一種基于數(shù)字全息光鑷的微顆粒群燃料微燃燒系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于數(shù)字全息光鑷的微顆粒群燃料微燃燒系統(tǒng)。本實用新型包括第一激光驅(qū)動器、第一激光器、第一分光鏡、第二激光器、衰減片、第二反光鏡、準(zhǔn)直透鏡組、第一反光鏡、空間光調(diào)制器、擴(kuò)束鏡組、第二分光鏡、物鏡、微顆粒群燃料、微燃燒芯片、第三分光鏡、第三反光鏡、CCD相機(jī)、紅外攝像機(jī)、第一圖像采集卡、第二圖像采集卡、數(shù)據(jù)采集卡、計算機(jī)、氮?dú)鈨馄?、氧氣儲氣瓶、第一流量計、第二流量計、緩沖罐、第一閥門、第二閥門、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀。本實用新型可通過數(shù)字全息技術(shù)和空間光調(diào)制器有效操控燃料的分布形態(tài)，實現(xiàn)微顆粒群燃料能夠在微燃燒芯片中發(fā)生燃燒，而且可以有效改善微燃燒的組成方式，提高微燃燒的燃燒效率。
【專利說明】一種基于數(shù)字全息光鑷的微顆粒群燃料微燃燒系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于微燃燒【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于數(shù)字全息光鑷的微顆粒群燃料微燃燒系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]微燃燒與傳統(tǒng)燃燒功能相同，就是將燃料的化學(xué)能高效轉(zhuǎn)化為熱能和動能，同時具有可靠的點火方式、較寬的運(yùn)行界限和較小的壓力損失。但尺度的減小為微尺度燃燒帶來了很多挑戰(zhàn):(I)燃料混合困難:因為微尺度小燃料混合物流動的雷諾數(shù)很小，流動處于層流狀態(tài)。因此混合不能依靠強(qiáng)烈的湍流混合，而是依靠分子擴(kuò)散。(2)較小的燃料滯留時間:隨著尺度的減小，燃料在燃燒室內(nèi)的滯留時間大大縮減，通常約為0.5ms，達(dá)到了燃料的特征反應(yīng)時間，因此鄧克爾準(zhǔn)數(shù)Da接近于甚至小于1，因此很多燃料來不及反應(yīng)就被排除室外，燃燒效率降低。(3)較大的燃燒熱損失:隨著尺度的減小，燃燒室的表面積體積比大大增加，相應(yīng)的表面散熱量也大大增加，從而影響燃燒效率。同時散熱嚴(yán)重，會造成燃燒室溫度降低，降低反應(yīng)速度，增加反應(yīng)時間，使得燃燒運(yùn)行界限變窄，鄧克爾數(shù)更小，燃燒效率降低。燃燒的不穩(wěn)定性增強(qiáng):隨著尺度的減小，燃燒不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)熄火現(xiàn)象。主要因為:表面積體積比增大，熱損失增大，反應(yīng)溫度降低，延緩燃燒反應(yīng)速率反應(yīng)運(yùn)行界限減小，反應(yīng)延緩甚至停止；燃燒室體積減小，從而減小了燃料的停留時間，加大氣體流速，短時間內(nèi)可導(dǎo)致不反應(yīng)而出現(xiàn)吹熄。反應(yīng)過程產(chǎn)生許多中間產(chǎn)物，其中具有活性的自由基將會影響反應(yīng)的連續(xù)性。大尺度下，自由基壁面消耗可以忽略，但在微尺度下，分子擴(kuò)散到壁面的距離很短，單位時間與壁面的碰撞頻率增加，因此自由基壁面消耗很大，對整體反應(yīng)影響加大。
