專利名稱：基于太赫茲脈沖測量的燃燒溫度傳感裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于燃燒檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于太赫茲脈沖測量的燃燒溫度傳感裝置及方法。
背景技術(shù)：
燃燒現(xiàn)象廣泛地存在于石油化工、航天、冶金和電力等眾多行業(yè)中。在燃燒反應(yīng)過程中化學(xué)能不斷的轉(zhuǎn)換為熱能和電能，同時不斷進行傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)過程。燃燒過程中會產(chǎn)生二氧化碳、一氧化碳、氮氧化合物、二氧化硫和水蒸氣等氣體產(chǎn)物同時釋放出熱量。為保證中國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，近年來中國政府和科技界更加重視能源效率提高的研究和應(yīng)用。然而由于燃燒過程非常復(fù)雜，因此特別需要使用新型的燃燒檢測技術(shù)到燃燒的分析和研究之中，從而推動高效、環(huán)保的燃燒模型和污染物生成模型的建立。在燃燒的檢測過程中溫度是關(guān)鍵的參數(shù)，燃燒溫度和溫度分布的實時準確測量對于安全生產(chǎn)、提高燃燒效率、降低污染物等諸多方面都具有重要的作用。燃燒溫度傳感測量方法從原理上大體可以分為兩類:接觸式測量方法與非接觸式測量方法。其中，接觸式測量的主要原理是利用熱電偶、熱電阻等熱敏感元件在溫度變化時會發(fā)生電壓或電阻的變化，從而得到溫度的值。專利號為CN102607731A的“響應(yīng)速度快的熱電偶溫度傳感器”將·包裹有保護管和金屬封裝層的熱電偶用于溫度的測量。專利號為CN102483360A的“光纖溫度傳感器”通過改變由光纖傳送的光被遮蓋的光量或傳送的光反射后接受的光量來傳感檢測溫度。接觸式測量的特點是成本低廉、測量可靠，是目前最為廣泛應(yīng)用的測量方法之一。但是接觸式的測量方式會對被測對象產(chǎn)生擾動，其測量響應(yīng)往往無法對快速變化的溫度進行跟蹤，并且敏感元件易于受到高溫或腐蝕性氣體介質(zhì)的污染而降低可靠性。此外，利用單個熱電偶或者熱電阻的接觸式測量只能對單點來進行測量，無法了解整個燃燒對象內(nèi)部的真實情況。非接觸的測量方法是燃燒溫度測量的另一個重要方向，非接觸式的測量技術(shù)方法包括了光學(xué)法，聲學(xué)法等新一代的方法，它們主要利用光波或者聲波信號對不同溫度的響應(yīng)來實現(xiàn)測量。專利號為CN1388340A的“測量鍋爐燃燒輻射能及溫度場并控制燃燒的方法及其系統(tǒng)”利用CXD采集燃燒圖像，通過圖像處理的方式測量出燃燒的溫度。專利號為CN1587930A的“燃煤鍋爐爐內(nèi)三維溫度場實時監(jiān)測裝置”通過在爐膛內(nèi)設(shè)置多個攝像頭的方法接受來自爐膛內(nèi)各個方向的輻射信息，采用特殊的非迭代算法計算出爐膛內(nèi)燃燒溫度的分布。非接觸式測量方法的優(yōu)點是響應(yīng)速度快，測量不會對燃燒對象產(chǎn)生干擾。隨著科技和生產(chǎn)力的進步，研究快速、高靈敏度的燃燒溫度傳感方法既能幫助人們加深對燃燒機理的研究，又能幫助人們對燃燒過程中產(chǎn)生的污染物進行分析和控制
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于太赫茲脈沖測量的燃燒溫度傳感裝置及方法，提高現(xiàn)有的非接觸燃燒測量方法的精度和測量速度，實現(xiàn)燃燒對象的溫度和溫度分布的非接觸測量。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下
