一种用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置

本实用新型涉及可调谐半导体激光吸收光谱技术(tdlas)在测量矩形燃烧场的二维温度分布中的光学测量模块，尤其是一种用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置。

背景技术：

当光束通过含有未知浓度的待测气体的一定厚度的气室时，如果发射光源的波长与待测气体特征吸收波长一致，待测气体会吸收光能，导致从待测气体中透射光束的光强衰减，因此可以通过测量光路上待测气体的吸收强度，从而获得待测气体的相关信息。根据气体光谱吸收技术的基本原理——lambert-beer定律可知，待测气体吸收过程中所经过的光程越大、气体浓度越大，则吸收程度越大，出射光强衰减越多，即气体的吸收度与其厚度和其浓度成正比。

激光光谱技术广泛应用于燃烧领域，例如在冲压发动机、航空发动机、燃煤锅炉上的应用等，是燃烧诊断的重要手段之一。波长调制谐波检测技术是基于直接吸收检测技术原理的一种，通过调制和解调技术减少系统的随机噪声的影响，提高系统的信噪比。波长调制谐波检测技术如图1所示。

气体检测系统可分为光学模块、电学模块和数据处理模块。系统示意图如图2所示。其中的光学模块主要包括有可调谐激光器、光学吸收池和光电探测器。

可调谐激光器作为红外光源发出特定波长的红外光，在光学吸收池中与燃烧场中的粒子相互作用，产生散射、吸收、荧光等光谱信号。光电探测器在出射端接收光信号，通过分析这些携带有燃烧场温度、组分浓度等信息的光谱信号，可以实现利用激光光谱技术诊断燃烧流场的目的。

在实际流场中由于流动混合、相变、化学反应、与壁面的热交换等效应的存在，使得沿着光线传播方向有明显的梯度变化，单一路径上气体的平均参数不能满足准确预测气体流动特性的要求。因此，需要增加同一平面上的光线空间分布信息，满足获取气体二维分布的要求。以获得流场内的二维分布信息。tdlas技术不同于传统的单点或单线测量手段，是一种基于视线效应的测量，可以详细给出流场内部气体参数的二维信息，满足燃烧流场气体多参数实时测量的需求。

为了提高重建结果质量，在光学测量模块中，光线分布的设计尤为关键，需要尽可能设计多的光线穿过流场区域。但在实际的燃烧流场测量中，由于光学吸收池空间有限，无法安装大量的测量设备，现有方案通常采用移动旋转或光线固定模式来弥补一次投影光线数目的不足。

1)移动旋转模式

图3(a)装置利用4个高速旋转平台产生4束夹角为11°的扇形光束，能在0.1s内完成对被测区域的扫描并得到了400组投影数据，实现了对气体参数截面分布的高速扫描测量。图3(b)测量方案利用装置的等距平移，实现了对300—1100k范围的红外燃气炉温度场进行了重建。缺点：在移动旋转过程中，需要机械运动部件，在实际应用中避免不了受到机械振动的影响，且无法实现对非定常流场的瞬时测量。

2)空间固定模式

图4(a)采用4个投影角度，每个投影角度6条光线的方式，测量了不同当量比下的平面火焰温度和浓度分布。图4(b)所示，选取6条测量光线，固定安装在矩形框架上，对1333—1377nm的h2o吸收光谱范围进行扫描，对包含当量比为0.5的h2－空气混合气体火焰等6个区域进行了重建。缺点：这种模式下，光学的发射端(beams)和接收端(detector)为对称分布在被测区域两侧，这种点对点、一对一的收发模式限制了投影光线的数目。

技术实现要素：

本实用新型所解决的技术问题在于提供一种用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置，采用一路发射、多路接收的方案，能够有效抵御震动，提高探测分辨率，减少发射端光纤数量，减小光学系统体积，结构排布更加紧凑。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：

一种用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置，包括4个收发组和铠装光纤束，每个收发组均包括发射探头模块、接收探头模块，4个接收探头模块分别固定安装在一矩形的四边，且其中央形成矩形探测孔，对应的4个发射探头模块分别安装在矩形对边的4个接收探头模块的一侧，且4个发射探头模块分别位于矩形的四边最右端，接收探头模块用于接收位于对边的发射探头模块的发射光，发射探头模块、接收探头模块均与铠装光纤束连接，其中：接收探头模块包括壳体、不锈钢光纤插芯、耦合透镜、第一光楔和光纤收发内接口，其中，壳体的一端口安装光纤收发内接口，壳体的另一端口从外至内依次设为光楔层、透镜层和光纤层，光楔层包括光楔固定框和第一光楔，光楔固定框固定在壳体的端口处，光楔固定框外设有第一冷却通道，若干个第一光楔依次排列安装在光楔固定框内；光楔层与透镜层之间设有第二冷却通道，透镜层包括耦合外框和耦合透镜，耦合外框固定设置在光楔层内侧，若干个耦合透镜依次排列安装在耦合外框内；光纤层内呈阵列式安装有若干个不锈钢光纤插芯，所述不锈钢光纤插芯分别由多自由度调整架固定，所述不锈钢光纤插芯、耦合透镜和第一光楔数量相等且对应设置；壳体外的一侧设有冷却进气口，所述冷却进气口与第一冷却通道、第二冷却通道连通；发射探头模块包括外套管、陶瓷插芯、准直透镜、非球面柱透镜和第二光楔，其中，陶瓷插芯的一端通过插芯外套管固定在外套管内的一端，陶瓷插芯的另一端伸出外套管并与铠装光纤束连接；准直透镜、非球面柱透镜和第二光楔依次由内至外设置在外套管内的另一端，且第二光楔部分伸出外套管，准直透镜与陶瓷插芯之间通过定焦间隔圈分离。