[0003]因此，本實用新型提出采用基于數(shù)字全息光鑷的微顆粒燃料微燃燒控制系統(tǒng)，可以增加燃料在微燃燒芯片中的滯留時間，提高燃料的混合程度，實現(xiàn)微顆粒燃料在微燃燒芯片里燃燒，而且可以有效進(jìn)行操控，提高燃燒的效率和燃料能量利用率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型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，提出了一種基于數(shù)字全息光鑷的微顆粒群燃料微燃燒系統(tǒng)。
[0005]本實用新型采取的技術(shù)方案為:
[0006]基于數(shù)字全息光鑷的微顆粒群燃料微燃燒系統(tǒng)包括第一激光驅(qū)動器、第一激光器、第一分光鏡、第二激光器、衰減片、第二反光鏡、準(zhǔn)直透鏡組、第一反光鏡、空間光調(diào)制器、擴(kuò)束鏡組、第二分光鏡、物鏡、微顆粒群燃料、微燃燒芯片、第三分光鏡、第三反光鏡、CCD相機(jī)、紅外攝像機(jī)、第一圖像采集卡、第二圖像采集卡、數(shù)據(jù)采集卡、計算機(jī)、氮?dú)鈨馄?、氧氣儲氣瓶、第一流量計、第二流量計、緩沖罐、第一閥門、第二閥門、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀、第三閥門、真空泵、照明系統(tǒng)、載物臺、壓電陶瓷和壓力表。
[0007]第一激光器發(fā)出的光經(jīng)過第一分光鏡入射到準(zhǔn)直透鏡組中對光路進(jìn)行準(zhǔn)直；然后經(jīng)第一反光鏡入射到空間光調(diào)制器中，空間光調(diào)制器反射的光經(jīng)過擴(kuò)束鏡組擴(kuò)束，擴(kuò)束光束經(jīng)第二分光鏡反射至物鏡聚焦于微顆粒群燃料上，微顆粒群燃料被捕獲而均勻分布；第一激光器由第一激光驅(qū)動器驅(qū)動和控制；微顆粒群燃料被置于微燃燒芯片中。
[0008]第二激光器發(fā)出的光經(jīng)衰減片、第二反光鏡、準(zhǔn)直透鏡組、第一反光鏡、空間光調(diào)制器、擴(kuò)束鏡組、第二分光鏡、物鏡到達(dá)微顆粒群燃料上，用于對光路進(jìn)行輔助調(diào)節(jié)，確保微顆粒群燃料能夠被準(zhǔn)確捕獲。
[0009]照明系統(tǒng)發(fā)出的光經(jīng)微顆粒群燃料、載物臺、微燃燒芯片、物鏡、第二分光鏡到達(dá)第三分光鏡，經(jīng)第三分光鏡分光后，一束光進(jìn)入CCD相機(jī)中，對微顆粒群燃料進(jìn)行成像并觀察燃料分布情況；另一束光經(jīng)第三反光鏡進(jìn)入紅外攝像機(jī)中，對微顆粒群燃料進(jìn)行溫度分布測試。
[0010]CXD相機(jī)經(jīng)第一圖像采集卡與計算機(jī)相連；紅外攝像機(jī)經(jīng)第二圖像采集卡與計算機(jī)相連；根據(jù)微顆粒群燃料的位置分布和燃燒情況，計算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡對第一激光驅(qū)動器和空間光調(diào)制器進(jìn)行反饋控制。
[0011]氮?dú)鈴牡獨(dú)鈨馄拷?jīng)第一流量計進(jìn)入緩沖罐,氧氣從氧氣儲氣瓶經(jīng)第二流量計進(jìn)入緩沖罐，氮?dú)馀c氧氣按照79:21的比例在緩沖罐中進(jìn)行混合成為混合氣。
[0012]混合氣在未進(jìn)入微燃燒芯片之前，先利用真空泵經(jīng)第三閥門對微燃燒芯片抽真空；滿足真空度要求后，混合氣經(jīng)第一閥門進(jìn)入微燃燒芯片中，壓力表檢測微燃燒芯片中的壓力；微顆粒群燃料在混合氣氣氛中被均勻捕獲，通過調(diào)節(jié)第一激光驅(qū)動器的驅(qū)動電流提高第一激光器的輸出功率，至微顆粒群燃料被點燃。
