火焰自由基作为燃烧过程的中间产物, 因辐射出的荧光强度跟火焰的温度、基团浓度、热释放率等参数有着密切联系[1], 而成为燃烧领域学者研究的主要对象之一.
目前, 测量火焰自由基荧光强度的系统主要有2类.1) 用于获取火焰自由基荧光强度的二维图像[2-3], 核心部件为相机.但相机获得的图像为火焰所有切面的叠加, 并不能具体针对火焰局部位置, 实现三维空间上的定点测量.2) 测量技术为激光诱导荧光(Laser induced fluorescence, LIF)和平面激光诱导荧光(Planar laser induced fluorescence, PLIF)技术, 因具有精度高、空间分辨率强等优势已成为测量火焰自由基荧光强度的主流手段, 在国内外研究中有着广泛的应用[4-7].但LIF和PLIF系统的激光源为脉冲信号, 相比于光电倍增管一类的高频率响应器件, 捕捉连续信号的能力相对较差[8], 且价格昂贵、维护不便[9].
基于以上分析, 从降低成本、改善现有设备局限性的角度出发, 研究测量火焰自由基荧光强度的新方法.本文将卡塞格林光学原理应用于火焰自由基荧光强度的测量, 利用卡塞格林光学原理实现了定点采集光线的功能, 基于Zemax光学设计软件自行设计了卡塞格林光线定点采集装置, 并研制了光线传输与数据采集部分的实验系统, 将光电倍增管作为感光设备可实现时域上连续信号的测量, 最终通过实验验证了卡塞格林光线定点采集装置的定点功能, 且利用所设计的系统获得了火焰自由基荧光强度的径向分布数据.
1 卡塞格林定点测量系统 1.1 卡塞格林光线定点采集装置的设计计算经典的卡塞格林系统如图 1所示, 是一个反射式两镜系统, 主镜为中心开有通孔且反射面为抛物面的凹面镜, 次镜是反射面为双曲面的凸面镜.根据几何原理, 使主镜抛物面的焦点和次镜双曲面的虚焦点重合于图中F′处, 并成像于双曲面的实焦点F处.光线从左侧射入, 入射光线照射在主镜反射面上, 经主镜反射, 到达次镜, 再经次镜二次反射, 光束聚焦, 并从主镜中心通孔处穿过, 成像于主镜背面的F点处.在火焰测量中, 由于其工作距离为有限距离, 在设计系统时, 入射光线将设计为点光源而非平行光.
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图 1 经典的卡塞格林系统示意图 Fig. 1 Classical Cassegrain optical system |
将卡塞格林光学系统作为一种用于定点采集光线的装置, 最初是由Akamatsu等[8, 10]于1999年提出的.本文用于火焰研究的卡塞格林光线定点采集装置的设计参考了Akamatsu等[8, 10-17]的工作.设定初始参数为：主镜M1通光直径d1=150 mm, 次镜M2通光直径d2=50 mm, 两镜距离d=152 mm, 工作距离L=300 mm.
如图 2所示, 按几何关系, 可根据公式：
| $ \frac{{{d_2}}}{{{d_1}}} = \frac{{{l_2}}}{{{l_2} + d}} \cdot $ | (1) |
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图 2 卡塞格林光线定点采集装置设计计算示意图 Fig. 2 Schematic of Cassegrain optical device |
得出虚焦点F′和次镜M2的距离l2=76 mm.
由M1的物像关系式,
| $ \frac{1}{{f{\mathit{'}_1}}} + \frac{1}{{d + L}} = \frac{2}{{{R_1}}} \cdot $ | (2) |
可得出M1曲率半径R1=-303.106 mm.式中:f’i为虚焦点F′和主镜M1的距离.
同理, 由M2的物像关系式,
| $ \frac{1}{{d + e}} + \frac{1}{{{l_2}}} = \frac{2}{{{R_2}}} \cdot $ | (3) |
可得出M2曲率半径R2=-194.2 mm.式中:e为实焦点F和主镜M1的距离.
如图 2所示, 火焰“被测区域”(也即物点)直径Φ设定为0.1 mm.“被测区域”的长Δ, 也即景深, 可由景深公式[18]计算得到
| $ \mathit{\Delta } = {\rm{ }}\frac{{4a{P^2}\varepsilon }}{{4{a^2} - {P^2}{\varepsilon ^2}}} \cdot $ | (4) |
式中:2a为入瞳直径, P为物距, ε为固定值, 范围为0.000 29 rad~0.000 58 rad, a=75 mm, P=452 mm, 计算得景深：Δ≈0.8~1.58 mm.
