單顆微粒燃料微燃燒、氣化懸浮、點(diǎn)燃、成像及檢測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種單顆微粒燃料微燃燒、氣化懸浮、點(diǎn)燃、成像及檢測系統(tǒng)。目前，基于微燃燒的微能源系統(tǒng)所使用的燃料普遍為氣體燃料，但氣體燃料不易存儲(chǔ)、攜帶。本發(fā)明包括第一激光驅(qū)動(dòng)器、第一激光器、第二激光驅(qū)動(dòng)器、第二激光器、第一反光鏡、第一分光鏡、倒置望遠(yuǎn)鏡、第二分光鏡、高倍物鏡、微顆粒燃料、微燃燒芯片、三維電動(dòng)位移平臺(tái)、聚光鏡、第三分光鏡、可變光闌、集光鏡、光源、第一透鏡、濾光片、四象限探測器、第二透鏡、第三分光鏡、CCD相機(jī)、第二反光鏡和紅外攝像機(jī)。本發(fā)明采用全光學(xué)式顆粒懸浮定位、點(diǎn)燃以及測試方法，對(duì)顆粒微燃燒和氣化進(jìn)行無干擾式測試，最能反映微燃燒和氣化真實(shí)性，還原其本質(zhì)，有效揭示其機(jī)理。
【專利說明】單顆微粒燃料微燃燒、氣化懸浮、點(diǎn)燃、成像及檢測系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微燃燒【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及ー種單顆微粒燃料微燃燒、氣化懸浮、點(diǎn)燃、成像及檢測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微電機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展，因能滿足可攜帶電子設(shè)備的長時(shí)間供電和微小型航空航天設(shè)備高性能動(dòng)カ源和電源的需求，微能源系統(tǒng)的研究引起了廣泛的重視，如微/納衛(wèi)星、微飛行器、“陸軍勇士”單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)、機(jī)器螞蟻、移動(dòng)式電子設(shè)備微能源系統(tǒng)等。傳統(tǒng)微能源系統(tǒng)大多基于微鋰電池組進(jìn)行供電，但鋰電池組供電存在諸多不足:能量密度較低、供電時(shí)間較短、重復(fù)使用時(shí)充電時(shí)間較長等，因此難以滿足新型微能源系統(tǒng)體積小、重量輕、能量密度高、不間斷長時(shí)間供電等的要求。
[0003]1996年，由MIT的Epstein和Senturia首次提出新型微能源系統(tǒng)“Power MEMS”，可產(chǎn)生電能20W和推力0.125N。而后“Power MEMS”擴(kuò)展到微燃料電池、微型核電池、微型熱機(jī)系統(tǒng)等。
[0004]微燃料電池具有操作溫度低(80?100°C )效率較高(20?30%)的優(yōu)勢，但系統(tǒng)極其復(fù)雜，尤其是燃料轉(zhuǎn)化器等。微型核電池具有供電時(shí)間長(衰變50年)、受干擾小的優(yōu)勢，但有供能低(數(shù)mW)，放射源不安全、衰變控制難、微型化難等問題。微型熱機(jī)是通過微尺度燃燒將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，再轉(zhuǎn)換為電能或者推力的一種微能源系統(tǒng)，包括微熱電系統(tǒng)、微熱光伏系統(tǒng)、微燃燒透平/發(fā)動(dòng)(電)機(jī)系統(tǒng)。這三種微型熱機(jī)系統(tǒng)各自具有優(yōu)缺點(diǎn)，但每個(gè)系統(tǒng)都需要對(duì)燃料進(jìn)行微燃燒。
[0005]目前，基于微燃燒的微能源系統(tǒng)所使用的燃料普遍為氣體燃料，因?yàn)闅怏w燃料的燃燒熱值高，易于點(diǎn)燃，假設(shè)能量轉(zhuǎn)換效率為20%，氣體燃料燃燒能量密度也能達(dá)到2000ff-hr/Kg以上。但氣體燃料不易存儲(chǔ)、攜帯，對(duì)于微型航空航天設(shè)備以及便攜式設(shè)備而言是ー個(gè)較大的問題。因此存在一個(gè)疑問:微燃燒燃料能否使用液體或固體微顆粒燃料？
[0006]如果使用液體或固體微顆粒燃料，如何對(duì)微燃燒進(jìn)行有效操控？如何集成微燃燒系統(tǒng)？
