本发明涉及激光诊断对于火焰温度的测量领域，尤其涉及一种燃烧火焰温度场瞬时定点诊断装置及方法。
背景技术：
火焰温度是表征燃烧状况的一个重要参数，而火焰的内部温度分布是不均匀的。燃烧场空间温度分布测量的准确性对深入理解燃烧机理，优化燃烧过程具有重要的指导作用。在工业应用领域，燃烧器等动力设备的设计开发也需要快速准确的火焰温度测量。因此实现火焰温度的快速测量是燃烧领域的重要问题。随着光学技术的快速发展，激光诊断技术越来越多地应用于工业生产过程中的状态诊断，包括是在恶劣的燃烧环境。
传统的火焰温度测量可分为接触式和非接触式两大类。接触式测量会干扰流场而且测温元件易受火焰辐射的干扰，在较高的温度下测量探头使用寿命不长。而且接触式测量方法的响应时间长，空间分辨能力差。非接触式测温法主要包括辐射式测温法、光谱测温法和声波测温法，具有无干扰、响应快等优点。辐射测温法是应用最多的测温方法，主要有亮度法、全辐射法、比色法和红外测温技术。亮度法要求火焰温度应在背景温度的变化范围，一般限于1000～2800k范围内测温。全辐射测温法是根据黑体(灰体)的全辐射强度与温度的四次方成正比的原理来测量温度的，由于火焰很难满足黑体(灰体)条件，此方法无法测得火焰的真实温度。而比色法需要进行风光、滤光等过程，能量损失大，一般限于高温测量。前三种测温方法适用于温度较高的情况，而红外测温法受限于光谱响应范围，测温范围有限。辐射式测温法和声波法都是简单地将燃烧场看作一个辐射整体，基于声线或者视线方向的平均温度通过复杂的算法进行二维或者三维温度重建，适用于稳定的、温度梯度变化不大的区域。而光谱测温法容易受火焰背景辐射的干扰且测量光路复杂，如何正确有效地提取光谱信息一直是该方法的研究重点。对于一些用于实验研究的小型火焰，内部温度梯度较大，如何实现火焰内部各点温度的准确测量对燃烧状态诊断具有重要意义，因此需要具有较好空间分辨能力的测温方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种燃烧火焰温度场瞬时定点诊断装置。本装置通过测量激光与火焰作用后的激光残余能量，得到等离子体生成点的火焰温度，通过多点测量实现火焰内部温度分布情况的诊断。所述激光残余能量为初始激光与火焰作用后被火焰测点吸收后所剩下的激光能量。
本发明的目的能够通过以下技术方案实现：
一种燃烧火焰温度场瞬时定点诊断装置，具体包括：脉冲激光器、激光能量探测计、三维移动平台以及聚焦镜片。
所述脉冲激光器，用于产生特定波长的脉冲激光。
所述聚焦镜片，用于将脉冲激光器产生的激光聚焦于火焰的特定位置。
所述激光能量探测计，用于接收聚焦后的残余激光能量。
所述三维移动平台，用于调整脉冲激光器和激光能量探测计的位置，从而改变火焰测点的位置。
具体地，对于所述脉冲激光器，其激光频率和能量可以根据不同的火焰进行调整。
具体地，所述激光能量探测计，其探头放置于激光光路末端且激光光线垂直，用于探测激光的残余能量。
具体地，测点位置、脉冲激光器的激光头和激光能量探测计探头均应布置在激光光路上，测量频率可以通过调节脉冲激光器发射的激光频率进行调整。
具体地，三维移动平台，用于固定脉冲激光器和激光能量探测计，实现激光聚焦点的移动和激光残余能量的探测，保证对火焰待测点的准确定位。
具体地，三维移动平台由步进电机控制，通过软件实现同步运行或手动调节，利用三个方向的千分尺刻度来确定测点的三维空间位置。
本发明的另一目的在于改进现有火焰温度测量方法的不足，实现定点、快速、准确、便捷的温度检测，因此，提供一种对燃烧火焰温度场的瞬时定点诊断方法。本方法能满足实验研究以及工业应用中对监测变化快速的火焰温度和内部温度梯度检测的要求。