[0013]微顆粒群燃料發(fā)生燃燒后析出的揮發(fā)分和燃燒尾氣經(jīng)第二閥門進(jìn)入氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀中進(jìn)行成分分析。
[0014]本實用新型可通過數(shù)字全息技術(shù)和空間光調(diào)制器有效操控燃料的分布形態(tài)，實現(xiàn)微顆粒群燃料能夠在微燃燒芯片中發(fā)生燃燒，而且可以有效改善微燃燒的組成方式，提高微燃燒的燃燒效率，為微型航空航天以及微型便攜式設(shè)備提供動力和推進(jìn)系統(tǒng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本實用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為本實用新型的數(shù)字全息陣列光鑷示意圖；
[0017]圖3為本實用新型的數(shù)字全息陣列光鑷輔助調(diào)節(jié)光路示意圖；
[0018]圖4為本實用新型的微顆粒群燃料成像、檢測和反饋控制示意圖；
[0019]圖5為本實用新型的微燃燒芯片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0020]以下結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步說明。
[0021]經(jīng)典全息技術(shù)利用光的干涉原理，將物體發(fā)射的光波波前以干涉條紋的形式記錄下來，達(dá)到凍結(jié)物光波相位信息的目的；利用光的衍射原理再現(xiàn)所記錄物光波的波前，就能夠得到物體的振幅(強(qiáng)度)和位相(包括位置、形狀和色彩)信息，在光學(xué)檢測和三維成像領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢。
[0022]數(shù)字全息是指用CCD成像器件代替普通照相干板來記錄全息圖，用數(shù)字計算方法再現(xiàn)；后來，數(shù)字全息的范圍擴(kuò)大到計算機(jī)制全息圖，光電子再現(xiàn)全息圖等，形成了更廣義的數(shù)字全息。數(shù)字全息術(shù)從記錄過程來看可以分為計算機(jī)制全息和像素全息兩種:從再現(xiàn)過程分又可以分為計算機(jī)再現(xiàn)和光電子再現(xiàn)。
[0023]如圖1所不:本實施例包括第一激光驅(qū)動器1、第一激光器2、第一分光鏡3、第二激光器4、衰減片5、第二反光鏡6、準(zhǔn)直透鏡組7、8、第一反光鏡9、空間光調(diào)制器10、擴(kuò)束鏡組11、12、第二分光鏡13、物鏡14、微顆粒群燃料15、微燃燒芯片16、第三分光鏡17、第三反光鏡18、CCD相機(jī)19、紅外攝像機(jī)20、第一圖像采集卡21、第二圖像采集卡22、數(shù)據(jù)采集卡23、計算機(jī)24、氮?dú)鈨馄?5、氧氣儲氣瓶26、第一流量計27、第二流量計28、緩沖罐29、第一閥門30、第二閥門31、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀32、第三閥門33、真空泵34、照明系統(tǒng)35、載物臺36、壓電陶瓷37、壓力表38。
[0024]第一激光器2發(fā)出的光經(jīng)過第一分光鏡3入射到準(zhǔn)直透鏡組7、8中對光路進(jìn)行準(zhǔn)直。然后經(jīng)第一反光鏡9入射到空間光調(diào)制器10中，空間光調(diào)制器10反射的光經(jīng)過擴(kuò)束鏡組11、12擴(kuò)束，擴(kuò)束光束經(jīng)第二分光鏡13反射至物鏡14聚焦于微顆粒群燃料15上，微顆粒群燃料15被捕獲而均勻分布。
