CN114965319B - 一种基于吸收光谱的气体参数多维检测***及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光吸收光谱技术领域，具体为一种基于吸收光谱的气体参数多维检测***及测量方法，其包括三维平移台模块、待测物理场产生模块和激光模块；W轴旋转台转动设置在底板上；两组X轴平移台滑动设置在W轴旋转台上，两组X轴平移台上均竖直设置安装柱；Z轴平移台a和Z轴平移台b分别滑动设置在两组安装柱上；左支承台和右支承台分别设置在Z轴平移台b和Z轴平移台a上；激光发射模块和激光探测器分别设置在左支承台和右支承台上；热物理场产生装置底部设置升降台。本发明可快速获取待测区域的二维及三维气体热物理参数分布。通过调整待测物理场产生装置的垂直高度，可以获取垂直方向更多的气体热物理参数分布。

Description

一种基于吸收光谱的气体参数多维检测***及测量方法

技术领域

本发明涉及激光吸收光谱技术领域，具体是一种基于吸收光谱的气体参数多维检测***及测量方法。

背景技术

激光吸收光谱技术作为一种非侵入式的高精度的检测手段已经被广泛应用于大气环境监测、工业过程监测、燃烧诊断等各个领域。在过去几十年，研究学者进行了基于激光吸收光谱技术单一路径上的气流温度、组分浓度的测量研究和结合层析成像技术的气流温度、组分浓度、流速和压力等热物理参数的重建。

目前，针对非均匀热物理场或燃烧场，大部分研究工作是基于TDLAS技术将多束激光耦合后通过光纤分束器分为平行或不规则的多路激光，随后穿过待测区域，利用多个光电探测器获取不同方位的多条谱线吸收数据，基于层析成像算法实现对待测区域进行二维的热物理参数的重构和检测。然而，这种测量方法存在实验***复杂、造价昂贵、光路数量及分辨率受限于激光准直器和光电探测器的尺寸、经分束后的激光光强减弱等问题。为了解决这些问题，有研究人员通过光学透镜的变换，将激光从点光源变为面光源，结合二维红外传感器和对待测区域进行多角度的测量，实现了燃烧场相关热物理参数的三维重建。但是这种检测方法固定了激光器和传感器，而改变燃烧器的角度来获取不同方位的吸收光谱信息，可测量燃烧场尺寸仅为25mm×25mm×25mm左右，不利于应用于不同尺度的燃烧场，且二维红外传感器目前价格高，光谱和扫描分辨率不足，影响了该技术的广泛应用。因此，目前尚缺乏通用、高精度、低成本的气流温度、组分浓度等热物理参数的三维重建技术方案及设备。

发明内容

本发明目的是针对背景技术中存在的问题，提出一种基于三维平移台和激光吸收光谱层析成像技术的气体热物理参数多维检测***及测量方法，可对气流热物理场实现二维或三维的参数重构。

一方面，本发明提出一种基于吸收光谱的气体参数多维检测***，包括三维平移台模块、待测热物理场产生模块和激光模块；三维平移台模块包括W轴旋转台、X轴平移台、右支承台、Z轴平移台a、Z轴平移台b和左支承台；待测热物理场产生模块包括待测气体热物理场和热物理场产生装置；激光模块包括激光探测器和激光发射模块；

W轴旋转台转动设置在底板上，底板上设置有带动W轴旋转台转动的W轴驱动电机；X轴平移台沿X向滑动设置在W轴旋转台上，X轴平移台设置两组，W轴旋转台上设置有带动X轴平移台移动的X轴动力组件，两组X轴平移台上均竖直设置安装柱；Z轴平移台a和Z轴平移台b分别沿竖直方向滑动设置在两组安装柱上，安装柱上设置有带动Z轴平移台a和Z轴平移台b移动的Z轴动力组件；左支承台和右支承台分别设置在Z轴平移台b和Z轴平移台a上，左支承台和右支承台均水平设置；激光发射模块和激光探测器分别设置在左支承台和右支承台上，激光发射模块和激光探测器之间形成激光光路；底板和W轴旋转台上均竖直设置有供热物理场产生装置穿过的通孔，热物理场产生装置向上产生待测气体热物理场，激光光路穿过待测气体热物理场，热物理场产生装置底部设置升降台。

