聚焦镜16、石英玻窗口Ⅰ7和石英玻窗口Ⅲ11、激光收集器3、拉曼收集透镜25、负窄带激光波长滤光片26、拉曼光谱仪27的入口狭缝、激光衰减片23和瑞利ICCD相机24的轴向中心在同一水平面内；拉曼收集透镜25、负窄带激光波长滤光片26和拉曼光谱仪27的入口狭缝的中心形成的轴向中心线与激光衰减片23和瑞利ICCD相机24的中心所形成的轴向中心线同轴，并与激光发射器13激光出口、线偏振1/2波片14、纳秒级激光脉冲展宽器15、聚焦镜16、石英玻窗口Ⅰ7和石英玻窗口Ⅲ11、激光收集器3形成的轴向中心线互相垂直相交。

所有设备通电并预热，设置各仪器旋钮位置，输入仪器各测量参数，进入工控机Ⅳ上的主控程序。

精确调整各光学器件中心多维度位置：激光发射器13出射调试用的低能量的532nm(纳米)可见光激光束17，通过拉曼ICCD相机28和瑞利ICCD相机24的实时成像功能模式，同步测量激发线q。微调所有设备和镜架的高度、左右和前后位置、倾角和俯仰，保证显示器1上显示的分别由拉曼ICCD相机28和瑞利ICCD相机24上所接收到的激发线q的两个实像重合并在显示器1的屏幕上竖直或水平。

测量实验室环境空气的激光瑞利散射和激光自发振动拉曼散射光谱：高温高压燃烧系统Ⅱ处于与大气接通方式；将激光发射器13、拉曼ICCD相机28和瑞利ICCD相机24设置到测量功能模式下；控制激光发射器13出射实验激光能量E(毫焦)的脉冲激光束17；按照图7所示的同步时序，由工控机Ⅳ内的主程序测量激发线q上的环境空气的拉曼和瑞利光谱，逐渐旋转线偏振1/2波片14，直到激光自发振动拉曼散射光谱强度达到最大值，固定线偏振1/2波片14位置；计算温度和摩尔分数初始值。

测量高温高压下的气态物种的激光瑞利散射和激光自发振动拉曼散射光谱：通过加温加压系统4将高温高压燃烧系统Ⅱ的高温高压燃烧系统腔内Ⅰ的环境调整到待测物种的压力和温度下；将激光发射器13、拉曼ICCD相机28和瑞利ICCD相机24设置到测量功能模式下；控制激光发射器13出射实验能量E(毫焦)的脉冲激光束17；按照图7所示的同步时序，由工控机Ⅳ内的主程序完成激发线q上的各物种拉曼和瑞利光谱的同步检测，经过主程序内的温度和摩尔分数循环迭代过程，最终计算出这种实验条件下的各物种的摩尔分数和区域温度。

实施例：

如图1所示，激光器系统Ⅲ为白俄罗斯LOTIS TII公司的LS2137型激光器系统，其出射532nm(纳米)激光束17，其出口光斑直径约为8mm(毫米)，脉宽半高宽(FWHM)约为7ns(纳秒)，频率为10Hz，实验激发能量E为380毫焦；激光束17首先经过线偏振1/2波片14，直径为25mm，在采集实验室环境空气的激光拉曼光谱时，通过旋转该波片位置，达到拉曼光谱信号的最大值；激光束17经过自制的纳秒级激光脉冲展宽器15，将激光束17的脉宽半高宽从原来的6.5纳秒展宽到35纳秒；由焦长为1000mm、直径为25mm的平凸石英透镜聚焦镜16；石英玻璃窗口Ⅰ、石英玻璃窗口Ⅱ、石英玻璃窗口Ⅲ和石英玻璃窗口Ⅳ为JGS1型熔融石英材料，直径为100mm，厚度为40mm；激光收集器3收集激光束17；激发线q是激光束17的一部分，其长度为1mm，直径为0.5mm；高温高压燃烧系统Ⅱ是自制的定容弹系统，通过加温加压系统5将混合气体充入高温高压燃烧系统内腔Ⅰ内，并可控温度范围为室温～1500K，可控压力范围为大气压力～8MPa，也可抽真空；拉曼收集透镜25为焦长200mm、直径75mm的平凸石英透镜，它将激发线q收集到拉曼光谱仪27的高度为3mm的入口狭缝中；负窄带激光波长滤光片26为Semrock公司的NF01-532U-25型Notch滤光片，去阻止532纳米波长散射激光进入拉曼光谱仪27的入口狭缝中；拉曼光谱仪27为美国BRUKER公司的Surespectrum 500is/sm成像光栅光谱仪，选择600g/mm光栅，狭缝宽度设置为350微米，其出口配有英国Andor公司的DH720-18F-03增强型CCD的拉曼ICCD相机22；激光衰减片23为衰减率为100，为镀膜的石英平凸透镜，直径为75mm，焦长为200mm；瑞利ICCD相机24为德国LaVision公司的IRO+Imager proX ICCD相机；脉冲延迟发生器5为美国STANFORD公司的DG645脉冲延迟发生器；压力传感器6和电荷放大器2分别为奥地利AVL公司的GM12D型压电传感器和AVL3057型电荷放大器；温度传感器9为K型热电偶传感器；台湾研华610H型工控机Ⅳ内的Intel主板上分别插入台湾凌华PCL-9812型高速数据采集卡19、瑞利ICCD相机采集卡20、美国NI公司的同步采集卡21和拉曼ICCD相机采集卡22。

如图7所示，其中：A为泵浦灯外触发TTL电平输入a、同步TTL电平输出通道端口Ⅱf、同步TTL电平输出通道端口Ⅱg和外同步触发输入端口e；B为Q开关外触发TTL电平输入端口b和.触发输出端口c；C为从线偏振1/2波片4输出的激光束17原始时域波形(脉宽半高宽为6.5纳秒)；D为从纳秒级激光脉冲展宽器输出的激光束17的时域波形(脉宽半高宽为35纳秒)；E为数据输出端口d的拉曼信号；F为数据输出端口j的瑞利信号；G为拉曼ICCD相机28的内触发信号、同步TTL电平输出通道端口Ⅳi、外同步触发TTL电平输入端口k和同步TTL电平输出通道端口Ⅲh；A1：脉冲间隔0.1秒；B1：激光束17最佳延迟时间140微秒；G1：拉曼ICCD相机28和瑞利ICCD相机24的门延迟时间140.14微秒；G2：拉曼ICCD相机28和瑞利ICCD相机24的门宽40纳秒。

设置A1为0.1秒，A、B、C、D、E、F和G曲线的频率均为10Hz；B1为140微秒；G1为140.14微秒；G2为140.14微秒。

在高温高压燃烧系统内腔Ⅰ内温度为1200K±50k，压力为4MPa条件下，已知各物种摩尔分数与激发线q上的各物种摩尔分数和温度光谱测量结果对比数据如表1所示。

表1某工况下光谱测量结果