本发明的另一目的能够通过以下技术方案实现：
一种燃烧火焰温度场瞬时定点诊断方法，具体步骤包括：
(1)搭建测量系统，采用脉冲激光器发射出所需的特定波长，设定所需激光频率和激光能量大小；
(2)调整聚焦镜片使脉冲激光聚焦在已知温度的气体或者火焰测点位置进行作用并产生等离子体；
(3)利用激光能量探测计探头捕捉并记录与激光作用后的脉冲激光残余能量；
(4)重复多次步骤(1)-(3)，记录不同温度下的脉冲激光残余能量，建立激光残余能量与温度的对应关系；
(5)将测量对象换成待测火焰，重复步骤(1)-(3)测量得到待测火焰的脉冲激光残余能量，根据所建立的激光残余能量与温度的对应关系，计算得到待测火焰在测点位置的瞬时温度。
具体地，在上述步骤中，所使用的脉冲激光的能量越高，温度测量范围越大。
具体地，在步骤(2)中，激光能量探测计放置在激光光路末端，且与激光射入方向垂直。
优选地，所述步骤(1)中发射的脉冲激光的激光能量应保证能够击穿待测物质，产生等离子体，根据待测物质的击穿阈值选择大于击穿阈值的击穿能量。
具体地，来自脉冲激光器的激光通过聚焦镜片聚焦在测点位置，火焰分子吸收激光能量后快速膨胀，产生等离子体，未被吸收的激光能量透过火焰到达激光能量探测计；根据激光残余能量与温度的对应关系，计算得到待测点位置火焰的瞬时温度；通过调整脉冲激光器的激光头以及激光能量探测计的位置，使激光聚焦到火焰的不同位置，测得不同位置火焰的激光残余能量值，实现火焰空间各点的温度测量。
具体地，若系统需要同时进行多点温度测量，则将激光分成多束能量相同的激光，通过聚焦镜片聚焦到各测点位置，并在测点相应的位置设置激光能量探测计。
优选地，在步骤(3)(4)(5)中，所述激光能量探测计越靠近等离子体，越能保证激光残余能量完全进入激光能量探测计探头，但受高温火焰的影响，激光能量探测计探头应根据火焰尺寸放置于尽可能靠近等离子体又不至于吸收太多热量的位置，且应保证激光能量探测计位置应与激光光路垂直，同时其中心位置应对准激光光束中心，进而提高收光效率，从而更利于激光能量探测计探头准确地采集激光残余能量。
具体地，激光能量探测计的探测波长和激光波长需保持一致；在探测过程中，火焰光以及周边杂光对能量的影响较小，可以忽略。
本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：
1、本发明能够实现燃烧火焰瞬时定点的诊断，具有较高的时间和空间分辨能力，测温范围广，适用于内部温度梯度大以及变化快速的温度测量。而且激光残余能量的测量无需分光等操作，结构简单；
2、本发明采用激光测量，激光经聚焦后能够得到较小的光斑(可以达到100μm以下)，因此其与样品之间的接触面积小，具有较好的空间分布特性；同时激光与样品的作用时间短(10ns以下)，作用后产生的等离子体体积小，对环境变化具有较强的敏感性，会随着周围环境的变化而变化；
3、本发明提出的火焰温度诊断装置结构简单、无需特殊加工、安装及使用方便、不受环境影响，对操作及使用人员要求低，提高了检测效率；
4、与光谱仪结合的检测系统还可实现燃烧场内各点的温度和组分的同步检测；作为等离子体用于火焰温度的瞬时定点诊断技术，可被用于小型发动机及燃烧器设计开发，通过空间内不同位置火焰温度信息指导开发过程中的参数优化等。本发明检测装置还可用于恶劣环境下的高温气体温度检测；