所设计的应用于火焰测量的卡塞格林光线定点采集装置的定点原理是将物点所发出的光通过光学系统“转移”至像点, 并由后续的光学探测器件于像点处接收光线并进行探测.当“物点”相比于被测物整体足够小时, 便可将物点视为一个“点”, 从而实现卡塞格林系统的定点采集功能.文中火焰“被测区域”相比于火焰整体尺寸已足够小.
值得注意的是, 卡塞格林光线定点采集装置工作时, 物点光线与背景干扰光线会一同进入光学系统, 使测量结果有一定的偏差.但来自物点光线的光强比背景干扰光线的光强高约135倍, 差2个数量级, 因此可忽略背景干扰光线带来的影响[19-20].所设计的卡塞格林光线定点采集装置属于非接触式测量的一种, 相比于“探针类”的定点测量设备, 具有不干扰火焰流场的优势, 且由于整个系统为反射式系统, 没有色差, 适用光谱范围宽.
1.2 基于Zemax软件的卡塞格林光学系统的优化分析将初步计算得出的基本参数导入Zemax中的Lens Data Editor, 并根据所研究火焰自由基的波段范围来设定光线波长.文中研究OH、CH 2种基团, 配套滤光片的中心波长分别为315和427 nm.由于非球面镜加工十分困难, 因此主次镜均选用球面镜.设定主次镜的曲率半径R1、R2为优化变量, 利用Zemax的局部优化方法(Optimization)完成系统的优化.光学系统优化后的点列图如图 3所示, MTF图如图 4所示.
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图 3 优化后光学系统的点列图 Fig. 3 Spot diagram of optimized optical system |
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图 4 优化后光学系统的MTF图 Fig. 4 FFT MTF of optimized optical system |
优化后系统的几何最大半径为2.966 μm, 均方根半径为1.046 μm, 且点列图中的点相对集中, 密集程度高, 这说明像点光能集中, 系统球差小.此外, 从图 4的MTF图中也可以看出, 光学系统总体成像质量较高.
经初步设计计算及Zemax的优化分析, 最终确定了卡塞格林光线定点采集装置的具体参数与结构, 其示意图如图 5所示.由于镜片在实际加工过程中, 会因工具夹持等原因造成塌边情况, 因此, 实际加工的镜片直径应适当放大.但次镜过大易遮挡光路, 因此次镜直径的选取尤为重要, 应在考虑实际加工水平的基础上做出合理判断.而主镜中心的开孔直径, 过小会遮挡光路, 过大易引进杂光, 因此稍大于聚焦光束在主镜所在平面的直径最为适宜.
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图 5 卡塞格林光线定点采集装置结构示意图 Fig. 5 Schematic diagram of Cassegrain Optical device |
光线传输部分由光纤、准直镜和滤光片组成, 用于将卡塞格林光线定点采集装置采集的火焰光线过滤并传输至测量系统的数据采集显示部分.
光纤的选择需考虑到光纤的光谱透过范围、纤芯的直径以及数值孔径的大小.在本文实验中, 光谱透过范围要求包括所研究的OH基、CH基所在波段范围, 纤芯直径大于卡塞格林光线定点采集装置尾部成像点的直径, 数值孔径所对应的光纤接收角的角度应大于被卡塞格林光线定点采集装置聚焦的光束的角度.本文选用北京首量科技的紫外光优化石英光纤, 它在紫外光波段具有优异的传输性能.光纤的数值孔径NA=0.22±0.02.光谱透过范围为200~1 200 nm.芯层直径为960 μm±2%.工作温度范围为-40~200 ℃.
准直镜是一种自聚焦透镜, 利用的是聚焦的逆过程, 可将发散光束转化为平行光束.文中选用闻奕光电的74-UV准直镜, 其透过的波长范围为200~2 000 nm, 镜片直径5 mm, 镜片焦距10 mm, 可匹配数值孔径为0.22的光纤.
滤光片是用于过滤某一波段光线的光学器件, 文中使用了2块Semrock的滤光片.型号为FF01-315/15-25的带通滤光片, 中心波长为315 nm, 带宽15 nm, 半波全宽20.4 nm, 传输频带达75%, 用于获取OH基的发光波段.型号为FF01-427/10-25的带通滤光片, 中心波长为427 nm, 带宽10 nm, 半波全宽14 nm, 传输频带达93%, 用于获取CH基的发光波段.
1.4 数据采集显示部分的选材设计数据采集显示部分由光电倍增管、高压电源、黑箱和数据采集显示器组成.
典型的光电倍增管由光电阴极、电子光学输入系统、电子倍增系统和阳极组成, 是一种响应快、灵敏度高的光电感应器件.光电倍增管具有很高的响应频率, 文中选用的日本滨松(Hamamatsu)R928型光电倍增管, 其响应频率为几十纳秒, 因此可将其在时域上获得的信号视为连续信号.光电倍增管的电源由配套的高压电源供应.
