本發(fā)明屬于流場(chǎng)光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)，特別涉及一種用于燃燒場(chǎng)測(cè)量的光纖陣列光學(xué)探頭。

背景技術(shù)：

燃燒場(chǎng)診斷技術(shù)對(duì)航空航天、資源環(huán)境等領(lǐng)域意義十分重大，引起了世界各國的普遍關(guān)注和高度重視。具有非侵入式特性的激光測(cè)量技術(shù)逐漸受到人們的重視。利用光譜手段進(jìn)行燃燒場(chǎng)診斷，不僅可以實(shí)現(xiàn)非侵入的原位探測(cè)，還具有時(shí)間分辨率高、多參數(shù)同時(shí)測(cè)量等顯著優(yōu)點(diǎn)，在燃燒場(chǎng)診斷等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)(tdlas)技術(shù)利用被測(cè)氣體的組分對(duì)激光產(chǎn)生共振吸收，利用激光能量的衰減程度實(shí)現(xiàn)氣體參數(shù)的測(cè)量。tdlas技術(shù)是一種視線測(cè)量技術(shù)，能夠獲得沿光線路徑上的氣體參量信息，結(jié)合計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光線所在截面的氣體溫度等流場(chǎng)信息的測(cè)量。

應(yīng)用tdlas技術(shù)對(duì)對(duì)燃燒系統(tǒng)工作進(jìn)程中的氣體信息進(jìn)行深入的研究分析，對(duì)于完善和優(yōu)化燃燒系統(tǒng)、提高燃燒效率意義重大。美國stanford大學(xué)、美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室等單位先后利用tdlas技術(shù)在各種類型發(fā)動(dòng)機(jī)、燃煤鍋爐、氣化爐等燃燒設(shè)施中開展工程化應(yīng)用研究。為了實(shí)現(xiàn)tdlas技術(shù)在各種燃燒設(shè)施中的應(yīng)用，需要合理的設(shè)計(jì)發(fā)射和接收傳感器，其作用主要是將光纖傳輸?shù)墓馐鴾?zhǔn)直發(fā)射并捕獲穿出流場(chǎng)的激光信號(hào)。

下述文獻(xiàn)涉及到了發(fā)射和接收傳感器的設(shè)計(jì)。

1、美國pennsylvaniastate大學(xué)的justin等人與美國推進(jìn)工程研究中心合作，在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室上安裝了發(fā)射和接受傳感器，實(shí)現(xiàn)了燃燒內(nèi)氣體溫度和h2o摩爾分?jǐn)?shù)的測(cè)量(justinml,sibtoshp,woodward,rd,etal..diodelaserabsorptionspectroscopymeasurementsinagaseoushydrogen/oxygenrocket[r].orlando:49thaiaaaerospacesciencesmeetingincludingthenewhorizonsforumandaerospaceexposition.2011,aiaa-2011-688.)。傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室側(cè)壁上，在壁面上開有1.5英寸厚的窗口，用于安裝發(fā)射和接收傳感器。發(fā)射傳感器包括準(zhǔn)直器、調(diào)節(jié)架和藍(lán)寶石窗口，能夠?qū)崿F(xiàn)微小角度的調(diào)節(jié)，傳感器表面裝有2°傾斜角、0.16英寸厚的藍(lán)寶石窗口，并利用o型環(huán)密封。發(fā)射和接受傳感器結(jié)構(gòu)類似。該類型傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)單路光束的傳輸，具有耐高壓等特點(diǎn)，然而整體尺寸較大，實(shí)現(xiàn)多路光束測(cè)量時(shí)安裝難度較大。