5、本发明通过将相同能量的激光聚焦到火焰的不同位置，且将脉冲激光器的激光头和激光能量探测计固定在三维平移台上，可精确实现测量点位置的确定，从而实现了利用激光残余能量的探测实现燃烧火焰温度场的快速、定点诊断。
附图说明
图1为实施1中一种气体温度诊断装置的结构示意图；
图2为实施例1中不同气体的温度与测得的激光残余能量之间的关系图；
图3为实施例2中一种燃烧火焰温度场瞬时定点诊断装置的结构示意图；
图4为实施例2中激光残余能量与单颗粒煤燃烧时颗粒上方火焰温度的关系图；
图5为实施例2中单颗粒煤燃烧火焰温度随燃烧时间变化的关系图；
图6为实施例2中单颗粒煤燃烧不同高度处火焰温度随燃烧时间变化的关系图；
图7为本发明中的燃烧火焰温度场瞬时定点诊断的流程图。
图中，1—温控加热炉、2—脉冲激光器、3—聚焦镜片、4—激光能量探测计探头、5—三维移动平台、6—待测火焰。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示为一种气体温度诊断装置的结构示意图，所述示意图包括：通入气体的温控加热炉(1)、脉冲激光器(2)、聚焦镜片(3)、激光能量探测计探头(4)和三维移动平台(5)。
所述脉冲激光器(2)，为nd:yag固体激光器，用于产生特定波长的脉冲激光；
所述聚焦镜片(3)，用于将脉冲激光器产生的激光聚焦于待测气体产生等离子体；
所述激光能量探测计(4)，用于接收聚焦后的残余能量；
所述三维移动平台(5)，用于调整脉冲激光器和激光能量探测计的位置，从而改变测点的位置。
进一步地，所述温控加热炉(1)所通入的气体可以是任何形式的已知温度的气体。
具体地，所述脉冲激光器(2)，激光频率和能量能够根据不同类型的气体进行调整。
具体地，所述聚焦镜片(3)的焦距大小应保证激光聚焦后的光斑较小。
具体地，所述激光能量探测计(4)，探测的激光波长与脉冲激光器所产生的脉冲激光一致，探头放置于激光光路末端且与激光光线垂直。
具体地，所述脉冲激光器(2)发射的脉冲激光的能量，应保证能够击穿待测物质，产生等离子体，根据待测物质的击穿阈值选择大于击穿阈值的击穿能量，激光能量越高温度测量范围越大。
具体地，激光能量探测计(4)的探头越靠近等离子体，越能保证激光残余能量完全进入激光能量探测计(4)探头，同时激光能量探测计(4)探头的中心位置对准激光光束中心。
在本实施例中，所述装置的具体工作原理为：
采用带温控的气体加热炉将炉内气体加热到特定温度，脉冲激光器发出激光与气体作用产生等离子体，利用激光能量探测计探测激光聚焦产生等离子体后透过气体的激光残余能量。改变炉内气体温度，再进行残余能量的检测。如图2所示为得到的不同气体温度与测得的激光残余能量之间的关系。根据所建立的气体温度与激光残余能量的关系式，可通过探测到的残余能量计算得到待测气体的瞬时温度。
实施例2
如图3所示为一种燃烧火焰温度场瞬时定点诊断装置的结构示意图，所述示意图包括：待测火焰(6)、脉冲激光器(2)、聚焦镜片(3)、激光能量探测计探头(4)和三维移动平台(5)。
所述脉冲激光器(2)，为nd:yag固体激光器，用于产生特定波长的脉冲激光；
所述聚焦镜片(3)，用于将脉冲激光器产生的激光聚焦于火焰的特定位置；
所述激光能量探测计(4)，用于接收聚焦后的激光残余能量；
所述三维移动平台(5)，用于调整脉冲激光器和激光能量探测计的位置，从而改变火焰测点的位置。
进一步地，所述待测火焰(6)可以是任何形式的待测火焰。
具体地，所述脉冲激光器(2)，激光频率和能量能够根据不同的火焰进行调整。
具体地，所述聚焦镜片(3)的焦距大小应保证激光聚焦后的光斑较小且不受火焰辐射高温的影响。
