一种基于显微拉曼光谱的燃烧积炭诊断系统及方法

技术领域

本申请属于在线燃烧诊断技术领域，具体涉及一种基于显微拉曼光谱的燃烧积炭诊断系统及方法。

背景技术

航空发动机是飞机心脏，国之重器，制造业皇冠上的明珠。航空燃料为发动机的起搏器和动力来源。发动机主燃烧室是航空发动机三大核心部件(压气机、燃烧室、涡轮)之一，由于航空发动机燃烧室内高温环境(600–1700℃)，航空碳氢燃料燃烧容易产生积炭。燃料积炭既是国际燃烧学领域的热点和难点。

目前针对航空发动机燃烧积炭的研究多采用离线的、间接的测量方法对积炭的微观形态和性质进行分析，如离线拉曼光谱仪、扫描电镜、透射电镜、能谱仪以及X射线衍射技术。这些实验手段的样品是冷却状态偏离实际运行工况的，存在积炭“测不准”的问题；且无法研究积炭与消解的动态相应过程，导致积炭“测不全”，无法有效探测积炭形成机理，因此有必要针对燃烧结焦积炭开展高温、动态、高空间分辨率的在线诊断研究。

公开号为CN114324731A的中国专利申请公开了一种测试润滑油结焦积炭的实验装置及其实验方法，提出了一种测试润滑油结焦积炭的装置和方法，通过观测的方法获得润滑油在高温燃气条件下的结焦状态，能够建立起润滑油结焦状态与温度之间的关系。但是，该方法并不能获得结焦积炭的微观结构信息，不能揭示结焦积炭过程的化学机理。公开号为CN113318683A的中国授权专利公开了一种适用于多种原位光谱表征的多功能低死体积气固相反应器以及公开号为CN113218933A的中国授权专利公开了一种光催化原位拉曼光谱测量系统，两篇专利均提出了与拉曼光谱联用的原位检测装置，但这些装置的工作温度较低，不能实现高温燃烧积炭的在线诊断。

因此，需提供一种针对燃烧结焦积炭开展高温、动态、高空间分辨率的在先诊断系统及方法。

发明内容

本申请的目的在于提供一种燃烧积炭诊断方法，开展高温、动态、高空间分辨率的在线诊断研究，以拉曼光谱的G峰和D峰表征积炭的结构信息，可以获得石墨型碳和无定形碳的相对比例，以部分或全部解决现有技术面对的问题。

为了实现上述目的，本申请提供了如下技术方案，提供一种基于显微拉曼光谱的燃烧积炭诊断系统，所述诊断系统包括：

拉曼光谱仪机构，用于使激光垂直入射到待测样品表面激发拉曼散射，并使拉曼散射信号沿原光路返回并收集，以实现拉曼散射光的激发、传递和收集；

光路延伸机构，用于将拉曼光谱仪机构产生的激光从拉曼光谱仪引出并聚焦到样品上，同时收集拉曼散射信号回传至拉曼光谱仪机构；

燃烧机构，用于产生结焦积炭；以及

动态火焰积碳观测机构，用于对燃烧机构的燃烧动态燃烧进行观测。

本申请所提供的基于显微拉曼光谱的燃烧积炭诊断系统，还具有这样的特征，所述拉曼光谱仪机构包括激光器以及拉曼光路组件，

所述激光器设置于拉曼光路组件的光路入射端，用于产生激光；

所述拉曼光路组件，用于在接收到激光器产生的激光后，实现拉曼散射光的激发、传递和收集。

本申请所提供的基于显微拉曼光谱的燃烧积炭诊断系统，还具有这样的特征，所述拉曼光路组件包括：

多个第一反射镜，用于改变光路方向；

第一反射镜镜架，用于固定支撑第一反射镜，所述第一反射镜在第一反射镜架上的高度可调；

衰减片，入射方向与所述激光器的出射方向对应，用于调整激光功率；

反射式高通滤波片，入射端与衰减片的出射端对应、反射端与拉曼光谱机构的出口端对应，用于透过高于激发波长的激光并将其反射至显微镜光路，并滤除返回拉曼光路系统的低于激发波长的反斯托克斯拉曼散射；