[0007]本發(fā)明采用全光學(xué)式顆粒懸浮定位、點(diǎn)燃成像，以及對(duì)微顆粒燃料微燃燒進(jìn)行無干擾式測試，最能反映微燃燒和氣化真實(shí)性，還原其本質(zhì)，有效掲示其機(jī)理，可作為標(biāo)準(zhǔn)性燃燒和氣化測試方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明為了解決使用液體或固體微顆粒燃料微燃燒系統(tǒng)中微燃燒有效控制及系統(tǒng)集成問題，提出了ー種單顆微粒燃料微燃燒、氣化懸浮、點(diǎn)燃、成像及檢測系統(tǒng)。
[0009]本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0010]單顆微粒燃料微燃燒、氣化懸浮、點(diǎn)燃、成像及檢測系統(tǒng)，包括第一激光驅(qū)動(dòng)器、第一激光器、第二激光驅(qū)動(dòng)器、第二激光器、第一反光鏡、第一分光鏡、倒置望遠(yuǎn)鏡、第二分光鏡、高倍物鏡、微顆粒燃料、微燃燒芯片、三維電動(dòng)位移平臺(tái)、聚光鏡、第三分光鏡、可變光闌、集光鏡、光源、第一透鏡、濾光片、四象限探測器、第二透鏡、第三分光鏡、C⑶相機(jī)、第二反光鏡和紅外攝像機(jī)。
[0011]第一激光器發(fā)出的光通過第一分光鏡、倒置望遠(yuǎn)鏡、第二分光鏡和高倍物鏡形成聚焦光斑來懸浮微顆粒燃料；通過調(diào)節(jié)第一激光驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電流提高第一激光器的輸出功率至微顆粒燃料點(diǎn)燃；微粒燃燒發(fā)出的紅外輻射光通過高倍物鏡、第二分光鏡、第二透鏡、第三分光鏡、第二反光鏡到達(dá)紅外攝像機(jī)進(jìn)行成像和微粒溫度分布檢測；所述的微顆粒燃料放置于微燃燒芯片中。
[0012]第二激光器發(fā)出的光通過第一反光鏡、第一分光鏡、倒置望遠(yuǎn)鏡、第二分光鏡、高倍物鏡、微顆粒燃料、微燃燒芯片、聚光鏡、第三分光鏡、第一透鏡、濾光片到達(dá)四象限探測器，獲得微顆粒燃料的位置，第二激光器由第二激光驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)和控制。
[0013]光源發(fā)出的光通過集光鏡、可變光闌、第三分光鏡、聚光鏡對(duì)微燃燒芯片進(jìn)行均勻照明；照明光通過高倍物鏡、第二分光鏡、第二透鏡、第三分光鏡到達(dá)CXD相機(jī)進(jìn)行成像、微粒形狀和粒徑檢測。
[0014]更進(jìn)一步說，微顆粒燃料為液體、固體、生物質(zhì)顆?；蚧旌先剂?；液體選用油或醇類，固體選用煤或金屬，生物質(zhì)顆粒選用稻草或秸桿。
[0015]更進(jìn)一步說，微燃燒芯片由三維電動(dòng)位移平臺(tái)控制，精確改變微顆粒燃料與光束的相對(duì)位置。
[0016]本發(fā)明采用全光學(xué)式顆粒懸浮定位、點(diǎn)燃以及測試方法，對(duì)顆粒微燃燒和氣化進(jìn)行無干擾式測試，最能反映微燃燒和氣化真實(shí)性，還原其本質(zhì)，有效揭示其機(jī)理，可作為標(biāo)準(zhǔn)性燃燒和氣化測試方法，克服現(xiàn)有微燃燒和氣化機(jī)理研究的難題。該技術(shù)不僅能應(yīng)用于能源領(lǐng)域，而且可用于環(huán)境化學(xué)、生命科學(xué)、生物醫(yī)藥和航空航天等諸多領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明的單顆微粒燃料懸浮和點(diǎn)燃示意圖；
[0019]圖3為本發(fā)明的微顆粒燃料的位置測試示意圖；
[0020]圖4為本發(fā)明的微顆粒燃料及微燃燒芯片照明示意圖；
[0021]圖5為本發(fā)明的微顆粒燃料形狀、粒徑和溫度分布測試示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0023]如圖1所示:本實(shí)施例主要包括第一激光驅(qū)動(dòng)器1、第一激光器2、第二激光驅(qū)動(dòng)器
3、第二激光器4、第一反光鏡5、第一分光鏡6、倒置望遠(yuǎn)鏡7、8、第二分光鏡9、高倍物鏡10、微顆粒燃料11、微燃燒芯片12、三維電動(dòng)位移平臺(tái)13、聚光鏡14、第三分光鏡15、可變光闌16、集光鏡17、光源18、第一透鏡19、濾光片20、四象限探測器21、第二透鏡22、第三分光鏡23、CXD相機(jī)24、第二反光鏡25和紅外攝像機(jī)26。