2、美國stanford大學(xué)的hanson等人與pratt&whitney公司合作，在pw6000航空發(fā)動(dòng)機(jī)上開展了基于tdlas技術(shù)的質(zhì)量流量測(cè)量(lylekh,jeffriesjbandhansonrk.diodelasersensorforairmassfluxbasedonoxygenabsorption2:non-uniformflowmodelingandaero-enginetests[j].aiaajournal,2007,45.)。發(fā)射端和接收端傳感器安裝在壓力探針孔處。發(fā)射傳感器安裝在多軸調(diào)整架上，可進(jìn)行較小角度的二維調(diào)節(jié)，接收傳感器利用聚焦面鏡聚焦穿過流場(chǎng)的激光光束，而后利用探測(cè)器探測(cè)。該類型傳感器的主要不足之處是傳感器的安裝調(diào)試難度較大，還需要嚴(yán)格的熱防護(hù)措施。

3、stanford大學(xué)的hanson實(shí)驗(yàn)室與utah大學(xué)合作，在氣流床煤氣化爐上設(shè)計(jì)了發(fā)射和接受傳感器，實(shí)現(xiàn)了爐膛內(nèi)流場(chǎng)參數(shù)的測(cè)量(surr,sunk,jeffriesjb,etal..scanned-wavelength-modulation-spectroscopysensorforco,co2,ch4andh2oinahigh-pressureengineering-scaletransport-reactorcoalgasifier[j].fuel,2015,150.)。發(fā)射端傳感器包括單模光纖、75mm焦距的平凸caf2透鏡和多孔光纜。將單模光纖、75mm焦距的平凸caf2透鏡耦合到光纜上，調(diào)整透鏡與光纖輸出端之間的距離可使光纖輸出端位于透鏡的焦平面上，實(shí)現(xiàn)不同激光束的準(zhǔn)直。接收端傳感器主要包括50mm焦平凸caf2透鏡和可調(diào)增益探測(cè)器。激光穿過流場(chǎng)后，經(jīng)平凸透鏡后由探測(cè)器接收。該類型傳感器將多個(gè)單模光纖耦合到多孔光纜上，能夠?qū)崿F(xiàn)少量激光光束的測(cè)量，然后發(fā)射傳感器包括將單模光纖和caf2透鏡耦合到一起，調(diào)整透鏡與光纖輸出端之間的距離可使光纖輸出端位于透鏡的焦平面上，操作起來比較復(fù)雜，通用性也不強(qiáng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)多路光束同時(shí)測(cè)量的陣列傳感器，具有較強(qiáng)的通用性，能夠?qū)崿F(xiàn)基于tdlas技術(shù)的空間高分辨率測(cè)量。

本發(fā)明提供了一種用于燃燒場(chǎng)測(cè)量的光纖陣列光學(xué)探頭，包括發(fā)射端傳感器和接收端傳感器兩部分，其特征在于：

發(fā)射端傳感器包含一個(gè)單模光纖陣列、兩個(gè)光纖蓋板、兩個(gè)光纖法蘭、一個(gè)透鏡倉、一個(gè)一體化透鏡陣列、一個(gè)藍(lán)寶石窗口和兩個(gè)修切墊。其中單模光纖陣列(1)包含16束單模光纖，單模光纖一端為僅保留插芯的接頭(3)，另一端為fc/apc標(biāo)準(zhǔn)接頭，單模光纖通過帶插芯接頭(3)與光纖法蘭(4)的凹槽使用紫外固化膠粘連。光纖法蘭(4)上有16個(gè)半徑為1.3mm的半圓弧形凹槽與光纖陣列相對(duì)應(yīng)；鏡框(5)中間開槽放置一體化透鏡陣列(6)，利用透鏡壓板(7)將一體化透鏡陣列(6)固定到鏡框(5)上，由m1.4螺釘將透鏡壓板(7)與鏡框(5)壓緊，一體化透鏡陣列(6)與透鏡壓板(7)之間放置一片0.1mm厚的聚四氟乙烯墊片；鏡框(5)上設(shè)計(jì)了腰子孔，通過調(diào)節(jié)螺栓實(shí)現(xiàn)透鏡陣列的整體調(diào)節(jié)；藍(lán)寶石窗口(9)的橫截面為“凸”字形，由窗口壓板(8)將藍(lán)寶石窗口(9)與鏡框(5)緊密連接，其中，藍(lán)寶石窗口(9)與窗口壓板(8)之間放置一片0.1mm厚的聚四氟乙烯墊片；