窄带滤波片，入射端与反射式高通滤波片的出射端对应，用于滤除瑞丽散射光；以及

针孔部，用于实现共聚焦。

本申请所提供的基于显微拉曼光谱的燃烧积炭诊断系统，还具有这样的特征，所述针孔部包括：

聚焦透镜组，入射端与窄带滤波片的出射端对应，用于聚焦拉曼散射光；

针孔，用于拉曼散射光通过；以及

准直透镜组，用于将通过真空的拉曼散射光转化为平行光。

本申请所提供的基于显微拉曼光谱的燃烧积炭诊断系统，还具有这样的特征，所述拉曼光谱仪机构还包括数据采集组件，包括光栅单色仪和CCD探测器，用于进行拉曼散射光信号的收集和记录，数据采集组件的入口端与准直透镜组的出射端相对应。

本申请所提供的基于显微拉曼光谱的燃烧积炭诊断系统，还具有这样的特征，所述光路延伸机构包括：

多个第二反射镜，用于改变光路方向；

第二反射镜镜架，用于固定支撑第二反射镜，所述第二反射镜在第二反射镜架上的高度可调；

长工作距离物镜，入射端与拉曼光谱仪机构中拉曼光路出口端对应，用于聚焦激光，并收集拉曼散射信号；以及

三维调整台，与长工作距离物镜连接，用于调整长工作距离物镜的位置，使其聚焦至待测样品，

所述长工作距离物镜为孔径不小于0.42或工作距离不小于25.5mm的显微物镜。

本申请所提供的基于显微拉曼光谱的燃烧积炭诊断系统，还具有这样的特征，所述燃烧机构包括微射流火焰燃烧器和用于承载并带动微射流火焰燃烧器进行空间三维运动的三维位移台。

本申请所提供的基于显微拉曼光谱的燃烧积炭诊断系统，还具有这样的特征，所述三维位移台包括用于控制沿激光光轴方向运动的纳米压电位移台以及分别控制水平和竖直方向运动的两套机械位移台。

本申请所提供的基于显微拉曼光谱的燃烧积炭诊断系统，还具有这样的特征，所述动态火焰积碳观测机构包括固定在燃烧机构四周的石英光窗以及靠近光学仪器与石英光窗相对位置的冷却结构，所述冷却结构用于对石英光窗和光学仪器进行冷却。

本申请的另一目的在于，提供一种基于显微拉曼光谱的燃烧积碳诊断方法，所述诊断方法采用如前述任一项所述的诊断系统。

有益效果

本申请所提供的诊断系统采用显微拉曼光谱对结焦积炭进行燃烧热态条件下的在线诊断和表征，能够获得结焦积炭的结构信息；该系统采用具有较大数值孔径的长工作距离物镜，高效收集拉曼散射信号，实现了高温、高空间分辨率下的在线诊断；该系统中产生结焦积炭的燃烧器为微射流燃烧器，采用位移台带动微射流燃烧器进行动态扫描检测，实现了燃烧积碳的动态诊断。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请实施例所提供的诊断系统的结构框图；

图2为本申请实施例所提供的诊断系统的结构示意图；

图3为本申请实施例所提供的诊断系统工作时的拉曼光路示意图；

图4为本申请实施例所提供的诊断系统工作时的光路示意图；

图5为本申请实施例中乙烷火焰背景下的燃烧积炭的拉曼谱图随时间的变化情况图。

其中：1、拉曼光谱仪机构；2、第二反射镜；3、长工作距离物镜；4、三维调整台；5、石英光窗；6、微射流火焰燃烧器；7、y轴位移台；8、x轴位移台；9、z轴位移台；10、拉曼光路组件；11、分光镜；12、显微镜；13、观测相机；14、光栅单色仪；15、CCD探测器；16、激光器；17、反射式高通滤波片；18、窄带滤波片；19、针孔部；20、拉曼光路出口端；21、光路延伸机构；22、冷却结构；23、动态火焰积碳观测机构；24、燃烧机构；25、数据采集组件；26、聚焦透镜组；27、准直透镜组；28、针孔；29、衰减片；30、第一反射镜。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本申请作进一步的详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本申请的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本申请的保护范围之内。