为消除背景光线对光电倍增管的干扰, 同时解决滤光片、准直镜与光电倍增管之间的衔接问题, 文中自行设计了黑箱.滤光片位于准直镜与光电倍增管之间且在黑箱壁面内, 可根据需求更换.光电倍增管在黑箱内部, 高压电源位于黑箱外侧, 光电倍增管的各类线路集成在高压电源的接线上并可在黑箱外部操作.光电倍增管输出的电流信号由数据采集显示器检测并显示记录, 实验中该部分的数据采集显示器由μA级万用表代替.
1.5 测量系统的组装基于卡塞格林光学原理的火焰自由基荧光强度定点测量系统由卡塞格林光线定点采集装置、光线传输和数据采集3部分组成, 其示意图如图 6所示.燃烧台用于调控火焰燃烧工况, 由甲烷气瓶、空气气瓶、减压阀、质量流量控制器、燃烧喷嘴等部件组成.
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图 6 火焰自由基荧光强度定点测量系统示意图 Fig. 6 Schematic of local chemiluminescence measuringsystem |
火焰发出的光线从卡塞格林光线定点采集装置的光阑面中射入, 经光学系统反射后成像于装置尾部, 由尾部的光纤接收和传输.因从光纤射出的光束为发散光束, 光纤出射端需连接准直镜, 用于将发散光束校准成平行光束.从准直镜中射出的平行光束经滤光片滤光后照射在光电倍增管的感应视窗上.光电倍增管感受到光强信号后可将光强信号转换为电流信号.为避免背景光线的干扰, 光电倍增管安置在黑箱内.测量系统所测自由基种类由滤光片的中心波段决定, 滤光片可根据研究需要进行更换.从光电倍增管中输出的电流信号由数据采集显示器记录并显示.
2 卡塞格林光线定点采集装置定点功能的验证据1.1节设计计算, 火焰“被测区域”直径为0.1 mm, 长(景深)为Δ≈0.8~1.58 mm.“被测区域”的直径Φ与景深Δ是衡量卡塞格林光线定点采集装置定点功能最主要的参数.为验证最终成型的卡塞格林光线定点采集装置实物的定点功能, 特利用“逆光路”原理, 设置了如下实验.
2.1 直径Φ的验证火焰“被测区域”直径Φ的验证方法, 参考了Kojima等[10]的工作, 实验系统如图 7所示.
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图 7 火焰“被测区域”直径Φ实验验证系统图 Fig. 7 Measurement of effective light-collection volume's diameter Φ |
实验采用逆光路原理, 从卡塞格林光线定点采集装置尾部连接的光纤处打入光束, 使光线逆方向传播.从光纤处射出的光束从主镜中心开孔处穿过, 先到达次镜, 经次镜初次反射, 再到达主镜, 最终经主镜二次反射, 会聚于装置光阑面前端, 所形成的“聚焦点”也即装置正向使用时火焰的“被测区域”.卡塞格林光线定点采集装置与ICCD相机两两相对, ICCD相机用于捕捉“聚焦点”直径Φ的大小, 相机镜头聚焦在“聚焦点”所在位置.
实验在相同的情况下, 重复了10组.“聚焦点”直径Φ的大小通过ICCD相机拍摄的照片记录.实验取10组测量数据的平均值, 最终得出实际直径Φ=0.382 mm.
2.2 景深Δ的验证景深Δ测量实验系统如图 8所示.利用逆光路原理, 从卡塞格林光线定点采集装置尾部的光纤处打入光束, 使“聚焦点”成像在黑色背景上.通过调节位移台, 使“聚焦点”从模糊变为清晰再变为模糊, “聚焦点”的成像过程如图 9所示.图 9中的“测量点1”至“测量点5”按从左到右的顺序是一个逐渐成像的过程.本文中, “聚焦点”图像为明亮的光点时视为“清晰”, 如图 9中的“测量点3”；“聚焦点”图像中有固定次镜支架的投影时, 则视为“模糊”, 如图 9中的“测量点1”、“测量点2”、“测量点4”、“测量点5”.通过位移台记录“聚焦点”图像清晰段的距离, 该距离即为景深.实验中所用位移台为盛菱机械LD60-LM-2型号的位移台, 精度为0.01 mm.
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图 8 景深Δ测量实验系统示意图 Fig. 8 Measurement of effective light-collection volume's length Δ |
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图 9 “聚焦点”的成像变化过程 Fig. 9 Imaging process of effective light-collection volume |
实验在相同情况下, 重复了10组.最终取10组实验数据的平均值, 得出景深Δ的实际值为1.628 mm.