本發(fā)明包括飛秒激光器、分束器、第一平面反射鏡、第二平面反射鏡、第三平面反射鏡、聚焦透鏡、光電導(dǎo)天線型太赫茲發(fā)射器、離軸拋物面鏡組、第一半透反射鏡、第二半透反射鏡、平行光柵組、平面反射鏡、第一偏振片、第二偏振片、ITO玻璃、ZnTe晶體、CXD探測器、計算機、函數(shù)發(fā)生器、高頻功率放大器、一維光學(xué)平移臺。激光從飛秒激光器發(fā)射，經(jīng)過分束器分光后，分為參考激光和探測激光兩路，其中探測激光依次通過第一平面反射鏡、第二平面反射鏡、第三平面反射鏡反射后由聚焦透鏡聚焦到光電導(dǎo)天線型太赫茲發(fā)射器上，光電導(dǎo)天線型太赫茲發(fā)射器在探測激光和高頻功率放大器的電壓激勵作用下發(fā)射出太赫茲脈沖，太赫茲脈沖經(jīng)過離軸拋物面鏡組一側(cè)的離軸拋物面鏡的準直后成為平行的太赫茲波，并穿過燃燒區(qū)域，另一側(cè)的離軸拋物面鏡將平行的太赫茲波會聚到ZnTe晶體上，分束器分出的參考激光經(jīng)過第一半透反射鏡后入射到一對平行光柵組上，經(jīng)過平行光柵組的參考激光由平面反射鏡反射回平行光柵組，從而實現(xiàn)了參考激光的頻率啁啾和時間展寬，時間展寬后的參考激光由第一半透反射鏡反射通過第一偏振片，經(jīng)過第一偏振片的參考激光由ITO玻璃反射到ZnTe晶體上，和會聚到ZnTe晶體上的太赫茲波準直重合，利用ZnTe晶體的泡克耳斯(Pockels)效應(yīng)實現(xiàn)對太赫茲波的調(diào)制，偏振狀態(tài)被太赫茲波調(diào)制的第一參考激光穿過第二半透反射鏡后，再經(jīng)過第二偏振片，攜帶太赫茲脈沖強度信息的第一參考激光被第四平面反射鏡反射到CCD探測器探測接受，同時由于ZnTe晶體的雙折射效應(yīng)，不攜帶太赫茲脈沖強度信息的第二參考激光經(jīng)過第二半透反射鏡、第六平面反射鏡、第五平面反射鏡反射后也入射到CCD探測器被探測接收，CCD探測器將采集到的攜帶太赫茲脈沖強度信息的第一參考激光和不攜帶太赫茲脈沖強度信息的第二參考激光所對應(yīng)的圖像信號輸入計算機進行后續(xù)處理。函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生基頻正弦波信號輸入到高頻功率放大器，高頻功率放大器驅(qū)動光電導(dǎo)天線型太赫茲發(fā)射器周期產(chǎn)生太赫茲脈沖，同時函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生倍頻的倍頻矩形波信號控制CCD探測器的采樣周期是太赫茲脈沖發(fā)射頻率的兩倍。所述的平行光柵組為平行放置的一組光柵，平面反射鏡將平行光柵組啁啾展寬后的參考激光脈沖反射回入射光路。所述的ITO玻璃使反射到ZnTe晶體上的參考激光脈沖與會聚到ZnTe晶體上的太赫茲脈沖共點共軸。所述的一維光學(xué)平移臺上放置了第一平面反射鏡、第二平面反射鏡，通過光學(xué)延遲方法將太赫茲脈沖定位于同步探測脈沖的持續(xù)時間內(nèi)，同時通過一維光學(xué)平移臺的調(diào)整，將太赫茲脈沖的成像位置調(diào)節(jié)到CXD探測器的中央?yún)^(qū)域。所述的函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生兩種不同頻率的電壓信號，分別是基頻正弦波脈沖信號和倍頻矩形波脈沖信號?；l正弦波信號輸入到高頻功率放大器，經(jīng)過放大后加載到光電導(dǎo)天線型太赫茲發(fā)射器上形成光電導(dǎo)天線的周期電壓激勵，當(dāng)探測激光入射到光電導(dǎo)天線型太赫茲發(fā)射器上時產(chǎn)生瞬間的光生載流子，光生載流子在正半周正弦電壓激勵下輻射出太赫茲脈沖，光生載流子在負半周正弦電壓激勵下將不輻射出太赫茲脈沖。倍頻矩形波脈沖信號輸入到CCD探測器作為CCD探測器的采樣同步信號，由于倍頻矩形波脈沖信號和基頻正弦波信號頻率相差一倍，因此相鄰采集的兩幀CCD圖像中一幀是太赫茲脈沖存在的圖像，一幀是沒有太赫茲脈沖存在的圖像，通過CCD倍頻采樣的方法實現(xiàn)了測量的動態(tài)修正，提高了系統(tǒng)測量的信噪比。
