一种测量混合气体流场组分浓度分布的光学方法

摘要

本发明提供了一种测量混合气体流场的组分浓度分布的光学方法。所述混合气体流场包括相互混合在一起的第一已知气体和第二已知气体，而且所述测量混合气体流场的组分浓度分布的光学方法包括如下步骤：a、向所述混合气体流场发射单波长的激光；b、在用于形成莫尔条纹的光学组件中，利用通过所述混合气体流场后的激光形成莫尔条纹；c、利用重建算法根据所述莫尔条纹计算得到所述混合气体流场的立体折射率分布；d、根据所述立体折射率分布计算得到所述第一已知气体和所述第二已知气体的立体浓度分布。本发明的有益效果在于：所述测量混合气体流场组分浓度分布的光学方法实时、稳定、非接触地获得具有双组分混合气体流场的组分浓度分布。

权利要求

1.一种测量混合气体流场组分浓度分布的光学方法，所述混合气体流场包括相互混合在一起的第一已知气体和第二已知气体，其特征在于，包括如下步骤：a、向所述混合气体流场发射单波长的激光；

b、在用于形成莫尔条纹的光学组件中，利用通过所述混合气体流场后的激光形成莫尔条纹；

c、利用重建算法根据所述莫尔条纹计算得到所述混合气体流场的立体折射率分布；

d、根据所述立体折射率分布计算得到所述第一已知气体和所述第二已知气体的立体浓度分布；

记被测量的混合气体流场的折射率记为nt，记所述混合气体流场的第一已知气体和第二已知气体的折射率分别为n1和n2, 假设所述第一已知气体的浓度为μ，则所述第二已知气体浓度为(1-μ)，则有：nt-1＝μ(n1-1)+(1-μ)(n2-1)＝μn1-μ+(1-μ)n2-(1-μ)

＝μn1-μ+n2-μn2-1+μ

＝μn1+n2-μn2-1

＝μ(n1-n2)+n2-1

则所述第一已知气体和所述第二已知气体的浓度分布可这样获得：所述第一已知气体的浓度分布：

所述第二已知气体的浓度分布：1-μ。

2.根据权利要求1所述的测量混合气体流场组分浓度分布的光学方法，其特征在于：步骤c包括如下步骤：采用图像传感器采集所述莫尔条纹，并将所述莫尔条纹发送至计算机；

利用所述计算机根据重建算法计算所述混合气体流场的立体折射率分布。

3.根据权利要求1所述的测量混合气体流场组分浓度分布的光学方法，其特征在于：在步骤d中，在所述光学组件中，所述激光依次穿过光栅组件、成像透镜组件和莫尔条纹接收屏，从而在所述莫尔条纹接收屏上形成所述莫尔条纹。

4.根据权利要求3所述的测量混合气体流场组分浓度分布的光学方法，其特征在于：所述成像透镜组件包括相对间隔设置的第一透镜和第二透镜，且在所述第一透镜和所述第二透镜之间还设置有滤波器，所述滤波器与所述第一透镜和所述第二透镜同光轴设置。

说明书

一种测量混合气体流场组分浓度分布的光学方法

技术领域

[0001] 本发明属于光学探测技术领域，具体地涉及一种测量混合气体流场组分浓度分布的光学方法。

背景技术

[0002] 目前，混合气体流场的组分浓度分布的测量，对很多领域都显得尤为基础而关键。然而，此问题至今尚未得到很好的解决。

[0003] 因此，有必要提供一种具有实时、稳定、非接触等特点，并可以给出3-D浓度分布的测量混合气体流场的组分浓度分布的光学方法。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种具有实时、稳定、非接触等特点，并可以给出3-D浓度分布的测量混合气体流场的组分浓度分布的光学方法。

[0005] 本发明的技术方案如下：一种测量混合气体流场的组分浓度分布的光学方法，所述混合气体流场包括相互混合在一起的第一已知气体和第二已知气体，而且所述测量混合气体流场的组分浓度分布的光学方法包括如下步骤：a、向所述混合气体流场发射单波长的激光；b、在用于形成莫尔条纹的光学组件中，利用通过所述混合气体流场后的激光形成莫尔条纹；c、利用重建算法根据所述莫尔条纹计算得到所述混合气体流场的立体折射率分布；d、根据所述立体折射率分布计算得到所述第一已知气体和所述第二已知气体的立体浓度分布。

