一种利用微波光子滤波器进行火焰温度分布测量的系统及方法

1.本发明涉及燃烧学、微波光子学、微波光子滤波器、以及微波光子滤波器应用于传感的技术领域，具体地说，是一种利用微波光子滤波器进行火焰温度分布测量的系统及方法。


背景技术：

2.火焰广泛存在于工业领域中，如汽车的内燃机，钢铁、冶金工业的窑炉，燃气轮机，电站锅炉，生产水泥熟料的回转炉和航天火箭、航空飞机的发动机
1.等。燃烧广泛存在于日常生活和钢铁、冶金、电站、航空航天等工业生产过程。燃烧火焰三维温度场的重建研究，为探究燃烧化学的本质、调整燃烧方式、优化燃烧过程以及控制燃烧污染物生成等提供重要数据支撑，具有重要的科学意义和应用价值
2.。其中，火焰温度是与燃烧过程密切相关的重要指标，进行火焰温度测量，将有助于揭示燃烧现象的本质和燃烧过程的规律，控制燃烧污染物的生成和排放，也将有助于发展和改进燃烧系统的设计和优化运行。面对现有火焰温度测量系统复杂、调试繁琐等问题以及相应测量装置在辐射信息采样与重建方面的不足。现有的火焰温度测量有方法有接触式和非接触式，本发明提供的是一种依靠微波光子滤波器进行火焰温度分布测量的系统和方法，由于末端光纤探头已经接触火焰，因此该方法属于接触式测量方法。该接触方式与热电偶法和光纤测温法不同，属于一种全新的测量方法。
3.微波光子学中关键技术之一就是微波光子滤波器，其主要目的是代替传统的方法来处理射频信号，即利用射频信号直接调制光载波。微波光子滤波器是一种针对宽带微波信号最为重要的光子信号处理技术。利用微波光子滤波器实现传感的系统，主要实现对温度、压力、液体折射率等待测量变化的传感。
4.本发明提供的一种利用微波光子滤波器进行火焰温度分布测量的系统及方法，将传感光纤探头端面作为传感器件直接接触感知火焰温度的分布，光纤外层涂有耐火材料，且端面不含耐火材料。无需使用对波长进行解调仪器和设备，大大减少了系统成本，且其具有传输距离上的灵活性，可实现长距离的火焰温度分布测量，重建火焰的温度分布。
5.参考文献：
6.[1]范传新，王鹏.固体火箭发动机羽焰测温方法研究[j].宇航计测技术，2006(04)：18-22.
[0007]
[2]孙俊.基于光场成像的火焰三维温度场测量方法研究[d].东南大学，2018.


