單顆微粒燃料微燃燒、氣化懸浮、點燃、成像及檢測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種單顆微粒燃料微燃燒、氣化懸浮、點燃、成像及檢測系統(tǒng)。目前，基于微燃燒的微能源系統(tǒng)所使用的燃料普遍為氣體燃料，但氣體燃料不易存儲、攜帶。本發(fā)明包括第一激光驅動器、第一激光器、第二激光驅動器、第二激光器、第一反光鏡、第一分光鏡、倒置望遠鏡、第二分光鏡、高倍物鏡、微顆粒燃料、微燃燒芯片、三維電動位移平臺、聚光鏡、第三分光鏡、可變光闌、集光鏡、光源、第一透鏡、濾光片、四象限探測器、第二透鏡、第三分光鏡、CCD相機、第二反光鏡和紅外攝像機。本發(fā)明采用全光學式顆粒懸浮定位、點燃以及測試方法，對顆粒微燃燒和氣化進行無干擾式測試，最能反映微燃燒和氣化真實性，還原其本質，有效揭示其機理。
【專利說明】單顆微粒燃料微燃燒、氣化懸浮、點燃、成像及檢測系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于微燃燒【技術領域】，涉及ー種單顆微粒燃料微燃燒、氣化懸浮、點燃、成像及檢測系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]隨著微電機械系統(tǒng)(MEMS)技術的發(fā)展，因能滿足可攜帶電子設備的長時間供電和微小型航空航天設備高性能動カ源和電源的需求，微能源系統(tǒng)的研究引起了廣泛的重視，如微/納衛(wèi)星、微飛行器、“陸軍勇士”單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)、機器螞蟻、移動式電子設備微能源系統(tǒng)等。傳統(tǒng)微能源系統(tǒng)大多基于微鋰電池組進行供電，但鋰電池組供電存在諸多不足:能量密度較低、供電時間較短、重復使用時充電時間較長等，因此難以滿足新型微能源系統(tǒng)體積小、重量輕、能量密度高、不間斷長時間供電等的要求。
[0003]1996年，由MIT的Epstein和Senturia首次提出新型微能源系統(tǒng)“Power MEMS”，可產生電能20W和推力0.125N。而后“Power MEMS”擴展到微燃料電池、微型核電池、微型熱機系統(tǒng)等。
[0004]微燃料電池具有操作溫度低(80?100°C )效率較高(20?30%)的優(yōu)勢，但系統(tǒng)極其復雜，尤其是燃料轉化器等。微型核電池具有供電時間長(衰變50年)、受干擾小的優(yōu)勢，但有供能低(數(shù)mW)，放射源不安全、衰變控制難、微型化難等問題。微型熱機是通過微尺度燃燒將燃料化學能轉換為熱能，再轉換為電能或者推力的一種微能源系統(tǒng)，包括微熱電系統(tǒng)、微熱光伏系統(tǒng)、微燃燒透平/發(fā)動(電)機系統(tǒng)。這三種微型熱機系統(tǒng)各自具有優(yōu)缺點，但每個系統(tǒng)都需要對燃料進行微燃燒。
[0005]目前，基于微燃燒的微能源系統(tǒng)所使用的燃料普遍為氣體燃料，因為氣體燃料的燃燒熱值高，易于點燃，假設能量轉換效率為20%，氣體燃料燃燒能量密度也能達到2000ff-hr/Kg以上。但氣體燃料不易存儲、攜帯，對于微型航空航天設備以及便攜式設備而言是ー個較大的問題。因此存在一個疑問:微燃燒燃料能否使用液體或固體微顆粒燃料？
[0006]如果使用液體或固體微顆粒燃料，如何對微燃燒進行有效操控？如何集成微燃燒系統(tǒng)？