具体地，所述激光能量探测计(4)，探头放置于激光光路末端且与激光光线垂直。
具体地，所述脉冲激光器(2)发射的脉冲激光的能量，应保证能够击穿待测物质，产生等离子体，根据待测物质的击穿阈值选择大于击穿阈值的击穿能量。
具体地，激光能量探测计(4)的探头越靠近等离子体，越能保证激光残余能量完全进入激光能量探测计(4)探头，但受高温火焰的影响，激光能量探测计(4)探头应该根据火焰尺寸放置于尽可能靠近等离子体又不至于吸收太多热量的位置，同时激光能量探测计(4)探头的中心位置对准激光光束中心。
具体地，所述三维移动平台(5)由步进电机通过软件实现同步运行，或者通过手动调节实现同步运行；所述三维移动平台利用三个方向的千分尺刻度来确定测点的三维空间位置。
在本实施例中，所述装置的实际工作方式为：
采用co2激光器加热直径为6mm的单颗粒印尼煤，所选nd:yag激光器输出激光为1064mm，频率为1-10hz可调。激光器输出能量设置为200mj，聚焦镜片(3)的焦距为100mm，激光能量探测计(4)与待测火焰(6)的距离为100mm。通过采用激光能量探测计(4)重复多次采集从点火到燃尽过程中的煤颗粒正上方的激光残余能量，得到激光残余能量与单颗粒煤燃烧时颗粒上方火焰温度的关系，关系图如图4所示；同时得到单颗粒煤燃烧火焰温度随燃烧时间变化的关系，关系图如图5所示。控制三维移动平台(5)沿z轴方向下降，测得单颗粒煤燃烧不同高度处火焰温度随燃烧时间变化的关系，关系图如图6所示。
实施例3
一种燃烧火焰温度场瞬时定点诊断方法，如图7所示，具体步骤包括：
(1)搭建测量系统，采用脉冲激光器发射出所需的特定波长，设定所需激光频率和激光能量大小；
(2)调整聚焦镜片使脉冲激光聚焦在已知温度的气体或者火焰测点位置进行作用并产生等离子体；
(3)利用激光能量探测计探头捕捉并记录与激光作用后的脉冲激光残余能量；
(4)重复多次步骤(1)-(3)，记录不同温度下的脉冲激光残余能量，建立激光残余能量与温度的对应关系；
(5)将测量对象换成待测火焰，重复步骤(1)-(3)测量得到待测火焰的脉冲激光残余能量，根据所建立的激光残余能量与温度的对应关系，计算得到待测火焰在测点位置的瞬时温度。
具体地，在步骤(2)中，激光能量探测计放置在激光光路末端，且与激光射入方向垂直。
优选地，所述步骤(1)中发射的脉冲激光的能量应保证能够击穿待测物质，产生等离子体，根据待测物质的击穿阈值选择大于击穿阈值的击穿能量。
具体地，来自脉冲激光器的激光通过聚焦镜片聚焦在测点位置，火焰分子吸收激光能量后快速膨胀，产生等离子体，未被吸收的激光能量透过火焰到达激光能量探测计。
具体地，同时调整脉冲激光器的激光头以及激光能量探测计的位置，使激光聚焦到火焰的不同位置，实现火焰空间各点的温度测量。
具体地，若系统需要同时进行多点温度测量，则将激光分成多束能量相同的激光，通过聚焦镜片聚焦到各测点位置，并在测点相应的位置设置激光能量探测计。
优选地，所述激光能量探测计越靠近等离子体，越能保证激光残余能量完全进入激光能量探测计探头，但受高温火焰的影响，激光能量探测计探头应根据火焰尺寸放置于尽可能靠近等离子体又不至于吸收太多热量的位置，且应保证激光能量探测计位置应与激光光路垂直，同时其中心位置应对准激光光束中心，进而提高收光效率，从而更利于激光能量探测计探头准确地采集激光残余能量。
具体地，能量探测计的探测波长和激光波长需保持一致；在探测过程中，火焰光以及周边杂光对能量的影响较小，可以忽略。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。