技术实现要素：

[0008]
本发明的目的在于提供一种利用微波光子滤波器进行火焰温度分布测量的系统及方法，为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
[0009]
本发明提出的一种利用微波光子滤波器进行火焰温度分布测量的系统及方法，包括：
[0010]
宽谱光源(101)，用于产生放大的自发辐射光(amplified spontaneous emission light，ase)；
[0011]
电光调制器(102)，用于将频率范围为[f1，f2]的射频信号和频率范围为[f3，f4]的射频信号调制到自发辐射光上，即形成以fsr(free spectral range)为周期的频谱，其中fsr为微波光子滤波器的自由频谱范围；
[0012]
光隔离器(103)，用于正向传输的光通过而隔离反向传输的光，从而防止反射光影响系统的稳定性；
[0013]
多输入多输出的光纤耦合器(104)，该光纤耦合器为包含n个输入端口和n个输出端口的光纤耦合器，用来将从输入端口1输入的信号光传输到输出端口1所连接的传感光纤1，输出端口2所连接的传感光纤2，
……
，以及输出端口k所连接传感光纤k，
……
，输出端口n所连接的传感光纤n；多输入多输出的光纤耦合器(104)的输入端口1连接电光调制器(102)，输入端口2连接光电探测器(106)，其他输入端口不连接任何光器件，即暴露于空气中；其中，k为1至n范围内的整数；
[0014]
包含探头的传感光纤1-n(105)，该光纤为长度为lk，其中，k为1至n范围内的整数；用来形成微波光子滤波器，传感光纤k的a端连接多输入多输出的光纤耦合器(104)的输出端口k，b端作为火焰测量的感应器件，待测量为端面接触的火焰折射率(温度)，待测火焰存在于传输光纤k的b端的端面上，为了形成微波光子滤波器，包含探头的传感光纤1-n(105)中至少有一根传感光纤的b端的端面上存在火焰，至少有一根光纤的b端的端面暴露于空气中，其他光纤的b端口上涂有与光纤折射率接近的涂层，以减少反射光的存在对于系统造成的影响；其中，k为1至n范围内的整数；
[0015]
光电探测器(106)，用来把调制了射频信号的光信号转化为电信号；
[0016]
频谱分析模块(107)，用来把光电探测器输出的电信号转化为频率域的输出，通过对不同频率的电信号响应形成微波光子滤波器的频率响应，即显示输出信号的频谱；
[0017]
光纤位移马达(108)，用来调整测量火焰温度的光纤传感探头b端的位置，使得该光纤传感探头的b端在火焰不同位置移动；所述光纤移位马达(108)包含xyz轴方向移动台(801)，用于微调光纤传感探头b端的位置上下左右的位置；
[0018]
耐火材料(109)，为了防止光纤在火焰作用下断裂，该耐火材料(109)涂在测量火焰温度的末端光纤包层上，且光纤b端面不包含该耐火材料(109)。
[0019]
进一步地，多输入多输出的光纤耦合器(104)可以采用2
×
2光学耦合器，且满足如下条件：fsr＝c/(2ne|l
2-l1|)，其中c为光的传播速度，ne为包含探头的传感光纤1-n(105)的折射率，l1和l2分别为传感光纤1和传感光纤2的长度，且f1和f2满足：|f
2-f1|＝nfsr。
[0020]
进一步地，该系统中所用到的包含探头的传感光纤1-n(105)的两端口的接头类型如下：a端连接多输入多输出的光纤耦合器(104)的输出端口k，a端的接头类型与输出端口k的接头类型相同，即均为pc(physical contact)型光纤接头，或者apc(angle physical contact)型光纤接头，b端空置作为感应端面或涂有耐火材料(109)，且光纤b端面不包含该耐火材料(109)；
[0021]
测量包含探头的传感光纤1-n(105)中某一根传感光纤k的b端的火焰温度分布时，应通过保持另外一根传感光纤探头(记作传感光纤探头k+1)的b端的环境保持不变，以此来保证微波光子滤波器能够正常工作并实现较高灵敏度传感。
[0022]
进一步地，按照如下方法完成对火焰不同位置的初步测量：
[0023]
a)光纤位移马达(108)将光纤b端面移动至火焰外焰，记录此处的微波光子射频频谱；
[0024]
b)光纤位移马达(108)将光纤b端面移动至火焰内焰，记录此处的微波光子射频频谱；
[0025]
c)光纤位移马达(108)将光纤b端面移动至火焰中心处，记录此处的微波光子射频频谱；
[0026]
d)光纤位移马达(108)将光纤b端面移动至火焰其他部位，记录此处的微波光子射频频谱。
[0027]
进一步地，按照如下方法对于初步测量数据进行拟合，重建火焰的温度分布：
[0028]
a)选取温度场t(t，x，y，z)和n种物质密度场ρn(t，x，y，z)随时间和空间演化的燃烧模型；
[0029]
b)将多个测量点的射频谱数据输入燃烧模型；
[0030]
c)采用最小二乘法进行拟合，得到燃烧模型的各个参数；
[0031]
d)重建火焰温度场t(t，x，y，z)；
[0032]
e)描绘火焰温度场分布图。
[0033]
进一步地，所述耐火材料(109)的厚度与测量时间长短有关，所述耐火材料(109)的厚度d满足如下条件：d≥a
t
(t
2-t1)，其中t1和t2为测量的起始和终止时间，a
t
为单位时间的扩散长度。