由实验所得实际情况下“被测区域”的直径Φ和景深Δ虽相比于设计值有所偏大, 但对于火焰整体尺寸而言, “被测区域”已足够小.
3 测量系统在火焰自由基荧光强度测量中的验证按如图 6所示的火焰自由基荧光强度定点测量实验系统进行测量, 采用甲烷/空气部分预混火焰, 燃烧喷嘴内径为18 mm.甲烷流量为1 500 ml/min, 空气流量为6 500 ml/min, 混合气体的一次空气当量比为2.197.以火焰中心为坐标原点, 在离燃烧喷嘴管口20 mm高度处, 由火焰中心向外每间隔一定距离获取1个定点数据.为清晰地显示自由基在火焰径向方向上的荧光强度分布, 火焰锋面处获取的定点数据间隔为0.2 mm, 其余位置间隔为1 mm.实验获取了OH基、CH基2种基团沿火焰径向分布的荧光强度数据.实验数据最终经归一化处理, 归一化指每组数据除以本组数据的最大值.如图 10所示为火焰自由基的测量结果, 图中：荧光强度用I/Imax表示, I为每组实验的荧光强度数据, Imax为所在组荧光强度数据中的最大值.火焰径向方向的距离用r/R表示, r为测量点离火焰中心的距离, R为燃烧喷嘴半径.
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图 10 火焰自由基荧光强度径向分布图 Fig. 10 Distribution of chemiluminescent intensity |
由图 10火焰自由基荧光强度径向分布图显示, 由火焰中心向外, 光强数据有2个峰值, 分别在火焰内锥面和外锥面2个锋面处.CH基峰-谷值之间的差异较大, OH基峰-谷值之间的差异较小.在火焰内锥面锋面处, OH基和CH基的荧光强度值达到最大, 而OH基和CH基的峰值位于不同的位置, 两者之间仅相差0.2 mm.这归功于卡塞格林光线定点采集装置具有很高的空间分辨率, 可分辨出位于不同位置的OH基和CH基峰值[12].
为进一步验证火焰自由基荧光强度定点测量系统在火焰研究中应用的可行性.针对同一实验工况的甲烷/空气部分预混火焰, 分别利用所设计的火焰自由基荧光强度定点测量系统和由滤光片与ICCD相机组合的直拍系统, 获取了在离燃烧喷嘴管口20 mm高度处, 每隔1 mm间距的OH基和CH基荧光强度数据, 并将数据进行归一化处理.实验结果如图 11所示, 由2套系统获得的同工况下OH基和CH基随火焰半径方向变化的光强数据, 其趋势基本一致[21].
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图 11 火焰自由基荧光强度径向分布数据对比图 Fig. 11 Comparison of data obtained by ICCD and PMT |
在火焰自由基荧光强度的测量中, 基于卡塞格林光学原理的火焰自由基荧光强度定点测量系统是一种可以获得火焰自由基荧光强度时域上连续信号的定点测试方法, 且系统具有无色差、球差小、分辨率高、成本低等优点, 适合在火焰研究中推广使用.本文在参考前人的研究基础上, 将卡塞格林光学原理应用于定点采集火焰光线, 基于Zemax软件自行设计了卡塞格林光线定点采集装置, 通过卡塞格林光线定点采集装置性能测试实验, 验证了该测量系统可测量直径为0.382 mm, 长为1.628 mm区域内的光强, 具有较高的三维空间分辨能力.将卡塞格林光线定点采集装置结合光线传输、数据采集显示部分设计搭建了火焰自由基荧光强度定点测量实验台, 实验获得了在距离燃烧喷嘴管口20 mm高度处, 火焰OH基、CH基光强随半径方向的分布数据.本文获得的结论主要如下：
(1) 利用卡塞格林光学原理设计出的卡塞格林光线定点采集装置, 可实现采集直径为0.382 mm, 长为1.628 mm区域内的光线, 具有较高的空间分辨率, 可实现三维空间上的定点测量.
(2) 将卡塞格林光线定点采集装置结合光电倍增管及其他部件所搭建的测量系统, 可测量火焰内部某个“点”在时域上连续的光强信号, 该装置适用于火焰局部结构动态过程的测量.
(3) 对于本文实验中一次空气当量比为2.197的甲烷/空气部分预混火焰, 采用卡塞格林光线定点采集装置, 可以分辨出OH基和CH基的荧光强度峰值位于仅差0.2 mm的不同位置, 由此证明了所设计的火焰自由基荧光强度定点测量系统具有三维空间上的高分辨率特性.
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