[0007]本發(fā)明采用全光學式顆粒懸浮定位、點燃成像，以及對微顆粒燃料微燃燒進行無干擾式測試，最能反映微燃燒和氣化真實性，還原其本質，有效掲示其機理，可作為標準性燃燒和氣化測試方法。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明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，提出了ー種單顆微粒燃料微燃燒、氣化懸浮、點燃、成像及檢測系統(tǒng)。
[0009]本發(fā)明采取的技術方案為:
[0010]單顆微粒燃料微燃燒、氣化懸浮、點燃、成像及檢測系統(tǒng)，包括第一激光驅動器、第一激光器、第二激光驅動器、第二激光器、第一反光鏡、第一分光鏡、倒置望遠鏡、第二分光鏡、高倍物鏡、微顆粒燃料、微燃燒芯片、三維電動位移平臺、聚光鏡、第三分光鏡、可變光闌、集光鏡、光源、第一透鏡、濾光片、四象限探測器、第二透鏡、第三分光鏡、C⑶相機、第二反光鏡和紅外攝像機。
[0011]第一激光器發(fā)出的光通過第一分光鏡、倒置望遠鏡、第二分光鏡和高倍物鏡形成聚焦光斑來懸浮微顆粒燃料；通過調節(jié)第一激光驅動器的驅動電流提高第一激光器的輸出功率至微顆粒燃料點燃；微粒燃燒發(fā)出的紅外輻射光通過高倍物鏡、第二分光鏡、第二透鏡、第三分光鏡、第二反光鏡到達紅外攝像機進行成像和微粒溫度分布檢測；所述的微顆粒燃料放置于微燃燒芯片中。
[0012]第二激光器發(fā)出的光通過第一反光鏡、第一分光鏡、倒置望遠鏡、第二分光鏡、高倍物鏡、微顆粒燃料、微燃燒芯片、聚光鏡、第三分光鏡、第一透鏡、濾光片到達四象限探測器，獲得微顆粒燃料的位置，第二激光器由第二激光驅動器驅動和控制。
[0013]光源發(fā)出的光通過集光鏡、可變光闌、第三分光鏡、聚光鏡對微燃燒芯片進行均勻照明；照明光通過高倍物鏡、第二分光鏡、第二透鏡、第三分光鏡到達CXD相機進行成像、微粒形狀和粒徑檢測。
[0014]更進一步說，微顆粒燃料為液體、固體、生物質顆?；蚧旌先剂?；液體選用油或醇類，固體選用煤或金屬，生物質顆粒選用稻草或秸桿。
[0015]更進一步說，微燃燒芯片由三維電動位移平臺控制，精確改變微顆粒燃料與光束的相對位置。
[0016]本發(fā)明采用全光學式顆粒懸浮定位、點燃以及測試方法，對顆粒微燃燒和氣化進行無干擾式測試，最能反映微燃燒和氣化真實性，還原其本質，有效揭示其機理，可作為標準性燃燒和氣化測試方法，克服現(xiàn)有微燃燒和氣化機理研究的難題。該技術不僅能應用于能源領域，而且可用于環(huán)境化學、生命科學、生物醫(yī)藥和航空航天等諸多領域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結構示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明的單顆微粒燃料懸浮和點燃示意圖；
[0019]圖3為本發(fā)明的微顆粒燃料的位置測試示意圖；
[0020]圖4為本發(fā)明的微顆粒燃料及微燃燒芯片照明示意圖；
[0021]圖5為本發(fā)明的微顆粒燃料形狀、粒徑和溫度分布測試示意圖。
【具體實施方式】
[0022]以下結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0023]如圖1所示:本實施例主要包括第一激光驅動器1、第一激光器2、第二激光驅動器
3、第二激光器4、第一反光鏡5、第一分光鏡6、倒置望遠鏡7、8、第二分光鏡9、高倍物鏡10、微顆粒燃料11、微燃燒芯片12、三維電動位移平臺13、聚光鏡14、第三分光鏡15、可變光闌16、集光鏡17、光源18、第一透鏡19、濾光片20、四象限探測器21、第二透鏡22、第三分光鏡23、CXD相機24、第二反光鏡25和紅外攝像機26。