基于太赫茲脈沖測量的燃燒溫度傳感方法，包括如下步驟:
步驟(I).CCD輸出測量脈沖的灰度圖像Λ Cr)和參考脈沖的灰度圖像/2 Cr)。步驟⑵.將測量脈沖的灰度圖像Λ Cr)和參考脈沖的灰度圖像/2 Cr)相減得到太赫茲脈沖信號大小/Cr) =Z1 Cr) -Z2 Cr)。步驟(3).判斷燃燒是否為均勻溫度分布，
3-1.若燃燒溫度是均勻分布則使用均勻溫度公式模型，均勻溫度公式模型如式(I)描述。
權(quán)利要求
1.基于太赫茲脈沖測量的燃燒溫度傳感裝置，包括飛秒激光器、分束器、第一平面反射鏡、第二平面反射鏡、第三平面反射鏡、聚焦透鏡、光電導(dǎo)天線型太赫茲發(fā)射器、離軸拋物面鏡組、第一半透反射鏡、第二半透反射鏡、平行光柵組、平面反射鏡、第一偏振片、第二偏振片、ITO玻璃、ZnTe晶體、CCD探測器、計算機、函數(shù)發(fā)生器、高頻功率放大器、一維光學(xué)平移臺，其特征在于: 激光從飛秒激光器發(fā)射，經(jīng)過分束器分光后，分為參考激光和探測激光兩路，其中探測激光依次通過第一平面反射鏡、第二平面反射鏡、第三平面反射鏡反射后由聚焦透鏡聚焦到光電導(dǎo)天線型太赫茲發(fā)射器上，光電導(dǎo)天線型太赫茲發(fā)射器在探測激光和高頻功率放大器的電壓激勵作用下發(fā)射出太赫茲脈沖，太赫茲脈沖經(jīng)過離軸拋物面鏡組一側(cè)的離軸拋物面鏡的準直后成為平行的太赫茲波，并穿過燃燒區(qū)域，另一側(cè)的離軸拋物面鏡將平行的太赫茲波會聚到ZnTe晶體上，分束器分出的參考激光經(jīng)過第一半透反射鏡后入射到一對平行光柵組上，經(jīng)過平行光柵組的參考激光由平面反射鏡反射回平行光柵組，實現(xiàn)參考激光的頻率啁啾和時間展寬，時間展寬后的參考激光由第一半透反射鏡反射通過第一偏振片，經(jīng)過第一偏振片的參考激光由ITO玻璃反射到ZnTe晶體上，和會聚到ZnTe晶體上的太赫茲波準直重合，利用ZnTe晶體的泡克耳斯效應(yīng)實現(xiàn)對太赫茲波的調(diào)制，偏振狀態(tài)被太赫茲波調(diào)制的第一參考激光穿過第二半透反射鏡后，再經(jīng)過第二偏振片，攜帶太赫茲脈沖強度信息的第一參考激光被第四平面反射鏡反射到CCD探測器探測接受，同時由于ZnTe晶體的雙折射效應(yīng)，不攜帶太赫茲脈沖強度信息的第二參考激光經(jīng)過第二半透反射鏡、第六平面反射鏡、第五平面反射鏡反射后也入射到CCD探測器被探測接收，CCD探測器將采集到的攜帶太赫茲脈沖強度信息的第一 參考激光和不攜帶太赫茲脈沖強度信息的第二參考激光所對應(yīng)的圖像信號輸入計算機進行后續(xù)處理；函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生基頻正弦波信號輸入到高頻功率放大器，高頻功率放大器驅(qū)動光電導(dǎo)天線型太赫茲發(fā)射器周期產(chǎn)生太赫茲脈沖，同時函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生倍頻的倍頻矩形波信號控制CCD探測器的采樣周期是太赫茲脈沖發(fā)射頻率的兩倍； 所述的平行光柵組為平行放置的一組光柵，平面反射鏡將平行光柵組啁啾展寬后的參考激光脈沖反射回入射光路； 所述的ITO玻璃使反射到ZnTe晶體上的參考激光脈沖與會聚到ZnTe晶體上的太赫茲脈沖共點共軸； 