[0025]空間光調(diào)制器10是一類能將信息加載于一維或兩維的光學(xué)數(shù)據(jù)場上，以便有效的利用光的固有速度、并行性和互連能力的器件。這類器件可在隨時間變化的電驅(qū)動信號或其他信號的控制下，改變空間上光分布的振幅或強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)以及波長，或者把非相干光轉(zhuǎn)化成相干光。本實用新型是利用空間光調(diào)制器的數(shù)字全息技術(shù)，通過控制空間光調(diào)制器的相位輸出實現(xiàn)對微顆粒群燃料的某一種形式的空間分布。
[0026]本實用新型的【具體實施方式】中，空間調(diào)制器10采用向列式液晶光閥空間光調(diào)制器，包含許多由計算機(jī)控制的像素單元，通過施加電場，可以實時調(diào)整像素上液晶的取向，從而產(chǎn)生相應(yīng)的相移，最終在光學(xué)捕獲面上產(chǎn)生可實時控制光強(qiáng)分布的圖案，其中每一個光點可以捕獲一個微粒，具有捕獲微粒群的能力。因此單光束通過空間調(diào)制器10后形成具有特性分布形式的多光束，多光束經(jīng)過物鏡14后形成陣列光鑷。本實用新型中采用的數(shù)字全息光鑷光路圖見圖2。
[0027]本實用新型采用數(shù)字記錄和光學(xué)再現(xiàn)的方式實現(xiàn)數(shù)字全息光鑷，通過軟件生成全息圖，然后讀入到空間光調(diào)制器10中，用空間光調(diào)制器10代替?zhèn)鹘y(tǒng)光學(xué)全息中的再現(xiàn)介質(zhì)。首先，設(shè)定并加載微顆粒群燃料15的分布信息，即讀入燃料位置分布的圖片，注意圖片尺寸不要超過1024X1024像素。通過設(shè)置虛擬光路的參數(shù)，如衍射距離、參考光夾角等，生成數(shù)字全息圖。然后，根據(jù)說明書附圖1的光路利用數(shù)字對全息圖再現(xiàn)計算程序?qū)崿F(xiàn)具有空間分布的多光束陣列光鑷。調(diào)節(jié)空間調(diào)制器10上的偏振片的角度和空間調(diào)制器10與光路的夾角，獲得最佳再現(xiàn)效果。
[0028]微顆粒群燃料15被置于微燃燒芯片16中。本實用新型系統(tǒng)中所使用的微顆粒群燃料15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。由于液體燃料、固體、生物質(zhì)燃料及混合燃料，其燃料特性參數(shù)存在較大差異，因此需要實時反饋燃料空間分布給激光驅(qū)動器和空間光調(diào)制器進(jìn)行有效調(diào)控。
[0029]逐漸提高照射在微顆粒群燃料15上的激光功率，顆粒表面發(fā)生氣化，有揮發(fā)分析出，當(dāng)微顆粒燃料表面溫度超過其著火點時，微顆粒燃料被點燃而發(fā)生燃燒反應(yīng)。說明書附圖2中，第一激光器2被第一激光驅(qū)動器I驅(qū)動和控制，因此為了實現(xiàn)微顆粒燃料點燃，第一激光器2的最高輸出功率應(yīng)達(dá)到數(shù)瓦。
[0030]本實用新型中第一激光器2的波長為不可見光，因此對于光路的調(diào)節(jié)需要采用輔助光路來進(jìn)行，數(shù)字全息光鑷輔助調(diào)節(jié)光路見說明書附圖3。第二激光器4發(fā)出的光經(jīng)衰減片5、第二反光鏡6、準(zhǔn)直透鏡組7、8、第一反光鏡9、空間光調(diào)制器10、擴(kuò)束鏡組11、12、第二分光鏡13、物鏡14到達(dá)微顆粒群燃料15上，用于對光路進(jìn)行輔助調(diào)節(jié)，確保微顆粒群燃料15能夠被準(zhǔn)確捕獲。第二激光器4通常米用可見光氦氖激光器,波長632.8nm,功率為數(shù)毫瓦。