[0006] 优选地，步骤c包括如下步骤：

[0007] 采用图像传感器采集所述莫尔条纹，并将所述莫尔条纹发送至计算机；

[0008] 利用所述计算机根据重建算法计算所述混合气体流场的立体折射率分布。

[0009] 优选地，在步骤d中，根据如下公式计算所述第一已知气体的浓度分布：

[0010]

[0011] 其中，μ是第一已知气体的浓度分布，nt是测量得到的所述混合气体流场的折射率，n1和n2分别是所述第一已知气体和所述第二已知气体的折射率。

[0012] 优选地，所述第二已知气体的浓度分布为1-μ。

[0013] 优选地，在步骤d中，在所述光学组件中，所述激光依次穿过光栅组件、成像透镜组件和莫尔条纹接收屏，从而在所述莫尔条纹接收屏上形成所述莫尔条纹。

[0014] 优选地，所述成像透镜组件包括相对间隔设置的第一透镜和第二透镜，且在所述第一透镜和所述第二透镜之间还设置有滤波器，所述滤波器与所述第一透镜和所述第二透镜同光轴设置。

[0015] 本发明的有益效果在于：所述测量混合气体流场组分浓度分布的光学方法可以实时、稳定、非接触地获得具有双组分混合气体流场的组分浓度分布；而且，所述测量混合气体流场组分浓度分布的光学方法所采用的实验装置简单，操作便捷，适合一定规模的混合气体流场浓度的检测。

附图说明

[0016] 图1为与本发明实施例提供的测量混合气体流场组分浓度分布的光学方法相关的测量装置的结构示意图；

[0017] 图2为本发明的实施例提供的测量混合气体流场组分浓度分布的光学方法的流程框图。

具体实施方式

[0018] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0019] 除非上下文另有特定清楚的描述，本发明中的元件和组件，数量既可以单个的形式存在，也可以多个的形式存在，本发明并不对此进行限定。本发明中的步骤虽然用标号进行了排列，但并不用于限定步骤的先后次序，除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础，否则步骤的相对次序是可以调整的。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。

[0020] 请同时参阅图1和图2，图1为与本发明实施例提供的测量混合气体流场组分浓度分布的光学方法相关的测量装置的结构示意图；图2为本发明的实施例提供的测量混合气体流场组分浓度分布的光学方法的流程框图。

[0021] 所述测量装置100包括沿光轴依次直线排列的探测光源10、扩束准直装置20、混合气体流场30、光学组件40和与计算机通信连接的图像传感器50。其中，所述混合气体流场30是包括相互混合在一起的第一已知气体和第二已知气体，例如由氧气和氩气组成的混合气体流场。而且，在所述测量装置100的工作过程中，所述探测光源10提供的光束依次通过所述扩束准直装置20、所述混合气体流场30和所述光学组件40。

[0022] 所述探测光源10为所述测量装置100提供单波长的激光。优选地，所述探测光源10是发射单波长激光的激光探测光源。可选择地，所述探测光源10提供的激光波长可以根据待测气体种类不同而进行调整，本发明对此不做限定。

[0023] 所述扩束准直装置20可以在长距离上提供平行度较高的圆形光斑的光束，并且在距离远近发生变化时使得光斑尺寸保持基本不变。在本实施例中，所述扩束准直装置20用于对所述探测光源10提供的激光进行调整，并保证经过所述混合气体流场30内的激光具有高平行度和低发散度的特点。

[0024] 所述光学组件40可以利用通过所述混合气体流场30后的激光生成莫尔条纹。在本实施例中，所述光学组件40包括沿所述光轴依次直线排列的光栅组件41、成像透镜组件42和莫尔条纹接收屏43。其中，所述光栅组件41包括相对间隔设置的第一光栅411和第二光栅412，所述成像透镜组件42包括相对间隔设置的第一成像透镜421和第二成像透镜422。优选地，为了能够获得清晰准确的莫尔条纹分布，所述光学组件40是典型的4-f系统。