[0024]第一激光器2發(fā)出的光通過第一分光鏡6、倒置望遠(yuǎn)鏡7、8、第二分光鏡9和高倍物鏡10形成聚焦光斑來懸浮微顆粒燃料11，微顆粒燃料11放置于設(shè)計(jì)加工的微燃燒芯片12中，微燃燒芯片12由三維電動(dòng)位移平臺(tái)13控制，精確改變微顆粒燃料11與光束的相對(duì)位置。微顆粒燃料11可以為液體(油、醇類)、固體(煤、金屬)、生物質(zhì)顆粒(稻草、秸桿)及混合燃料等。微顆粒燃料懸浮及點(diǎn)燃示意圖見說明書附圖2。微顆粒燃料11在懸浮、燃燒和氣化過程中的受力包括激光輻射力、光泳力、熱泳力、曳力、熱流逸力、布朗力、重力和浮力等，其分析如下。
[0025]激光輻射力:在激光作用下，光子碰撞顆粒而發(fā)生方向改變，從而導(dǎo)致動(dòng)量變化，根據(jù)動(dòng)量守恒定律和牛頓第二定律，顆粒受到光子碰撞產(chǎn)生的作用力。激光輻射力的表達(dá)
式為其中ε為顆粒發(fā)射率、c為光速、Ptl為入射光總能量、Ap為顆粒橫
【權(quán)利要求】
1.單顆微粒燃料微燃燒、氣化懸浮、點(diǎn)燃、成像及檢測系統(tǒng)，其特征在于:包括第一激光驅(qū)動(dòng)器(I)、第一激光器(2)、第二激光驅(qū)動(dòng)器(3)、第二激光器(4)、第一反光鏡(5)、第一分光鏡出)、倒置望遠(yuǎn)鏡(7、8)、第二分光鏡(9)、高倍物鏡(10)、微顆粒燃料(11)、微燃燒芯片(12)、三維電動(dòng)位移平臺(tái)(13)、聚光鏡(14)、第三分光鏡(15)、可變光闌(16)、集光鏡(17)、光源(18)、第一透鏡(19)、濾光片(20)、四象限探測器(21)、第二透鏡(22)、第三分光鏡(23)、CCD相機(jī)(24)、第二反光鏡(25)和紅外攝像機(jī)(26)； 第一激光器(2)發(fā)出的光通過第一分光鏡(6)、倒置望遠(yuǎn)鏡(7、8)、第二分光鏡(9)和高倍物鏡(10)形成聚焦光斑來懸浮微顆粒燃料(11);通過調(diào)節(jié)第一激光驅(qū)動(dòng)器(I)的驅(qū)動(dòng)電流提高第一激光器(2)的輸出功率至微顆粒燃料(11)點(diǎn)燃；微粒燃燒發(fā)出的紅外輻射光通過高倍物鏡(10)、第二分光鏡(9)、第二透鏡(22)、第三分光鏡(23)、第二反光鏡(25)到達(dá)紅外攝像機(jī)(26)進(jìn)行成像和微粒溫度分布檢測；所述的微顆粒燃料(11)放置于微燃燒芯片(12)中； 第二激光器(4)發(fā)出的光通過第一反光鏡(5)、第一分光鏡(6)、倒置望遠(yuǎn)鏡(7、8)、第二分光鏡(9)、高倍物鏡(10)、微顆粒燃料(11)、微燃燒芯片(12)、聚光鏡(14)、第三分光鏡(15)、第一透鏡(19)、濾光片(20)到達(dá)四象限探測器(21)，獲得微顆粒燃料(11)的位置，第二激光器(4)由第二激光驅(qū)動(dòng)器(3)驅(qū)動(dòng)和控制； 光源(18)發(fā)出的光通過集光鏡(17)、可變光闌(16)、第三分光鏡(15)、聚光鏡(14)對(duì)微燃燒芯片(12)進(jìn)行均勻照明；照明光通過高倍物鏡(10)、第二分光鏡(9)、第二透鏡(22)、第三分光鏡(23)到達(dá)CCD相機(jī)(24)進(jìn)行成像、微粒形狀和粒徑檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單顆微粒燃料微燃燒、氣化懸浮、點(diǎn)燃、成像及檢測系統(tǒng)，其特征在于:微顆粒燃料為液體、固體、生物質(zhì)顆?；蚧旌先剂?；液體選用油或醇類，固體選用煤或金屬，生物質(zhì)顆粒選用稻草或秸桿。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單顆微粒燃料微燃燒、氣化懸浮、點(diǎn)燃、成像及檢測系統(tǒng)，其特征在于:微燃燒芯片由三維電動(dòng)位移平臺(tái)控制，精確改變微顆粒燃料與光束的相對(duì)位置。
【文檔編號(hào)】G01J5/00GK103454185SQ201310370302
【公開日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2013年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月22日
【發(fā)明者】李盛姬, 黃雪峰 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)