优选的，X轴动力组件包括X轴驱动电机和螺杆a；X轴驱动电机设置在W轴旋转台上，X轴驱动电机设置两组，X轴驱动电机的输出轴与螺杆a连接，螺杆a沿X向设置两组，X轴平移台上设置有与螺杆a配合的螺纹孔。

优选的，Z轴动力组件包括Z轴驱动电机和螺杆b；Z轴驱动电机设置两组，两组Z轴驱动电机分别设置在两组安装柱顶部，Z轴驱动电机的输出轴与螺杆b连接，螺杆b竖直设置两组，Z轴平移台a和Z轴平移台b上均设置有与螺杆b配合的螺纹孔。

优选的，左支承台和Z轴平移台b之间设置加强肋板；右支承台和Z轴平移台a之间设置加强肋板。

另一方面，本发明提出一种基于吸收光谱的气体参数多维检测***的气体参数多维测量方法，激光发射模块和激光探测器分别为点光源和点探测器状态下，其特征在于，包括以下步骤：S11、电脑控制端给定X轴驱动电机一个平移信号，左支承台和右支承台带着激光发射模块以及激光探测器随X轴平移台平行扫描待测区域，完成同一入射角的所有扫描检测；S12、驱动W轴旋转台，完成一个给定旋转角度指令后重复S11，以此类推直到完成所有目标旋转角度的平行扫描；S13、按固定步长驱动Z轴平移台a和Z轴平移台b，当右支承台和左支承台上升到目标高度后重复S11和S12；S14、重复S13，直到完成目标垂直高度的测量。

优选的，在气体参数多维测量方法中，激光发射模块和激光探测器分别为线光源和线性矩阵探测器状态下，其特征在于，包括以下步骤：S21、线光源从初始入射角度，沿单一路径穿过待测区域被右支承台上的线性矩阵探测器接收；

S22、驱动W轴旋转台，完成一个给定旋转角度指令后重复S21，以此类推直到完成所有目标旋转角度的平行扫描；S23、按固定步长驱动Z轴平移台a和Z轴平移台b，当右支承台和左支承台上升到目标高度后重复S21和S22；S24、重复S24，直到完成目标垂直高度的测量。

优选的，在气体参数多维测量方法中，激光发射模块和激光探测器分别为面光源和平面矩阵探测器状态下，其特征在于，包括以下步骤：S31、面光源从初始入射角度，沿单一路径穿过待测区域被右支承台上的平面矩阵探测器接收；

S32、按固定步长驱动Z轴平移台a和Z轴平移台b，当右支承台和左支承台上升到目标高度后重复S31；S33、重复S32，直到完成目标垂直高度的测量。

与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：一、通过激光平行扫描、垂直扫描和旋转扫描待测区域，结合光谱层析成像技术可快速获取待测区域的二维及三维气体参数分布，不需要布置大量激光光束和传感器，简化了实验装置，大幅度降低了设备成本，并可通过平移台和旋转台的自动化编程提升测量效率。二、激光发射模块有点光源、线光源和面光源，对应的激光探测器有点探测器、线性矩阵探测器和平面矩阵探测器，更换不同的光源与探测器，可得到不同的检测方法。三、通过在热物理场产生装置下方设置升降台调整热物理场产生装置的垂直高度，可以进行测量平面垂直方向的精准定位并扩展垂直方向的测量范围。

附图说明

图1为本发明一种实施例的结构示意图；

图2为本发明的点光源探测的光路示意图；

图3为本发明的线光源探测的光路示意图；

图4为本发明的面光源探测的光路示意图；

图5为实施例三的流程图；

图6为实施例四的流程图；

图7为实施例五的流程图。

附图标记：1、W轴旋转台；2、X轴平移台；3、X轴驱动电机；4、右支承台；5、激光探测器；6、Z轴平移台a；7、Z轴驱动电机；8、待测气体热物理场；9、Z轴平移台b；10、激光发射模块；11、左支承台；12、激光光路；13、W轴驱动电机；14、热物理场产生装置；15、点光源；16、点探测器；17、线光源；18、线性矩阵探测器；19、面光源；20、平面矩阵探测器。