在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请创造的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请创造中的具体含义。

如图1-图4所示，提供了一种基于显微拉曼光谱的燃烧积炭诊断系统，所述诊断系统包括：拉曼光谱仪机构1，用于使激光垂直入射到待测样品表面激发拉曼散射，并使拉曼散射信号沿原光路返回并收集，以实现拉曼散射光的激发、传递和收集；光路延伸机构21，用于将拉曼光谱仪机构1产生的激光从拉曼光谱仪机构1引出并聚焦到样品上，同时收集拉曼散射信号回传至拉曼光谱仪机构1；燃烧机构24，用于产生结焦积炭；以及动态火焰积碳观测机构23，用于对燃烧机构24的燃烧动态燃烧进行观测。

上述实施例所提供的基于显微拉曼光谱的燃烧积炭诊断系统，光路延伸机构21包括长工作距离物镜3，拉曼光谱仪机构1设置有拉曼光路出口端20。所述拉曼光路出口端20与光路延伸机构21相对应。激光经长工作距离物镜3聚焦至样品即微射流火焰燃烧器6激发拉曼散射，拉曼散射信号经长工作距离物镜3收集并沿原光路返回传递至拉曼光谱仪机构1的数据采集组件25进行收集和检测。

在部分实施例中，所述拉曼光谱仪机构包括：激光器16和拉曼光路组件10。激光器16设置于拉曼光路系统的光路入射端，用于产生激光在该实施例所提供的诊断系统中，激光功率为1mW至50mW可调，激光经拉曼光路组件10垂直入射到待测样品表面激发拉曼散射，并使拉曼散射信号沿原光路返回并收集，拉曼光路组件10用于在接收到激光器16产生的激光后，以实现拉曼散射光的激发、传递和收集。

在部分实施例中，所述拉曼光路组件10包括：多个第一反射镜30，用于改变光路方向；第一反射镜镜架，用于固定支撑第一反射镜30，所述第一反射镜30在第一反射镜架上的高度可调；衰减片29，入射方向与所述拉曼光谱仪机构1中激光器16的出射方向对应，用于调整激光功率；反射式高通滤波片17，入射端与衰减片29的出射端对应、反射端与拉曼光谱机构的拉曼光路出口端20对应，用于透过高于激发波长的激光并将其反射至显微镜光路，并滤除返回拉曼光路系统的低于激发波长的反斯托克斯拉曼散射；窄带滤波片18，入射端与反射式高通滤波片17的出射端对应，用于滤除瑞丽散射光；以及针孔部19，用于实现共聚焦。

上述实施例中，可根据观测激光出口和观测目标的位置确定第一反射镜30与第一反射镜镜架的使用数量，以改变光路方向实现光路从前一元件的出射方向沿指定方向入射后一元件。第一反射镜镜架可以用来调节第一反射镜30的高度。衰减片29用于将激光功率调整至合适值，以在激发足够强度的拉曼散射的同时，防止烧坏样品。针孔部19用于滤除离焦平面的杂散光，即滤除经长工作距离物镜3收集、准直的非聚焦平面拉曼散射光，以实现共聚焦，有助于提高检测的纵向空间分辨率。

在部分实施例中，所述针孔部19包括：聚焦透镜组26，入射端与窄带滤波片18的出射端对应，用于聚焦拉曼散射光；针孔28，用于拉曼散射光通过；以及准直透镜组27，出射端与数据采集组件25的入口端相对应，用于将通过真空的拉曼散射光转化为平行光。

在部分实施例中，拉曼光谱仪机构还包括数据采集组件25。数据采集组件25包括光栅单色仪14和CCD探测器15，用于进行拉曼散射光信号的收集和记录。所述光栅单色仪14与拉曼光路组件10的拉曼光路出口端20相连，用于产生单色光，即从宽波段的辐射束中分离出一系列狭窄波段的电磁辐射。所述CCD探测器15位于光栅单色仪14的下游，与电脑连接，是一种电荷耦合器件，用于将光栅分光后的拉曼散射光信号进行收集和记录，最终在电脑显示。