接收端傳感器機(jī)械部件與發(fā)射端傳感器類似，區(qū)別在于光纖類型不同，前者為多模光纖陣列，后者為單模光纖陣列，其余元件可以通用。

本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)是：

1)高分辨率測(cè)量。采用一體化透鏡陣列，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)16束激光光束的測(cè)量，能夠?qū)崿F(xiàn)流場(chǎng)空間中高分辨率的測(cè)量；

2)結(jié)構(gòu)緊湊。將傳輸光纖、透鏡陣列和保護(hù)窗口一起設(shè)計(jì)，傳感器部件結(jié)構(gòu)緊湊，整體空間較小；

3)通用性強(qiáng)。發(fā)射和接收傳感器的軸向均與壁面垂直，且具有相同的壁面接口尺寸，具有較強(qiáng)的通用性。

4)裝調(diào)簡單方便。發(fā)射和接收傳感器均采用一體化模塊，可以實(shí)現(xiàn)16路光束的整體調(diào)節(jié)。

附圖說明

圖1發(fā)射端/接收端傳感器示意圖；

圖2一體化透鏡陣列輪廓圖；

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖對(duì)光纖陣列光學(xué)探頭做進(jìn)一步詳細(xì)描述。圖1給出了發(fā)射端/接收端傳感器示意圖。

傳感器采用模塊化設(shè)計(jì)，盡可能實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收傳感器內(nèi)組件的互換性，以及實(shí)現(xiàn)多光束的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)能力。

為了實(shí)現(xiàn)多光束的同時(shí)測(cè)量，同時(shí)盡可能的使結(jié)構(gòu)更為緊湊，拋棄了單個(gè)透鏡方式，采用一體化的透鏡陣列，合理設(shè)計(jì)傳感器的結(jié)構(gòu)，分別將單模光纖和多模光纖耦合到傳感器中。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)除了光纖，其他所用部件類似，便于部件的通用性，同時(shí)有效減小了傳感器的尺寸。發(fā)射和接收端傳感器中透鏡陣列的作用類似，發(fā)射端傳感器將16路單模光纖發(fā)出的激光光束分別準(zhǔn)直發(fā)射進(jìn)入被測(cè)流場(chǎng)，接收端傳感器將穿過流場(chǎng)的16束激光聚焦耦合進(jìn)入多模光纖。發(fā)射和接收端傳感器都具有一定角度的調(diào)節(jié)和鎖緊功能，使得激光器發(fā)出的激光光束穿過流場(chǎng)后能夠準(zhǔn)確的由接收端傳感器接收。

發(fā)射端傳感器和接收端傳感器的主要差別在于所用光纖不同，下面以發(fā)射端傳感器為例進(jìn)行敘述。

發(fā)射端傳感器包含一個(gè)單模光纖陣列、兩個(gè)光纖蓋板、兩個(gè)光纖法蘭、一個(gè)透鏡倉、一個(gè)一體化透鏡陣列、一個(gè)藍(lán)寶石窗口和兩個(gè)修切墊。其中單模光纖陣列(1)包含16束單模光纖，單模光纖一端為僅保留插芯的接頭(3)，另一端為fc/apc標(biāo)準(zhǔn)接頭，單模光纖通過帶插芯接頭(3)與光纖法蘭(4)的凹槽使用紫外固化膠粘連。光纖法蘭(4)上有16個(gè)半徑為1.3mm的半圓弧形凹槽與光纖陣列相對(duì)應(yīng)；鏡框(5)中間開槽放置一體化透鏡陣列(6)，利用透鏡壓板(7)將一體化透鏡陣列(6)固定到鏡框(5)上，由m1.4螺釘將透鏡壓板(7)與鏡框(5)壓緊，一體化透鏡陣列(6)與透鏡壓板(7)之間放置一片0.1mm厚的聚四氟乙烯墊片；鏡框(5)上設(shè)計(jì)了腰子孔，通過調(diào)節(jié)螺栓實(shí)現(xiàn)透鏡陣列的整體調(diào)節(jié)；藍(lán)寶石窗口(9)的橫截面為“凸”字形，由窗口壓板(8)將藍(lán)寶石窗口(9)與鏡框(5)緊密連接，其中，藍(lán)寶石窗口(9)與窗口壓板(8)之間放置一片0.1mm厚的聚四氟乙烯墊片；