进一步的，本实用新型的用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置，发射探头模块的陶瓷插芯的光轴与同一收发组的接收探头模块的出光光轴平行。

进一步的，本实用新型的用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置，所述第二光楔为带楔角的自由曲面透镜。

进一步的，本实用新型的用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置，第二光楔的自由曲面上做有二元微结构，用以产生偏折型均匀线光源，光最大偏转角度56.5°。

进一步的，本实用新型的用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置，所述陶瓷插芯的直径为2.5mm、长度为12.7mm。

进一步的，本实用新型的用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置，所述插芯外套管的外径为3.5mm、内径为3mm、长度为19.1mm，。

进一步的，本实用新型的用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置，所述插芯外套管采用不锈钢材质制成。

进一步的，本实用新型的用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置，所述第一冷却通道、第二冷却通道为氮气冷却通道。

进一步的，本实用新型的用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置，发射探头模块分为位于矩形长边的长边发射端和位于矩形短边的短边发射端，所述长边发射端和短边发射端的非球面柱透镜的面型不同。

进一步的，本实用新型的用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置，所述定焦间隔圈通过光学特种胶固定在外套管内。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本实用新型的用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置结构和光学系统可靠，能够抵御发动机震动。

2、本实用新型的用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置采用一对多的设计大大减少了发射端的数量，增加了接收端的数量，探测密度和通道数量大大增加，提高了探测分辨率。

3、本实用新型的用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置减少了发射端光纤数量，减小了光学系统体积，结构排布更加紧凑。

附图说明

图1是波长调制谐波检测原理图。

图2是气体检测系统示意图。

图3是移动旋转模式的燃烧流场测量，其中(a)为光线旋转模式，(b)为光线移动模式。

图4是空间固定模式的燃烧流场测量。

图5是本实用新型的用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置的结构和光线简要示意图。

图6是本实用新型的用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置的长边发射端和短边发射端的示意图，其中(a)为长边发射端，(b)为短边发射端。

图7是本实用新型的用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置的整体结构示意图。

图8是本实用新型的用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置的接收探头模块示意图。

图9是本实用新型的用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置的发射探头模块示意图。

图10是本实用新型的用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置的扇形光示意图。

图11是本实用新型的用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置的扇形光在矩形探测孔内的示意图。

图12是本实用新型的用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置的自由曲面二元结构示意图。

附图标记含义：1：第一冷却通道，2：第二冷却通道，3：第一光楔，4：耦合透镜，5：不锈钢光纤插芯，6：耦合外框，7：光楔固定框，8：光纤收发内接口，9：壳体，10：冷却进气口，11：陶瓷插芯，12：插芯外套管，13：外套管，14：定焦间隔圈，15：准直透镜，16：非球面柱透镜，17：第二光楔。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

一种用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置，包括4个收发组和铠装光纤束，每个收发组均包括发射探头模块、接收探头模块，4个接收探头模块分别固定安装在一矩形的四边，且其中央形成矩形探测孔，对应的4个发射探头模块分别安装在矩形对边的4个接收探头模块的一侧，且4个发射探头模块分别位于矩形的四边最右端，接收探头模块用于接收位于对边的发射探头模块的发射光，发射探头模块、接收探头模块均与铠装光纤束连接，其中：接收探头模块包括壳体9、不锈钢光纤插芯5、耦合透镜4、第一光楔3和光纤收发内接口8，其中，壳体9的一端口安装光纤收发内接口8，壳体9的另一端口从外至内依次设为光楔层、透镜层和光纤层，光楔层包括光楔固定框7和第一光楔3，光楔固定框7固定在壳体9的端口处，光楔固定框7外设有第一冷却通道1，若干个第一光楔3依次排列安装在光楔固定框7内；光楔层与透镜层之间设有第二冷却通道2，透镜层包括耦合外框6和耦合透镜4，耦合外框6固定设置在光楔层内侧，若干个耦合透镜4依次排列安装在耦合外框6内；光纤层内呈阵列式安装有若干个不锈钢光纤插芯5，所述不锈钢光纤插芯5分别由多自由度调整架固定，所述不锈钢光纤插芯5、耦合透镜4和第一光楔3数量相等且对应设置；壳体9外的一侧设有冷却进气口10，所述冷却进气口10与第一冷却通道1、第二冷却通道2连通；发射探头模块包括外套管13、陶瓷插芯11、准直透镜15、非球面柱透镜16和第二光楔17，其中，陶瓷插芯11的一端通过插芯外套管12固定在外套管13内的一端，陶瓷插芯11的另一端伸出外套管13并与铠装光纤束连接；准直透镜15、非球面柱透镜16和第二光楔17依次由内至外设置在外套管13内的另一端，且第二光楔17部分伸出外套管13，准直透镜15与陶瓷插芯11之间通过定焦间隔圈14分离。