[0034]
进一步地，为了较快的完成扫描过程，可以将需要扫描的射频谱分为n段，通过n个扫频信号线性扫频完成各段频谱的扫描，并最终完成整个射频谱范围的扫描。
[0035]
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
[0036]
1、本发明提供的一种利用微波光子滤波器进行火焰温度分布测量的系统及方法将传感光纤探头端面作为传感器件，光纤外层涂有耐火材料，且端面不含耐火材料；
[0037]
2、本发明提供的一种利用微波光子滤波器进行火焰温度分布测量的系统及方法通过输出的电磁频谱幅度变化对火焰温度分布进行测量，不需要对波长进行解调的仪器和设备，减少了系统成本；
[0038]
3、本发明提供的一种利用微波光子滤波器进行火焰温度分布测量的系统及方法，可实现长距离的火焰温度分布测量，重建火焰的温度分布。
附图说明
[0039]
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0040]
图1本发明的火焰温度测量方法分类图；
[0041]
图2为本发明提供的多输入多输出光纤耦合器的结构示意图；
[0042]
图3为本发明提供的一种利用微波光子滤波器进行火焰温度分布测量的系统示意图；
[0043]
图4为图3中包含探头的传感光纤1-n的结构示意图；
[0044]
图5为本发明对于初步测量数据进行拟合，重建火焰的温度分布的流程图；
[0045]
图6为采用本发明检测火焰温度分布的微波光子滤波器的响应曲线图。
具体实施方式
[0046]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]
更具体地，如附图1所示，火焰温度测量方法有接触式和非接触式。本发明提供的是一种依靠微波光子滤波器进行火焰温度分布测量的系统和方法，由于末端光纤探头已经接触火焰，因此该方法属于接触式测量方法。该接触方式与热电偶法和光纤测温法不同，属于一种全新的测量方法。
[0048]
更具体地，如附图2所示，是多输入多输出的光纤耦合器(104)包含输入端口1-n和输出端口1-n；用来将从输入端口1输入的信号光传输到输出端口1所连接的传感光纤1，输出端口2所连接的传感光纤2，
……
，以及输出端口k所连接传感光纤k，
……
，输出端口n所连接的传感光纤n。如附图3所示的一种利用微波光子滤波器进行火焰温度分布测量的系统示意图，使用的是为2x2光纤耦合器其中输出端口1(out_1)连接涂有耐火材料(109)的包含探头的传感光纤1-n(105)置于空气当中；输出端口2(out_2)连接有公里光纤长度为lk，其中，k为1至n范围内的整数，可以实现远距离的测量，公里光纤末端连接包含探头的传感光纤1-n(105)测量火焰温度分布，包含探头的传感光纤1-n(105)端面在受到火焰的影响反射率发生变化，该调制后的微波信号经过包含探头的传感光纤1-n(105)两端口的反射，最终形成干涉；其中光纤移位马达(108)包含xyz轴方向移动台(801)，光纤固定在xyz轴方向移动台(801)通过光纤移位马达(108)驱动和控制，调整测量火焰温度的光纤传感探头b端的位置，使得该光纤传感探头的b端在火焰不同位置移动；宽谱光源(101)输出连接电光调制器(102)，电光调制器(102)于光隔离器(103)相连接，光隔离器(103)连接在2
×
2光纤耦合器的输入端口1(in_1)；光纤耦合器的输入端口2(in_2)于光电探测器(106)，所述光电探测器(106)把调制了射频信号的光信号转化为电信号，在频谱分析仪(107)上进行数据采集。
[0049]
更具体地，如附图4所示是附图3中包含探头的传感光纤1-n的结构示意图，包含探头的传感光纤1-n(105)的探头外层涂有耐火材料(109)，在进行火焰温度分布测量时，防止光纤在火焰作用下断裂，该耐火材料(109)涂在测量火焰温度的末端光纤包层上，且光纤a、b的端面不包含该耐火材料(109)。该光纤长度为lk，其中，k为1至n范围内的整数。
[0050]
更具体地，如附图5所示，在频谱分析仪(107)上采集的数据按照如下方法对于初步测量数据进行拟合，重建火焰的温度分布：
[0051]
a)选取温度场t(t，x，y，z)和n种物质密度场ρn(t，x，y，z)随时间和空间演化的燃烧模型；
[0052]
b)将多个测量点的射频谱数据输入燃烧模型；
[0053]
c)采用最小二乘法进行拟合，得到燃烧模型的各个参数；
[0054]
d)重建火焰温度场t(t，x，y，z)；
[0055]
e)描绘火焰温度场分布图。
[0056]
更具体地，如附图6所示，待测火焰温度分布为外焰时的微波光子响应曲线。