具体实施方式

实施例一

如图1-4所示，本发明提出的一种基于吸收光谱的气体参数多维检测***，包括三维平移台模块、待测热物理场产生模块和激光模块；三维平移台模块包括W轴旋转台1、X轴平移台2、右支承台4、Z轴平移台a6、Z轴平移台b9和左支承台11；待测热物理场产生模块包括待测气体热物理场8和热物理场产生装置14；激光模块包括激光探测器5和激光发射模块10；

W轴旋转台1转动设置在底板上，底板上设置有带动W轴旋转台1转动的W轴驱动电机13；X轴平移台2沿X向滑动设置在W轴旋转台1上，X轴平移台2设置两组，W轴旋转台1上设置有带动X轴平移台2移动的X轴动力组件，两组X轴平移台2上均竖直设置安装柱；Z轴平移台a6和Z轴平移台b9分别沿竖直方向滑动设置在两组安装柱上，安装柱上设置有带动Z轴平移台a6和Z轴平移台b9移动的Z轴动力组件；左支承台11和右支承台4分别设置在Z轴平移台b9和Z轴平移台a6上，左支承台11和右支承台4均水平设置；激光发射模块10和激光探测器5分别设置在左支承台11和右支承台4上，激光发射模块10和激光探测器5之间形成激光光路12；底板和W轴旋转台1上均竖直设置有供热物理场产生装置14穿过的通孔，热物理场产生装置14向上产生待测气体热物理场8，激光光路12穿过待测气体热物理场8，热物理场产生装置14底部设置升降台。左支承台11和Z轴平移台b9之间设置加强肋板；右支承台4和Z轴平移台a6之间设置加强肋板。

本实施例具有如下有益效果：一、通过激光平行扫描、垂直扫描和旋转扫描待测区域，结合光谱层析成像技术可快速获取待测区域的二维及三维气体参数分布，不需要布置大量激光光束和传感器，简化了实验装置，大幅度降低了设备成本，并可通过平移台和旋转台的自动化编程提升测量效率。二、激光发射模块10有点光源15、线光源17和面光源19，对应的激光探测器5有点探测器16、线性矩阵探测器18和平面矩阵探测器20，更换不同的光源与探测器，可得到不同的检测方法。三、通过在热物理场产生装置14下方设置升降台调整热物理场产生装置14的垂直高度，可以进行测量平面垂直方向的精准定位并扩展垂直方向的测量范围。

实施例二

如图1所示，本发明提出的一种基于吸收光谱的气体参数多维检测***，相较于实施例一，X轴动力组件包括X轴驱动电机3和螺杆a；X轴驱动电机3设置在W轴旋转台1上，X轴驱动电机3设置两组，X轴驱动电机3的输出轴与螺杆a连接，螺杆a沿X向设置两组，X轴平移台2上设置有与螺杆a配合的螺纹孔。Z轴动力组件包括Z轴驱动电机7和螺杆b；Z轴驱动电机7设置两组，两组Z轴驱动电机7分别设置在两组安装柱顶部，Z轴驱动电机7的输出轴与螺杆b连接，螺杆b竖直设置两组，Z轴平移台a6和Z轴平移台b9上均设置有与螺杆b配合的螺纹孔。X轴和Z轴移动的驱动结构均采用电机和螺杆的形式，此种形式结构简单，便于生产制造。

实施例三

如图5所示，基于上述一种基于吸收光谱的气体参数多维检测***实施例的气体参数多维测量方法，激光发射模块10和激光探测器5分别为点光源15和点探测器16状态下，其特征在于，包括以下步骤：

S11、电脑控制端给定X轴驱动电机3一个平移信号，左支承台11和右支承台4带着激光发射模块以及激光探测器随X轴平移台2平行扫描待测区域，完成同一入射角的所有扫描检测；

