專利名稱：基于太赫茲脈沖測量的燃燒溫度傳感裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于燃燒檢測技術領域，尤其涉及一種基于太赫茲脈沖測量的燃燒溫度傳感裝置。
背景技術：
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。在燃燒反應過程中化學能不斷的轉換為熱能和電能，同時不斷進行傳熱、傳質及化學反應過程。燃燒過程中會產生二氧化碳、一氧化碳、氮氧化合物、二氧化硫和水蒸氣等氣體產物同時釋放出熱量。為保證中國經濟的可持續(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用。然而由于燃燒過程非常復雜，因此特別需要使用新型的燃燒檢測技術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鍵的參數，燃燒溫度和溫度分布的實時準確測量對于安全生產、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生擾動，其測量響應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方法包括了光學法，聲學法等新一代的方法，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“燃煤鍋爐爐內三維溫度場實時監(jiān)測裝置”通過在爐膛內設置多個攝像頭的方法接受來自爐膛內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燃燒溫度的分布。非接觸式測量方法的優(yōu)點是響應速度快，測量不會對燃燒對象產生干擾。隨著科技和生產力的進步，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生的污染物進行分析和控制。
發(fā)明內容本實用新型的目的是針對現(xiàn)有技術的不足，提出一種基于太赫茲脈沖測量的燃燒溫度傳感裝置，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。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案如下:本實用新型包括飛秒激光器、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、函數發(fā)生器、高頻功率放大器、一維光學平移臺。激光從飛秒激光器發(fā)射，經過分束器分光后，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天線型太赫茲發(fā)射器上，光電導天線型太赫茲發(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，太赫茲脈沖經過離軸拋物面鏡組一側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過第一半透反射鏡后入射到一對平行光柵組上，經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)效應實現(xiàn)對太赫茲波的調制，偏振狀態(tài)被太赫茲波調制的第一參考激光穿過第二半透反射鏡后，再經過第二偏振片，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，不攜帶太赫茲脈沖強度信息的第二參考激光經過第二半透反射鏡、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的圖像信號輸入計算機進行后續(xù)處理。函數發(fā)生器產生基頻正弦波信號輸入到高頻功率放大器，高頻功率放大器驅動光電導天線型太赫茲發(fā)射器周期產生太赫茲脈沖，同時函數發(fā)生器產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，同時通過一維光學平移臺的調整，將太赫茲脈沖的成像位置調節(jié)到CXD探測器的中央區(qū)域。所述的函數發(fā)生器產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，經過放大后加載到光電導天線型太赫茲發(fā)射器上形成光電導天線的周期電壓激勵，當探測激光入射到光電導天線型太赫茲發(fā)射器上時產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。本實用新型有益效果如下:第一，基于太赫茲脈沖測量的燃燒溫度傳感裝置使用平行光柵組實現(xiàn)頻率啁啾和時間展寬，從而實現(xiàn)了太赫茲脈沖的波分電光取樣。通過改變信號發(fā)生器的正弦波和矩形脈沖波的頻率和相位，光電導天線型太赫茲發(fā)射器輻射出的太赫茲脈沖和CCD采樣的時鐘周期同步，從而實現(xiàn)一次CCD的采樣過程就能得到一個太赫茲脈沖的測量，實現(xiàn)快速獲得燃燒對象太赫茲光譜的效果。由于CCD的采樣的頻率可以很快，因此基于太赫茲脈沖測量的燃燒溫度傳感裝置能夠以較高的采樣速率對燃燒對象進行數據采集，特別適合于火焰燃燒這類動態(tài)變化較快的對象的實時測量和分析的需要。因此基于太赫茲脈沖測量的燃燒溫度傳感裝置能夠在快速燃燒變化過程中，在不干擾燃燒物質分布的條件下采用非接觸的方式測量得到燃燒對象的太赫茲光譜數據。第二，由于太赫茲輻射是一種低溫的電磁波輻射，因此燃燒過程中產生的大量背景紅外輻射噪聲對太赫茲脈沖的測量基本不產生干擾，因此使用太赫茲脈沖測量時信噪比特別高?；谔掌澝}沖測量的燃燒溫度傳感裝置能夠實現(xiàn)比傳統(tǒng)基于紅外輻射測量的溫度測量方法有更高的信噪比和精度。第三，光電導天線型太赫茲發(fā)射器能夠發(fā)射出波長范圍在0.1 7THz的太赫茲波，由于發(fā)射出的太赫茲波的頻譜覆蓋了大量的燃燒產物氣體，因此能夠實現(xiàn)在一次測量過程完成對H20、CO、CO2, NO、NO2, NH3和SO2等氣體的監(jiān)測。同時由于太赫茲輻射對于燃燒氣體的靈敏度比傳統(tǒng)紅外輻射高IO3以上，因此基于太赫茲脈沖測量的燃燒溫度傳感方法具有非常高的靈敏度。第四，基于太赫茲脈沖測量的燃燒溫度傳感裝置可以根據燃燒對象的實際情況靈活設置在燃燒區(qū)域的兩邊。由于只需要一個光電導天線型太赫茲發(fā)射器作為光譜輻射源，因此基于太赫茲脈沖測量的燃燒溫度傳感裝置結構非常簡單緊湊。所采用的太赫茲脈沖數據處理方法，能夠通過均勻溫度分布模型和非均勻溫度分布模型實現(xiàn)對復雜燃燒條件下的數據處理和分析。