实施例1

一种用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置，如图5、7所示，包括4个收发组和铠装光纤束，每个收发组均包括发射探头模块、接收探头模块。4个接收探头模块分别固定安装在一矩形的四边，且其中央形成矩形探测孔，对应的4个发射探头模块分别安装在矩形对边的4个接收探头模块的一侧，且4个发射探头模块分别位于矩形的四边最右端，接收探头模块用于接收位于对边的发射探头模块的发射光，发射探头模块、接收探头模块均与铠装光纤束连接。发射端单模光纤头为陶瓷插芯，接收端多模光纤头为不锈钢插芯，在一个收发组中，发射端光纤头与阵列的接收端光纤探头平行。

如图8所示，接收探头模块包括壳体9、不锈钢光纤插芯5、耦合透镜4、第一光楔3和光纤收发内接口8。其中，壳体9的一端口安装光纤收发内接口8，壳体9的另一端口从外至内依次设为光楔层、透镜层和光纤层，光楔层包括光楔固定框7和第一光楔3，光楔固定框7固定在壳体9的端口处，光楔固定框7外设有第一冷却通道1，若干个第一光楔3依次排列安装在光楔固定框7内。光楔层与透镜层之间设有第二冷却通道2，透镜层包括耦合外框6和耦合透镜4，耦合外框6固定设置在光楔层内侧，若干个耦合透镜4依次排列安装在耦合外框6内。光纤层内呈阵列式安装有若干个不锈钢光纤插芯5，所述不锈钢光纤插芯5分别由多自由度调整架固定，所述不锈钢光纤插芯5、耦合透镜4和第一光楔3数量相等且对应设置。壳体9外的一侧设有冷却进气口10，所述冷却进气口10与第一冷却通道1、第二冷却通道2连通，所述第一冷却通道1、第二冷却通道2为氮气冷却通道。

如图9所示，发射探头模块包括外套管13、陶瓷插芯11、准直透镜15、非球面柱透镜16和第二光楔17。其中，陶瓷插芯11的一端通过不锈钢的插芯外套管12固定在外套管13内的一端，陶瓷插芯11的另一端伸出外套管13并与铠装光纤束连接，所述陶瓷插芯11的直径为2.5mm、长度为12.7mm，插芯外套管12的外径为3.5mm、内径为3mm、长度为19.1mm。准直透镜15、非球面柱透镜16和第二光楔17依次由内至外设置在外套管13内的另一端，且第二光楔17部分伸出外套管13，准直透镜15与陶瓷插芯11之间通过定焦间隔圈14分离，所述定焦间隔圈14通过光学特种胶固定在外套管3内。如图6所示，发射探头模块分为位于矩形长边的长边发射端(如图6(a))和位于矩形短边的短边发射端(如图6(b))，所述长边发射端和短边发射端的非球面柱透镜16的面型不同。发射探头模块的陶瓷插芯11的光轴与同一收发组的接收探头模块的出光光轴平行，第二光楔17为带楔角的自由曲面透镜，如图11、12所示，第二光楔17的自由曲面上做有二元微结构，用以产生偏折型均匀线光源，光最大偏转角度56.5°。发射端光纤的出射光经准直透镜15和非球面柱透镜16压缩，再经第二光楔17形成扇形光束(线光源)。

本方案针对矩形燃烧流场中测量系统的光学测量模块的首创试验，如图5所示，本方案采取一对多(一路发射，多路接收)的方案，形成高分辨、小型化、高可靠的二维燃烧流场的光学探测装置，包括结构和光学系统的可靠性，能够抵御发动机震动；一对多的设计大大减少了发射端的数量，增加了接收端的数量，探测密度和通道数量大大增加，提高了探测分辨率；减少了发射端光纤数量，减小了光学系统体积，结构排布更加紧凑。

本方案的接收探头模块的光纤整列实现密排集成，光纤密排技术空间周期为4mm，接收探头模块采用光纤阵列端子连接，光纤束由铠缆封装，减小安装复杂性。本方案还考虑到燃烧流场测量中的高温环境对光纤探头的威胁，规划了氮气冷却通道抗高温。接收端不锈钢插芯与插孔配合精度为5μm，配合精度保证了插芯能轻松插拔并不会发生在孔内的晃动，插到位以后通过m2.5的紧定螺钉锁死或用结构胶、硅橡胶来固定。

本方案的发射探头模块采用自由曲面准直透镜实现扇形光，接收面处的扇形线光源均匀度可达90％，如图10所示。

以上所述仅是本实用新型的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进应视为本实用新型的保护范围。