[0031]本實用新型中微顆粒群燃料15的成像、空間位置分布和溫度分布測試圖見說明書附圖4。照明系統(tǒng)35發(fā)出的光經(jīng)微顆粒群燃料15、載物臺36、微燃燒芯片16、物鏡14、第二分光鏡13到達(dá)第三分光鏡17，經(jīng)第三分光鏡17分光后，一束光進(jìn)入CXD相機(jī)19中，對微顆粒群燃料15進(jìn)行成像并觀察燃料分布情況。另一束光經(jīng)第三反光鏡18進(jìn)入紅外攝像機(jī)20中，對微顆粒群燃料15進(jìn)行溫度分布測試。微燃燒芯片中，載物臺36可由壓電陶瓷37以一定的頻率震蕩，以使燃料不能沉積在載物臺上。
[0032]同時采用計算機(jī)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集和反饋控制，其結(jié)構(gòu)示意圖見說明書附圖4。CXD相機(jī)19經(jīng)第一圖像采集卡21與計算機(jī)24相連。紅外攝像機(jī)20經(jīng)第二圖像采集卡22與計算機(jī)24相連。根據(jù)微顆粒群燃料15的位置分布和燃燒情況，通過數(shù)據(jù)采集卡23對第一激光驅(qū)動器I和空間光調(diào)制器10進(jìn)行反饋控制。通過調(diào)節(jié)第一激光驅(qū)動器I的功率輸出實現(xiàn)微顆粒群燃料15的穩(wěn)定捕獲，通過調(diào)節(jié)和變換空間光調(diào)制器10的多光束分布來實現(xiàn)微顆粒群燃料15不同形式的分布。
[0033]微燃燒芯片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見說明書附圖5，氮?dú)鈴牡獨(dú)鈨馄?5經(jīng)第一流量計27進(jìn)入緩沖罐29，氧氣從氧氣儲氣瓶26經(jīng)第二流量計28進(jìn)入緩沖罐29，氮?dú)馀c氧氣按照79:21的比例在緩沖罐29中進(jìn)行混合成為混合氣。
[0034]混合氣在未進(jìn)入微燃燒芯片16之前，先利用真空泵34經(jīng)第三閥門33對微燃燒芯片16抽真空。滿足真空度要求后，混合氣經(jīng)第一閥門30進(jìn)入微燃燒芯片16中，壓力表38檢測微燃燒芯片16中的壓力。
[0035]微顆粒群燃料15在混合氣氣氛中被均勻捕獲，通過調(diào)節(jié)第一激光驅(qū)動器I的驅(qū)動電流提高第一激光器2的輸出功率，至微顆粒群燃料15被點燃。
[0036]微顆粒群燃料15發(fā)生燃燒后析出的揮發(fā)分和燃燒尾氣經(jīng)第二閥門31進(jìn)入氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀32中進(jìn)行成分分析。
【權(quán)利要求】
1.一種基于數(shù)字全息光鑷的微顆粒群燃料微燃燒系統(tǒng)，其特征在于:包括第一激光驅(qū)動器(I)、第一激光器(2)、第一分光鏡(3)、第二激光器(4)、衰減片(5)、第二反光鏡(6)、準(zhǔn)直透鏡組(7、8)、第一反光鏡(9)、空間光調(diào)制器(10)、擴(kuò)束鏡組(11、12)、第二分光鏡(13)、物鏡(14)、微顆粒群燃料(15)、微燃燒芯片(16)、第三分光鏡(17)、第三反光鏡(18)、C⑶相機(jī)(19)、紅外攝像機(jī)(20)、第一圖像采集卡(21)、第二圖像采集卡(22)、數(shù)據(jù)采集卡(23)、計算機(jī)(24)、氮?dú)鈨馄?25)、氧氣儲氣瓶(26)、第一流量計(27)、第二流量計(28)、緩沖罐(29)、第一閥門(30)、第二閥門(31)、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(32)、第三閥門(33)、真空泵(34)、照明系統(tǒng)(35)、載物臺(36)、壓電陶瓷(37)和壓力表(38)； 