[0024]第一激光器2發(fā)出的光通過第一分光鏡6、倒置望遠鏡7、8、第二分光鏡9和高倍物鏡10形成聚焦光斑來懸浮微顆粒燃料11，微顆粒燃料11放置于設計加工的微燃燒芯片12中，微燃燒芯片12由三維電動位移平臺13控制，精確改變微顆粒燃料11與光束的相對位置。微顆粒燃料11可以為液體(油、醇類)、固體(煤、金屬)、生物質顆粒(稻草、秸桿)及混合燃料等。微顆粒燃料懸浮及點燃示意圖見說明書附圖2。微顆粒燃料11在懸浮、燃燒和氣化過程中的受力包括激光輻射力、光泳力、熱泳力、曳力、熱流逸力、布朗力、重力和浮力等，其分析如下。
[0025]激光輻射力:在激光作用下，光子碰撞顆粒而發(fā)生方向改變，從而導致動量變化，根據(jù)動量守恒定律和牛頓第二定律，顆粒受到光子碰撞產生的作用力。激光輻射力的表達
式為其中ε為顆粒發(fā)射率、c為光速、Ptl為入射光總能量、Ap為顆粒橫
【權利要求】
1.單顆微粒燃料微燃燒、氣化懸浮、點燃、成像及檢測系統(tǒng)，其特征在于:包括第一激光驅動器(I)、第一激光器(2)、第二激光驅動器(3)、第二激光器(4)、第一反光鏡(5)、第一分光鏡出)、倒置望遠鏡(7、8)、第二分光鏡(9)、高倍物鏡(10)、微顆粒燃料(11)、微燃燒芯片(12)、三維電動位移平臺(13)、聚光鏡(14)、第三分光鏡(15)、可變光闌(16)、集光鏡(17)、光源(18)、第一透鏡(19)、濾光片(20)、四象限探測器(21)、第二透鏡(22)、第三分光鏡(23)、CCD相機(24)、第二反光鏡(25)和紅外攝像機(26)； 第一激光器(2)發(fā)出的光通過第一分光鏡(6)、倒置望遠鏡(7、8)、第二分光鏡(9)和高倍物鏡(10)形成聚焦光斑來懸浮微顆粒燃料(11);通過調節(jié)第一激光驅動器(I)的驅動電流提高第一激光器(2)的輸出功率至微顆粒燃料(11)點燃；微粒燃燒發(fā)出的紅外輻射光通過高倍物鏡(10)、第二分光鏡(9)、第二透鏡(22)、第三分光鏡(23)、第二反光鏡(25)到達紅外攝像機(26)進行成像和微粒溫度分布檢測；所述的微顆粒燃料(11)放置于微燃燒芯片(12)中； 第二激光器(4)發(fā)出的光通過第一反光鏡(5)、第一分光鏡(6)、倒置望遠鏡(7、8)、第二分光鏡(9)、高倍物鏡(10)、微顆粒燃料(11)、微燃燒芯片(12)、聚光鏡(14)、第三分光鏡(15)、第一透鏡(19)、濾光片(20)到達四象限探測器(21)，獲得微顆粒燃料(11)的位置，第二激光器(4)由第二激光驅動器(3)驅動和控制； 光源(18)發(fā)出的光通過集光鏡(17)、可變光闌(16)、第三分光鏡(15)、聚光鏡(14)對微燃燒芯片(12)進行均勻照明；照明光通過高倍物鏡(10)、第二分光鏡(9)、第二透鏡(22)、第三分光鏡(23)到達CCD相機(24)進行成像、微粒形狀和粒徑檢測。
2.根據(jù)權利要求1所述的單顆微粒燃料微燃燒、氣化懸浮、點燃、成像及檢測系統(tǒng)，其特征在于:微顆粒燃料為液體、固體、生物質顆?；蚧旌先剂?；液體選用油或醇類，固體選用煤或金屬，生物質顆粒選用稻草或秸桿。
3.根據(jù)權利要求1所述的單顆微粒燃料微燃燒、氣化懸浮、點燃、成像及檢測系統(tǒng)，其特征在于:微燃燒芯片由三維電動位移平臺控制，精確改變微顆粒燃料與光束的相對位置。
【文檔編號】G01J5/00GK103454185SQ201310370302
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月22日 優(yōu)先權日: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