S12、驱动W轴旋转台1，完成一个给定旋转角度指令后重复S11，以此类推直到完成所有目标旋转角度的平行扫描；

S13、按固定步长驱动Z轴平移台a6和Z轴平移台b9，当右支承台4和左支承台11上升到目标高度后重复S11和S12；

S14、重复S13，直到完成目标垂直高度的测量。

本实施例中，S11和S12可对待测区域进行网格化分，获取某一垂直高度待测气体热物理场不同方位沿光程的吸收光谱信号；完成所有步骤可获取目标高度的所有断层平面的气体热物理场不同方位沿光程的吸收光谱信号，结合激光吸收光谱层析成像技术，可获得所述待测气体热物理场热物理参数的三维分布。

实施例四

如图6所示，基于上述一种基于吸收光谱的气体参数多维检测***实施例的气体参数多维测量方法，激光发射模块10和激光探测器5分别为线光源17和线性矩阵探测器18状态下，其特征在于，包括以下步骤：

S21、线光源17从初始入射角度，沿单一路径穿过待测区域被右支承台4上的线性矩阵探测器18接收；

S22、驱动W轴旋转台1，完成一个给定旋转角度指令后重复S21，以此类推直到完成所有目标旋转角度的平行扫描；

S23、按固定步长驱动Z轴平移台a6和Z轴平移台b9，当右支承台4和左支承台11上升到目标高度后重复S21和S22；

S24、重复S23，直到完成目标垂直高度的测量。

本实施例中，S21和S22可获取某一垂直高度待测气体热物理场热物理场不同方位沿光程的吸收光谱信号；完成所有步骤可获取目标高度的所有断层平面的气体热物理场不同方位沿光程的吸收光谱信号，结合激光吸收光谱层析成像技术，可获得所述待测气体热物理参数的三维分布。

实施例五

如图7所示，基于上述一种基于吸收光谱的气体参数多维检测***实施例的气体参数多维测量方法，激光发射模块10和激光探测器5分别为面光源19和平面矩阵探测器20状态下，其特征在于，包括以下步骤：

S31、面光源19从初始入射角度，沿单一路径穿过待测区域被右支承台4上的平面矩阵探测器20接收；

S32、按固定步长驱动Z轴平移台a6和Z轴平移台b9，当右支承台4和左支承台11上升到目标高度后重复S31；

S33、重复S32，直到完成目标垂直高度的测量。

本实施例中，S31可获取与面光源19相同高度的待测气体热物理参数的三维分布，所有步骤可获取目标高度的待测气体热物理参数的三维分布。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下还可以作出各种变化。

Claims (2)

1.一种基于吸收光谱的气体参数多维检测***，其特征在于，包括三维平移台模块、待测热物理场产生模块和激光模块；三维平移台模块包括W轴旋转台(1)、X轴平移台(2)、右支承台(4)、Z轴平移台a(6)、Z轴平移台b(9)和左支承台(11)；待测热物理场产生模块包括待测气体热物理场(8)和热物理场产生装置(14)；激光模块包括激光探测器(5)和激光发射模块(10)；

W轴旋转台(1)转动设置在底板上，底板上设置有带动W轴旋转台(1)转动的W轴驱动电机(13)；X轴平移台(2)沿X方向滑动设置在W轴旋转台(1)上，X轴平移台(2)设置两组，W轴旋转台(1)上设置有带动X轴平移台(2)移动的X轴动力组件，两组X轴平移台(2)上均竖直设置安装柱；Z轴平移台a(6)和Z轴平移台b(9)分别沿竖直方向滑动设置在两组安装柱上，安装柱上设置有带动Z轴平移台a(6)和Z轴平移台b(9)移动的Z轴动力组件；左支承台(11)和右支承台(4)分别设置在Z轴平移台b(9)和Z轴平移台a(6)上，左支承台(11)和右支承台(4)均水平设置；激光发射模块(10)和激光探测器(5)分别设置在左支承台(11)和右支承台(4)上，激光发射模块(10)和激光探测器(5)之间形成激光光路(12)；底板和W轴旋转台(1)上均竖直设置有供热物理场产生装置(14)穿过的通孔，热物理场产生装置(14)向上产生待测气体热物理场(8)，激光光路(12)穿过待测气体热物理场(8)，热物理场产生装置(14)底部设置升降台；