[0057]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种利用微波光子滤波器进行火焰温度分布测量的系统，包括如下组成：宽谱光源(101)，用于产生放大的自发辐射光(amplified spontaneous emission light，ase)；电光调制器(102)，用于将频率范围为[f1，f2]的射频信号和频率范围为[f3，f4]的射频信号调制到自发辐射光上，即形成以fsr(free spectral range)为周期的频谱，其中fsr为微波光子滤波器的自由频谱范围；光隔离器(103)，用于正向传输的光通过而隔离反向传输的光，从而防止反射光影响系统的稳定性；多输入多输出的光纤耦合器(104)，该光纤耦合器为包含n个输入端口和n个输出端口的光纤耦合器，用来将从输入端口1输入的信号光传输到输出端口1所连接的传感光纤1，输出端口2所连接的传感光纤2，......，以及输出端口k所连接传感光纤k，......，输出端口n所连接的传感光纤n；多输入多输出的光纤耦合器(104)的输入端口1连接电光调制器(102)，输入端口2连接光电探测器(106)，其他输入端口不连接任何光器件，即暴露于空气中；其中，k为1至n范围内的整数；包含探头的传感光纤1-n(105)，该光纤为长度为l
k
，其中，k为1至n范围内的整数；用来形成微波光子滤波器，传感光纤k的a端连接多输入多输出的光纤耦合器(104)的输出端口k，b端作为火焰测量的感应器件，待测量为端面接触的火焰折射率(温度)，待测火焰存在于传输光纤k的b端的端面上，为了形成微波光子滤波器，包含探头的传感光纤1-n(105)中至少有一根传感光纤的b端的端面上存在火焰，至少有一根光纤的b端的端面暴露于空气中，其他光纤的b端口上涂有与光纤折射率接近的涂层，以减少反射光的存在对于系统造成的影响；其中，k为1至n范围内的整数；光电探测器(106)，用来把调制了射频信号的光信号转化为电信号；频谱分析模块(107)，用来把光电探测器输出的电信号转化为频率域的输出，通过对不同频率的电信号响应形成微波光子滤波器的频率响应，即显示输出信号的频谱；光纤位移马达(108)，用来调整测量火焰温度的光纤传感探头b端的位置，使得该光纤传感探头的b端在火焰不同位置移动；所述光纤移位马达(108)包含xyz轴方向移动台(801)，用于微调光纤传感探头b端的位置上下左右的位置；耐火材料(109)，为了防止光纤在火焰作用下断裂，该耐火材料(109)涂在测量火焰温度的末端光纤包层上，且光纤b端面不包含该耐火材料(109)。2.如权利要求1所述的系统，其特征为：多输入多输出的光纤耦合器(104)可以采用2
×
2光学耦合器，且满足如下条件：fsr＝c/(2n
e
|l
2-l1|)，其中c为光的传播速度，n
e
为包含探头的传感光纤1-n(105)的折射率，l1和l2分别为传感光纤1和传感光纤2的长度，且f1和f2满足：|f
2-f1|＝nfsr。3.如权利要求1所述的系统，其特征为：该系统中所用到的包含探头的传感光纤1-n(105)的两端口的接头类型如下：a端连接多输入多输出的光纤耦合器(104)的输出端口k，a端的接头类型与输出端口k的接头类型相同，即均为pc(physical contact)型光纤接头，或者apc(angle physical contact)型光纤接头，b端空置作为感应端面或涂有耐火材料(109)，且光纤b端面不包含该耐火材料(109)；测量包含探头的传感光纤1-n(105)中某一根传感光纤k的b端的火焰温度分布时，应通
过保持另外一根传感光纤探头(记作传感光纤探头k+1)的b端的环境保持不变，以此来保证微波光子滤波器能够正常工作并实现较高灵敏度传感。4.如权利要求1所述的系统，其特征为：按照如下方法完成对火焰不同位置的初步测量：a)光纤位移马达(108)将光纤b端面移动至火焰外焰，记录此处的微波光子射频频谱；b)光纤位移马达(108)将光纤b端面移动至火焰内焰，记录此处的微波光子射频频谱；c)光纤位移马达(108)将光纤b端面移动至火焰中心处，记录此处的微波光子射频频谱；d)光纤位移马达(108)将光纤b端面移动至火焰其他部位，记录此处的微波光子射频频谱。5.如权利要求1所述的系统，其特征为：按照如下方法对于初步测量数据进行拟合，重建火焰的温度分布：a)选取温度场t(t，x，y，z)和n种物质密度场ρ
n
(t，x，y，z)随时间和空间演化的燃烧模型；b)将多个测量点的射频谱数据输入燃烧模型；c)采用最小二乘法进行拟合，得到燃烧模型的各个参数；d)重建火焰温度场t(t，x，y，z)；e)描绘火焰温度场分布图。6.如权利要求1所述的系统，其特征为：所述耐火材料(109)的厚度与测量时间长短有关，所述耐火材料(109)的厚度d满足如下条件：d≥a
t
(t
2-t1)，其中t1和t2为测量的起始和终止时间，a
t
为单位时间的扩散长度。7.如权利要求4所述的系统，其特征为：为了较快的完成扫描过程，可以将需要扫描的射频谱分为n段，通过n个扫频信号线性扫频完成各段频谱的扫描，并最终完成整个射频谱范围的扫描。

技术总结
本发明提供的是一种依靠微波光子滤波器进行火焰温度分布测量的系统和方法，由于末端光纤探头已经接触火焰，因此该方法属于接触式测量方法。该接触方法与热电偶法和光纤测温法不同，属于一种全新的测量方法。该系统对于采集的数据可重建火焰的温度分布。该装置包括宽谱光源、电光调制器、光纤位移马达、包含探头的传感光纤1-N、多输入多输出的光纤耦合器、光电探测器、频谱分析模块，所述光纤位移马达包含XYZ轴方向移动台；所述传感光纤探头涂有耐火材料且端面不含耐火材料；所述多输入多输出的光纤耦合器可以优先选择为2


技术研发人员：桂林 李乾坤 丁美琪
受保护的技术使用者：上海第二工业大学
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/9/11