在部分实施例中，所述光路延伸机构21包括：多个第二反射镜2，用于改变光路方向；第二反射镜镜架，用于固定支撑第二反射镜2，所述第二反射镜2在第二反射镜架上的高度可调；长工作距离物镜3，入射端与拉曼光谱仪机构1中拉曼光路出口端20对应，用于聚焦激光，并收集拉曼散射信号；以及三维调整台4，与长工作距离物镜3连接，用于调整长工作距离物镜的位置，实现显微物镜与拉曼光谱仪的等高同轴调节，使其聚焦至待测样品，所述长工作距离物镜3为孔径不小于0.42或工作距离不小于25.5mm的显微物镜。长工作距离物镜3能高效收集拉曼散射信号，实现高温、高空间分辨率；同时，较大的工作距离有利于保护物镜不被高温燃气损坏，冷却吹扫光热耦合装置预留充足空间。三维调整台4可以是一个一体高精度的三维调整台，也可以是一个由多个低维调整台组合而成的调整台组件。

在部分实施例中，所述长工作距离物镜3选用50X放大倍率，其数值孔径为0.42、工作距离为25.5mm，工作波长为532、1064nm，空间分辨率优于1.0μm。

在部分实施例中，所述燃烧机构24包括微射流火焰燃烧器6和用于承载并带动微射流火焰燃烧器6进行空间三维运动的三维位移台。三维位移台固定于实验平台上。微射流火焰燃烧器6用于产生结焦积炭，可根据所需燃料射流喷管形式等选择不同喷嘴形状的射流火焰燃烧器。所述待测样品是微射流火焰燃烧器6顶部的结焦积炭。

在部分实施例中，所述三维位移台包括用于控制沿激光光轴方向运动的纳米压电位移台，也即y轴位移台7；用于控制水平方向运动的机械位移台，也即x轴位移台8；用于控制竖直方向运动的机械位移台，也即z轴位移台9。y轴位移台7运动精度为20nm，满足长工作距离物镜的精密对焦要求。所述z轴位移台9和x轴位移台8运动精度为10μm，满足积炭表征的空间分辨率要求。

在上述实施例中位移台的选型如下表一所示：

表一：位移台选型

在部分实施例中，所述动态火焰积碳观测机构23包括固定在燃烧机构24四周的石英光窗5以及靠近光学仪器与石英光窗5相对位置的冷却结构22，所述冷却结构22用于对石英光窗5和光学仪器进行冷却。本实施例中石英方窗5为方筒形状。石英光窗5的作用是避免燃烧尾气和颗粒物腐蚀污染长工作距离物镜3。所述冷却结构22置于靠近长工作距离物镜3和石英光窗5相对的部分，石英光窗5和长工作距离物镜3进行冷却，可以避免其受高温而损坏，可以采用气冷喷嘴的方式，也可采取四周缠绕金属管通入冷却工质等方式；本实施例中冷却结构22采用气冷喷嘴的方式。

在部分实施例中，提供一种基于显微拉曼光谱的燃烧积碳诊断方法，所述诊断方法采用如前述任一项实施例所述的诊断系统。采用拉曼光谱对燃烧积炭的结构进行表征。拉曼光谱采用背散射模式，拉曼光谱仪发出的激光经长工作距离物镜聚焦、垂直入射到待测样品表面激发拉曼散射；拉曼散射信号沿原光路返回并由长工作距离物镜3收集，传递至拉曼光谱仪进行检测。

为了验证前述实施例所提供的诊断系统的工作性能，特别是对微弱拉曼散射信号的收集、检测能力，采用拉曼光谱仪检测了乙炔射流火焰积炭，乙炔火焰实验工况如表2所示：

表2乙炔火焰实验工况

拉曼光谱仪机构1设置的激光功率为50mW，积分时间为15秒。实验结果如图5所示，能够检测到碳的特征峰D峰、G峰。拉曼散射特征峰是叠加在背景辐射上的特征峰，说明前述实施例所提供的诊断系统可以对高温下的积炭的进行检测。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。