X轴动力组件包括X轴驱动电机(3)和螺杆a；X轴驱动电机(3)设置在W轴旋转台(1)上，X轴驱动电机(3)设置两组，X轴驱动电机(3)的输出轴与螺杆a连接，螺杆a沿X方向设置两组，X轴平移台(2)上设置有与螺杆a配合的螺纹孔；

Z轴动力组件包括Z轴驱动电机(7)和螺杆b；Z轴驱动电机(7)设置两组，两组Z轴驱动电机(7)分别设置在两组安装柱顶部，Z轴驱动电机(7)的输出轴与螺杆b连接，螺杆b竖直设置两组，Z轴平移台a(6)和Z轴平移台b(9)上均设置有与螺杆b配合的螺纹孔；

左支承台(11)和Z轴平移台b(9)之间设置加强肋板；右支承台(4)和Z轴平移台a(6)之间设置加强肋板。

2.一种根据权利要求1所述的基于吸收光谱的气体参数多维检测***的气体参数多维测量方法，激光发射模块(10)包括点光源(15)、线光源(17)和面光源(19)，激光探测器(5)包括点探测器(16)、线性矩阵探测器(18)和平面矩阵探测器(20)，其特征在于，包括以下步骤：

使用点光源(15)和点探测器(16)时：

S11、电脑控制端给定X轴驱动电机(3)一个平移信号，左支承台(11)和右支承台(4)带着激光发射模块以及激光探测器随X轴平移台(2)平行扫描待测区域，完成同一入射角的所有扫描检测；

S12、驱动W轴旋转台(1)，完成一个给定旋转角度指令后重复S11，以此类推直到完成所有目标旋转角度的平行扫描；

S13、按固定步长驱动Z轴平移台a(6)和Z轴平移台b(9)，当右支承台(4)和左支承台(11)上升到目标高度后重复S11和S12；

S14、重复S13，直到完成目标垂直高度的测量；

其中，对待测区域进行网格化分，获取某一垂直高度待测气体热物理场不同方位沿光程的吸收光谱信号；完成步骤S11至S14后，获取目标高度的所有断层平面的气体热物理场不同方位沿光程的吸收光谱信号，结合激光吸收光谱层析成像技术，获得所述待测气体热物理场热物理参数的三维分布；

使用线光源(17)和线性矩阵探测器(18)时：

S21、线光源(17)从初始入射角度，沿单一路径穿过待测区域被右支承台(4)上的线性矩阵探测器(18)接收；

S22、驱动W轴旋转台(1)，完成一个给定旋转角度指令后重复S21，以此类推直到完成所有目标旋转角度的平行扫描；

S23、按固定步长驱动Z轴平移台a(6)和Z轴平移台b(9)，当右支承台(4)和左支承台(11)上升到目标高度后重复S21和S22；

S24、重复S23，直到完成目标垂直高度的测量；

其中，获取某一垂直高度待测气体热物理场不同方位沿光程的吸收光谱信号；完成步骤S21至S24后，获取目标高度的所有断层平面的气体热物理场不同方位沿光程的吸收光谱信号，结合激光吸收光谱层析成像技术，获得所述待测气体热物理参数的三维分布；

使用面光源(19)和平面矩阵探测器(20)时：

S31、面光源(19)从初始入射角度，沿单一路径穿过待测区域被右支承台(4)上的平面矩阵探测器(20)接收；

S32、按固定步长驱动Z轴平移台a(6)和Z轴平移台b(9)，当右支承台(4)和左支承台(11)上升到目标高度后重复S31；

S33、重复S32，直到完成目标垂直高度的测量；

其中，获取与面光源(19)相同高度的待测气体热物理参数的三维分布，完成步骤S31至S33后，获取目标高度的待测气体热物理参数的三维分布。

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