接收端傳感器機(jī)械部件與發(fā)射端傳感器類似，區(qū)別在于光纖類型不同，前者為多模光纖陣列，后者為單模光纖陣列，其余元件可以通用；

本發(fā)明的一種用于燃燒場(chǎng)測(cè)量的光纖陣列光學(xué)探頭的設(shè)計(jì)步驟是：

步驟一、陣列光學(xué)探頭腔體的設(shè)計(jì)

具有用于安裝陣列光學(xué)探頭的安裝槽的結(jié)構(gòu)稱為陣列光學(xué)探頭腔體，該腔體為矩形內(nèi)空形結(jié)構(gòu)，選用優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料，腔體內(nèi)的安裝槽為矩形，長90mm，寬28mm，深20mm，四角有半徑為1.5mm的倒角。

步驟二、一體化透鏡陣列的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)16路光束的整體調(diào)試，選用一體化透鏡陣列。一體化透鏡陣列為線性排列、共有16個(gè)子單元，由長82mm、寬5mm、厚3mm的硒化鋅材料一次車削而成，加工面型精度pv值小于1.5μm，表面粗糙度6nm左右，兩個(gè)透光面鍍1300nm-1500nm的高透膜，反射比小于1％；透鏡中心距為5mm，有效通光孔徑為3.6mm。透鏡壓板長88mm，寬10mm，高3mm，4角開有的螺紋孔，壓板中間具有凹形槽，長80mm，寬6mm，高3mm；圖2為一體化透鏡陣列輪廓圖。

步驟三、光纖的選型

發(fā)射端和接收端傳感器功能不同，所用光纖也不同。單模光纖芯徑十分小，在光纖出口處仍然保持高斯光束包絡(luò)，不存在模式噪聲問題，主要用于發(fā)射端傳感器中。多模光纖芯徑較大，可提供許多發(fā)射角度，每個(gè)角度使光傳播在單獨(dú)模式中，主要用于接收端傳感器中。單模光纖選用thorlabs公司的pm1300-hp-custom)，光纖芯徑為9μm，數(shù)值孔徑為0.12；多模光纖采用thorlabs公司的ft400emt-custom，光纖芯徑為400μm，數(shù)值孔徑為0.39±0.02。

步驟四、保護(hù)窗口的設(shè)計(jì)

在發(fā)射端或接收端傳感器的底端設(shè)計(jì)了保護(hù)窗口。保護(hù)窗口采用藍(lán)寶石，藍(lán)寶石窗口兩個(gè)透光面均為矩形，外側(cè)透光面長88mm，寬12mm；內(nèi)側(cè)透光面長88mm，寬10mm，兩透光面間距為5mm；內(nèi)側(cè)透光面具有2°傾角，用于防止干涉現(xiàn)象的發(fā)生，每個(gè)透光面均鍍有高透膜，每個(gè)面的反射比小于0.01；藍(lán)寶石窗口使用窗口壓板壓緊，窗口壓板外側(cè)長90mm，寬22mm，高4mm，4角開有直徑2.5mm的螺紋孔，壓板中間具有凹形槽，長88mm，寬6mm，高3mm。