第一激光器(2)發(fā)出的光經(jīng)過第一分光鏡(3)入射到準(zhǔn)直透鏡組(7、8)中對光路進(jìn)行準(zhǔn)直；然后經(jīng)第一反光鏡(9)入射到空間光調(diào)制器(10)中，空間光調(diào)制器(10)反射的光經(jīng)過擴(kuò)束鏡組(11、12)擴(kuò)束，擴(kuò)束光束經(jīng)第二分光鏡(13)反射至物鏡(14)聚焦于微顆粒群燃料(15)上,微顆粒群燃料(15)被捕獲而均勻分布；第一激光器(2)由第一激光驅(qū)動器(I)驅(qū)動和控制；微顆粒群燃料(15)被置于微燃燒芯片(16)中； 第二激光器4發(fā)出的光經(jīng)衰減片(5)、第二反光鏡(6)、準(zhǔn)直透鏡組(7、8)、第一反光鏡(9)、空間光調(diào)制器(10)、擴(kuò)束鏡組(11、12)、第二分光鏡(13)、物鏡(14)到達(dá)微顆粒群燃料(15)上，用于對光路進(jìn)行輔助調(diào)節(jié)，確保微顆粒群燃料(15)能夠被準(zhǔn)確捕獲； 照明系統(tǒng)(35)發(fā)出的光經(jīng)微顆粒群燃料(15)、載物臺(36)、微燃燒芯片(16)、物鏡(14)、第二分光鏡(13)到達(dá)第三分光鏡(17)，經(jīng)第三分光鏡(17)分光后，一束光進(jìn)入CCD相機(jī)(19)中，對微顆粒群燃料(15)進(jìn)行成像并觀察燃料分布情況；另一束光經(jīng)第三反光鏡(18)進(jìn)入紅外攝像機(jī)(20)中，對微顆粒群燃料(15)進(jìn)行溫度分布測試； C⑶相機(jī)(19)經(jīng)第一圖像采集卡(21)與計算機(jī)(24)相連；紅外攝像機(jī)(20)經(jīng)第二圖像采集卡(22)與計算機(jī)(24)相連；根據(jù)微顆粒群燃料(15)的位置分布和燃燒情況，計算機(jī)(24)通過數(shù)據(jù)采集卡(23)對第一激光驅(qū)動器(I)和空間光調(diào)制器(10)進(jìn)行反饋控制； 氮?dú)鈴牡獨(dú)鈨馄?25)經(jīng)第一流量計(27)進(jìn)入緩沖罐(29)，氧氣從氧氣儲氣瓶(26)經(jīng)第二流量計(28)進(jìn)入緩沖罐(29)，氮?dú)馀c氧氣按照79:21的比例在緩沖罐(29)中進(jìn)行混合成為混合氣； 混合氣在未進(jìn)入微燃燒芯片(16)之前，先利用真空泵(34)經(jīng)第三閥門(33)對微燃燒芯片(16)抽真空；滿足真空度要求后，混合氣經(jīng)第一閥門(30)進(jìn)入微燃燒芯片(16)中，壓力表(38)檢測微燃燒芯片(16)中的壓力；微顆粒群燃料(15在混合氣氣氛中被均勻捕獲，通過調(diào)節(jié)第一激光驅(qū)動器(I)的驅(qū)動電流提高第一激光器(2)的輸出功率，至微顆粒群燃料(15)被點燃； 微顆粒群燃料(15)發(fā)生燃燒后析出的揮發(fā)分和燃燒尾氣經(jīng)第二閥門(31)進(jìn)入氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(32)中進(jìn)行成分分析。
【文檔編號】F23D99/00GK203465207SQ201320516411
【公開日】2014年3月5日 申請日期: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 申請人:杭州電子科技大學(xué)