[发明专利]一种激光诱导荧光燃烧场参数测量装置

说明书

技术领域

本发明属于光学测量领域，特别是一种燃烧流场参数测量的激光诊断装置。

背景技术

激光诱导荧光技术是流场诊断中一种较为先进的测量技术，其基本原理为：处于基态的分子通过共振吸收相应能量的光子后，跃迁至激发态，然后在向下跃迁的同时辐射荧光。

荧光信号的强度可由公式（1）表示：

I_LIF=cnI_LΦ    （1)

其中，c表示比例系数，n为所探测粒子在基态特定能级上的粒子数，I_L表示激励激光的强度，φ表示荧光的量子效率。

由上式可知，荧光信号强度与被测组分的分子数密度成正比，因此通过测量荧光信号强度及其分布即可获得被测组分的密度分布。该技术具有很高的探测灵敏度，自诞生之日起，就一直是激光燃烧诊断领域的研究热点之一。

但是当应用激光诱导荧光技术开展实际燃烧场参数测量，主要面临着两个问题：

其一，难以适应环境较为恶劣的发动机试验台现场应用。精密的光学诊断系统一般需要相对洁净、安静的实验环境，但一般真实的发动机试验现场环境相对比较恶劣，存在着很强的噪音（冲击波）、振动、热等因素的干扰。尤其是发动机燃烧室附近，各种干扰更是强烈，这无疑会给复杂精密的光学诊断系统带来极大的挑战。因此，要使光学诊断系统逐渐从实验室走向发动机试验台现场，必须对现有的光学诊断系统进行改造，以提高诊断系统的可靠性、环境适应性。

其二，难以适应燃烧场的二维参数定量测量的需求。在平面激光诱导荧光测量中，由ICCD相机拍摄得到的的荧光图像包含了激励激光的二维分布信息，要想获得实际的荧光强度分布，需要消除激励激光光强分布的影响。由于在实验中实时准确获得激励激光的二维光强分布较为困难，所以实验中往往难以消除光强分布不均的激励激光对荧光强度分布的影响。如果事先通过光束匀滑，将激励激光整形为强度分布均匀的片状光束，无疑能够在有效简化实验系统的同时提高测试精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光诱导荧光燃烧场参数测量装置，克服现有测量装置中激励激光二维光强分布不均匀而导致的燃烧场二维参数测量精度不高的问题，满足强震动、强噪音冲击下燃烧场二维参数测量的需求。

本发明的技术解决方案如下：

一种激光诱导荧光燃烧场参数测量装置，包括光源系统和探测系统，其中光源系统包括激光器和沿激光传输方向依次布置的光纤耦合透镜、整形光纤束，球面透镜和柱面透镜，整形光纤束入射端面的光纤排布截面与激光器光束截面相匹配，整形光纤束的出射端面排布为线状，且柱面透镜的柱面中心线与整形光纤束出射端面的光纤排布线相平行；

探测系统包括沿探测光路依次设置的信号收集透镜、探测光纤束、耦合透镜和成像装置，信号收集透镜设置在光源系统光束出射端一段距离处，信号收集透镜的光轴垂直于柱面透镜的中心线与光源系统出射光束形成的平面。

上述燃烧场参数测量装置中，探测系统还包括在探测光路上设置的滤光片，滤光片设置在光源系统出射光束和信号收集透镜之间或者信号收集透镜和探测光纤束入射端之间。

上述燃烧场参数测量装置中，探测系统还包括在探测光路上设置的滤光片，滤光片设置在耦合透镜和成像装置之间或者耦合透镜与探测光纤束出射端之间。

上述燃烧场参数测量装置中，整形光纤束入射端面的光纤排布截面形状为正六边形、矩形、正方形、圆形或椭圆形。

上述燃烧场参数测量装置中，球面透镜有效通光口径与透镜焦点形成的张角大于或等于整形光纤束的光纤输出光束发散角，耦合透镜有效通光口径与透镜焦点形成的张角大于或等于探测光纤束的光纤输出光束发散角。

上述燃烧场参数测量装置中，整形光纤束和探测光纤束的光纤为石英光纤或红外光纤。

上述燃烧场参数测量装置中，整形光纤束和探测光纤束的光纤为多模光纤。

上述燃烧场参数测量装置中，成像装置为ICCD相机。

上述燃烧场参数测量装置中，滤光片为只对荧光信号波段高透射的窄带滤光片。

上述燃烧场参数测量装置中，探测光纤束的输入端和输出端光纤均为近似圆形排布。

本发明具有以下的有益效果：

1、本发明在光源系统和探测系统中均采用光纤束实现了光束的传输，满足了强震动、强噪声冲击环境下的燃烧流场参数的测量，提高了系统的环境适应性，同时利用光纤束的可弯曲特性，方便了实验中光学系统的合理布局及与其他设备的对接。