圖1是本實用新型結構示意圖；圖2是光電導天線型太赫茲發(fā)射器和CCD采樣電路時序圖；圖中，飛秒激光器1、分束器2、第一平面反射鏡3-1、第二平面反射鏡3-2、第三平面反射鏡3-3、聚焦透鏡4、光電導天線型太赫茲發(fā)射器5、離軸拋物面鏡組6、第一半透反射鏡7-1、第二半透反射鏡7-2、平行光柵組8、平面反射鏡9、第一偏振片10-1、第二偏振片10-2、ITO玻璃11、ZnTe晶體12、CCD探測器13、計算機14、函數發(fā)生器15、高頻功率放大器16、一維光學平移臺17。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步的詳細說明。如圖1所示，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1、分束器2、第一平面反射鏡3-1、第二平面反射鏡3-2、第三平面反射鏡3-3、聚焦透鏡4、光電導天線型太赫茲發(fā)射器5、離軸拋物面鏡組6、第一半透反射鏡7-1、第二半透反射鏡7-2、平行光柵組8、平面反射鏡9、第一偏振片10-1、第二偏振片10-2、ITO玻璃11、ZnTe晶體12、CXD探測器13、計算機14、函數發(fā)生器15、高頻功率放大器16、一維光學平移臺17。激光從飛秒激光器I發(fā)射，經過分束器2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3-1、第二平面反射鏡3-2、第三平面反射鏡3-3反射后由聚焦透鏡4聚焦到光電導天線型太赫茲發(fā)射器5上，光電導天線型太赫茲發(fā)射器5在探測激光和高頻功率放大器16的電壓激勵作用下發(fā)射出太赫茲脈沖，太赫茲脈沖經過離軸拋物面鏡組6 —側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，另一側的離軸拋物面鏡將平行的太赫茲波會聚到ZnTe晶體12上，分束器2分出的參考激光經過第一半透反射鏡7-1后入射到一對平行光柵組8上，經過平行光柵組8的參考激光由平面反射鏡9反射回平行光柵組8，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7-1反射通過第一偏振片10-1，經過第一偏振片10-1的參考激光由ITO玻璃11反射到ZnTe晶體12上，和會聚到ZnTe晶體12上的太赫茲波準直重合，利用ZnTe晶體12的泡克耳斯(Pockels)效應實現(xiàn)對太赫茲波的調制，偏振狀態(tài)被太赫茲波調制的第一參考激光穿過第二半透反射鏡7-2后，再經過第二偏振片10-2，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3-4反射到CCD探測器13探測接受，同時由于ZnTe晶體12的雙折射效應，不攜帶太赫茲脈沖強度信息的第二參考激光經過第二半透反射鏡7-2、第六平面反射鏡3-6、第五平面反射鏡3-5反射后也入射到CXD探測器13被探測接收，CCD探測器13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的圖像信號輸入計算機14進行后續(xù)處理。函數發(fā)生器15產生基頻正弦波信號輸入到高頻功率放大器16，高頻功率放大器16驅動光電導天線型太赫茲發(fā)射器5周期產生太赫茲脈沖，同時函數發(fā)生器15產生倍頻的倍頻矩形波信號控制CCD探測器13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8為平行放置的一組光柵，平面反射鏡9將平行光柵組8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11使反射到ZnTe晶體12上的參考激光脈沖與會聚到ZnTe晶體12上的太赫茲脈沖共點共軸。所述的一維光學平移臺17上放置了第一平面反射鏡3-1、第二平面反射鏡3-2，通過光學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，同時通過一維光學平移臺17的調整，將太赫茲脈沖的成像位置調節(jié)到CXD探測器13的中央區(qū)域。如圖2所示，函數發(fā)生器15產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16，經過放大后加載到光電導天線型太赫茲發(fā)射器5上形成光電導天線的周期電壓激勵，當探測激光入射到光電導天線型太赫茲發(fā)射器5上時產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13作為CCD探測器13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。
權利要求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、函數發(fā)生器、高頻功率放大器、一維光學平移臺，其特征在于: 激光從飛秒激光器發(fā)射，經過分束器分光后，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天線型太赫茲發(fā)射器上，光電導天線型太赫茲發(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，太赫茲脈沖經過離軸拋物面鏡組一側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過第一半透反射鏡后入射到一對平行光柵組上，經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實現(xiàn)對太赫茲波的調制，偏振狀態(tài)被太赫茲波調制的第一參考激光穿過第二半透反射鏡后，再經過第二偏振片，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，不攜帶太赫茲脈沖強度信息的第二參考激光經過第二半透反射鏡、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的圖像信號輸入計算機進行后續(xù)處理；函數發(fā)生器產生基頻正弦波信號輸入到高頻功率放大器，高頻功率放大器驅動光電導天線型太赫茲發(fā)射器周期產生太赫茲脈沖，同時函數發(fā)生器產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，同時通過一維光學平移臺的調整，將太赫茲脈沖的成像位置調節(jié)到CCD探測器的中央區(qū)域； 所述的函數發(fā)生器產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，經過放大后加載到光電導天線型太赫茲發(fā)射器上形成光電導天線的周期電壓激勵，當探測激光入射到光電導天線型太赫茲發(fā)射器上時產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。
專利摘要本實用新型公開了一種基于太赫茲脈沖測量的燃燒溫度傳感裝置。本實用新型激光從飛秒激光器發(fā)射，經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，經離軸拋物面鏡組會聚到ZnTe晶體上，參考激光經半透反射鏡、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效應實現(xiàn)太赫茲波的調制，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的圖像信號輸入計算機進行后續(xù)處理。本實用新型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G01K11/30GK203011574SQ20132002476
公開日2013年6月19日 申請日期2013年1月17日 優(yōu)先權日2013年1月17日
發(fā)明者劉亦安, 徐英, 鄒紹芳, 吳開華 申請人:杭州電子科技大學