[0025] 而且，在所述光学组件40中，为了去除杂散光对莫尔条纹的影响，所述第一成像透镜421和第二成像透镜422之间还设置有用于消除杂散光的滤波器44，所述滤波器44与所述第一透镜421和所述第二透镜422同光轴设置。

[0026] 所述图像传感器50对应所述光学组件40的莫尔条纹接收屏43设置，用于记录所述莫尔条纹接收屏43表面形成的莫尔条纹。在本实施例中，所述图像传感器50是CCD图像传感器。

[0027] 而且，所述图像传感器50还将采集到的所述莫尔条纹发送至计算机，并通过所述计算机根据设定的算法而获得所述混合气体流场30的立体折射率分布。

[0028] 需要说明的是，对于具有双组分的混合气体流场而言，其折射率和浓度分布之间的关系如下：

[0029] 记被测量的混合气体流场30的折射率记为nt，记所述混合气体流场30的第一已知气体和第二已知气体的折射率分别为n1和n2。假设所述第一已知气体的浓度为μ，则所述第二已知气体浓度为(1-μ)。因此，可以有：

[0030] nt-1＝μ(n1-1)+(1-μ)(n2-1)

[0031] ＝μn1-μ+(1-μ)n2-(1-μ)

[0032] ＝μn1-μ+n2-μn2-1+μ

[0033] ＝μn1+n2-μn2-1

[0034] ＝μ(n1-n2)+n2-1

[0035] 基于上述公式，只要实验测得所述混合气体流场30的立体折射率分布nt，则所述第一已知气体和所述第二已知气体的浓度分布可这样获得：

[0036] 所述第一已知气体的浓度分布：

[0037] 所述第二已知气体的浓度分布：1-μ。

[0038] 进一步地，本发明实施例提供的基于所述测量装置100的测量混合气体流场组分浓度分布的光学方法200，其包括如下步骤：

[0039] 步骤S1、向所述混合气体流场发射单波长的激光。

[0040] 具体地，通过所述探测光源10向所述混合气体流场30内发射单波长的激光。而且，所述激光经过所述扩束准直装置20的准直调整后进入所述混合气体流场30内。

[0041] 步骤S2、在用于形成莫尔条纹的光学组件中，利用通过所述混合气体流场后的激光形成莫尔条纹。

[0042] 具体地，所述激光经过所述混合气体流场30后直接进入所述光学组件40中。而且，在所述光学组件40中，所述激光依次穿过光栅组件41、成像透镜组件42和莫尔条纹接收屏43，从而在所述莫尔条纹接收屏43上形成所述莫尔条纹。

[0043] 步骤S3、利用重建算法根据所述莫尔条纹计算得到所述混合气体流场的立体折射率分布。

[0044] 具体地，所述步骤S3包括如下步骤：

[0045] 采用图像传感器50采集所述莫尔条纹，并将所述莫尔条纹发送至计算机；

[0046] 利用所述计算机根据重建算法计算所述混合气体流场的立体折射率分布。

[0047] 需要说明的是，当所述图像传感器50将所述莫尔条纹发送至所述计算机后，在所述计算机中利用莫尔偏折层析技术构建重建算法，并计算得到所述混合气体流场30的立体折射率分布。

[0048] 步骤S4、根据所述立体折射率分布计算得到所述第一已知气体和所述第二已知气体的立体浓度分布。

[0049] 具体地，在所述步骤S4中，根据如下公式计算所述第一已知气体的浓度分布：

[0050]

[0051] 其中，μ是第一已知气体的浓度分布，nt是测量得到的所述混合气体流场的折射率，n1和n2分别是所述第一已知气体和所述第二已知气体的折射率。

[0052] 进一步地，所述第二已知气体的浓度分布为1-μ。

[0053] 也就是说，根据步骤S2中得到的所述混合气体流场30的立体折射率分布，可以逐步计算得到所述第一已知气体和所述第二已知气体的立体浓度分布，从而实现所述混合气体流场30组分浓度分布的测量操作。

[0054] 相较于现有技术，本发明提供的测量混合气体流场组分浓度分布的光学方法可以实时、稳定、非接触地获得具有双组分混合气体流场的组分浓度分布；而且，所述测量混合气体流场组分浓度分布的光学方法所采用的实验装置简单，操作便捷，适合一定规模的混合气体流场浓度的检测。

[0055] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

[0056] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。