所述的一維光學(xué)平移臺上放置了第一平面反射鏡、第二平面反射鏡，通過光學(xué)延遲方法將太赫茲脈沖定位于同步探測脈沖的持續(xù)時間內(nèi)，同時通過一維光學(xué)平移臺的調(diào)整，將太赫茲脈沖的成像位置調(diào)節(jié)到CCD探測器的中央?yún)^(qū)域； 所述的函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生兩種不同頻率的電壓信號，分別是基頻正弦波脈沖信號和倍頻矩形波脈沖信號；基頻正弦波信號輸入到高頻功率放大器，經(jīng)過放大后加載到光電導(dǎo)天線型太赫茲發(fā)射器上形成光電導(dǎo)天線的周期電壓激勵，當(dāng)探測激光入射到光電導(dǎo)天線型太赫茲發(fā)射器上時產(chǎn)生瞬間的光生載流子，光生載流子在正半周正弦電壓激勵下輻射出太赫茲脈沖，光生載流子在負半周正弦電壓激勵下將不輻射出太赫茲脈沖；倍頻矩形波脈沖信號輸入到CCD探測器作為CCD探測器的采樣同步信號，由于倍頻矩形波脈沖信號和基頻正弦波信號頻率相差一倍，因此相鄰采集的兩幀CCD圖像中一幀是太赫茲脈沖存在的圖像，一幀是沒有太赫茲脈沖存在的圖像，通過CCD倍頻采樣的方法實現(xiàn)測量的動態(tài)修正。
2.如權(quán)利要求1所述的基于太赫茲脈沖測量的燃燒溫度傳感裝置的方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟⑴.CCD輸出測量脈沖的灰度圖像Cr)和參考脈沖的灰度圖像/2 Cr)； 步驟(2).將測量脈沖的灰度圖像ACr)和參考脈沖的灰度圖像/2 Cr)相減得到太赫茲脈沖信號大小Cr) =fi Cr) -f2 Cr); 步驟(3).判斷燃燒是否為均勻溫度分布； 3-1.若燃燒溫度是均勻分布則使用均勻溫度公式模型，均勻溫度公式模型如式(I)描述； ξΔn=Δt(1) 其中，ξ =PXL/C， Δn是空氣折射率的變化大小，Al是太赫茲脈沖的延遲時間； P—空氣壓強； I 一氣體分子的摩爾濃度； L一太赫茲脈沖通過燃燒區(qū)域的距離； 然后，根據(jù)空氣折射率變化計算燃燒溫度，溫度變化和折射率變化的關(guān)系由公式(2 )描述； ΔT = βΔn(2) 其中，盧是折射率變化和溫度變化的比例系數(shù)； 3-2.若判斷燃燒不是均勻溫度分布，則運用快速傅里葉變換方法將太赫茲脈沖信號轉(zhuǎn)化為光譜信號； 步驟(4).使用福依特線型函數(shù)對FFT變換后的頻譜做擬合，擬合函數(shù)采用的福依特線型函數(shù)由公式(3)描述；
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于太赫茲脈沖測量的燃燒溫度傳感裝置及方法。本發(fā)明激光從飛秒激光器發(fā)射，經(jīng)過分束器分為參考激光和探測激光，探測激光聚焦到光電導(dǎo)天線型太赫茲發(fā)射器上，太赫茲發(fā)射器發(fā)射出的太赫茲脈沖，經(jīng)離軸拋物面鏡組會聚到ZnTe晶體上，參考激光經(jīng)半透反射鏡、平行光柵組、偏振片后和會聚到ZnTe晶體上的太赫茲波準直重合，利用ZnTe晶體的Pockels效應(yīng)實現(xiàn)太赫茲波的調(diào)制，CCD探測器將采集到的攜帶太赫茲脈沖強度信息的第一參考激光和不攜帶太赫茲脈沖強度信息的第二參考激光所對應(yīng)的圖像信號輸入計算機進行后續(xù)處理。本發(fā)明提高非接觸燃燒測量方法精度、速度，實現(xiàn)燃燒對象溫度、溫度分布的非接觸測量。
文檔編號G01K11/30GK103076107SQ20131001918
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月17日
發(fā)明者劉亦安, 王玲, 徐英, 鄒紹芳, 吳開華 申請人:杭州電子科技大學(xué)