[实用新型]一种高温高压下气态物种浓度和温度的光谱检测系统

说明书

一种高温高压下气态物种浓度和温度的光谱检测系统属激光燃烧诊断技术领域，本实用新型中激光器系统、工控机、瑞利成像系统、拉曼成像系统、激光收集器和脉冲延迟发生器置于中央设有高温高压燃烧系统的光学平台上；聚焦镜、纳秒级激光脉冲展宽器、线偏振1/2波片、激光发射器和激光控制器依次置于石英玻窗口Ⅰ前侧，拉曼收集透镜、负窄带激光波长滤光片、拉曼光谱仪和拉曼ICCD相机依次置于石英玻窗口Ⅳ左侧；激光收集器置于石英玻窗口Ⅲ后侧；激光衰减片、瑞利ICCD相机依次置于石英玻窗口Ⅱ右侧；本实用新型能实现大于1000K的高温和高压下的物种摩尔分数和温度高精度定量检测。

技术领域

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。

发明内容

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。