单颗微粒燃料微燃烧、气化悬浮、点燃、成像及检测系统

摘要

本发明涉及一种单颗微粒燃料微燃烧、气化悬浮、点燃、成像及检测系统。目前，基于微燃烧的微能源系统所使用的燃料普遍为气体燃料，但气体燃料不易存储、携带。本发明包括第一激光驱动器、第一激光器、第二激光驱动器、第二激光器、第一反光镜、第一分光镜、倒置望远镜、第二分光镜、高倍物镜、微颗粒燃料、微燃烧芯片、三维电动位移平台、聚光镜、第三分光镜、可变光阑、集光镜、光源、第一透镜、滤光片、四象限探测器、第二透镜、第三分光镜、CCD相机、第二反光镜和红外摄像机。本发明采用全光学式颗粒悬浮定位、点燃以及测试方法，对颗粒微燃烧和气化进行无干扰式测试，最能反映微燃烧和气化真实性，还原其本质，有效揭示其机理。

说明书

技术领域

本发明属于微燃烧技术领域，涉及一种单颗微粒燃料微燃烧、气化悬浮、 点燃、成像及检测系统。

背景技术

随着微电机械系统（MEMS）技术的发展，因能满足可携带电子设备的长 时间供电和微小型航空航天设备高性能动力源和电源的需求，微能源系统的研 究引起了广泛的重视，如微/纳卫星、微飞行器、“陆军勇士”单兵作战系统、 机器蚂蚁、移动式电子设备微能源系统等。传统微能源系统大多基于微锂电池 组进行供电，但锂电池组供电存在诸多不足：能量密度较低、供电时间较短、 重复使用时充电时间较长等，因此难以满足新型微能源系统体积小、重量轻、 能量密度高、不间断长时间供电等的要求。

1996年，由MIT的Epstein和Senturia首次提出新型微能源系统“Power  MEMS”，可产生电能20W和推力0.125N。而后“Power MEMS”扩展到微燃 料电池、微型核电池、微型热机系统等。

微燃料电池具有操作温度低(80～100℃)效率较高(20～30%)的优势，但系统 极其复杂，尤其是燃料转化器等。微型核电池具有供电时间长(衰变50年)、受 干扰小的优势，但有供能低(数mW)，放射源不安全、衰变控制难、微型化难 等问题。微型热机是通过微尺度燃烧将燃料化学能转换为热能，再转换为电能 或者推力的一种微能源系统，包括微热电系统、微热光伏系统、微燃烧透平/ 发动(电)机系统。这三种微型热机系统各自具有优缺点，但每个系统都需要对 燃料进行微燃烧。

目前，基于微燃烧的微能源系统所使用的燃料普遍为气体燃料，因为气体 燃料的燃烧热值高，易于点燃,假设能量转换效率为20%，气体燃料燃烧能量密 度也能达到2000W-hr/Kg以上。但气体燃料不易存储、携带，对于微型航空 航天设备以及便携式设备而言是一个较大的问题。因此存在一个疑问：微燃烧 燃料能否使用液体或固体微颗粒燃料?

如果使用液体或固体微颗粒燃料，如何对微燃烧进行有效操控？如何集成 微燃烧系统？

本发明采用全光学式颗粒悬浮定位、点燃成像，以及对微颗粒燃料微燃烧 进行无干扰式测试，最能反映微燃烧和气化真实性，还原其本质，有效揭示其 机理，可作为标准性燃烧和气化测试方法。

发明内容

本发明为了解决使用液体或固体微颗粒燃料微燃烧系统中微燃烧有效控制 及系统集成问题，提出了一种单颗微粒燃料微燃烧、气化悬浮、点燃、成像及 检测系统。

本发明采取的技术方案为：

单颗微粒燃料微燃烧、气化悬浮、点燃、成像及检测系统，包括第一激光 驱动器、第一激光器、第二激光驱动器、第二激光器、第一反光镜、第一分光 镜、倒置望远镜、第二分光镜、高倍物镜、微颗粒燃料、微燃烧芯片、三维电 动位移平台、聚光镜、第三分光镜、可变光阑、集光镜、光源、第一透镜、滤 光片、四象限探测器、第二透镜、第三分光镜、CCD相机、第二反光镜和红外 摄像机。

第一激光器发出的光通过第一分光镜、倒置望远镜、第二分光镜和高倍物 镜形成聚焦光斑来悬浮微颗粒燃料；通过调节第一激光驱动器的驱动电流提高 第一激光器的输出功率至微颗粒燃料点燃；微粒燃烧发出的红外辐射光通过高 倍物镜、第二分光镜、第二透镜、第三分光镜、第二反光镜到达红外摄像机进 行成像和微粒温度分布检测；所述的微颗粒燃料放置于微燃烧芯片中。

第二激光器发出的光通过第一反光镜、第一分光镜、倒置望远镜、第二分 光镜、高倍物镜、微颗粒燃料、微燃烧芯片、聚光镜、第三分光镜、第一透镜、 滤光片到达四象限探测器，获得微颗粒燃料的位置，第二激光器由第二激光驱 动器驱动和控制。

光源发出的光通过集光镜、可变光阑、第三分光镜、聚光镜对微燃烧芯片 进行均匀照明；照明光通过高倍物镜、第二分光镜、第二透镜、第三分光镜到 达CCD相机进行成像、微粒形状和粒径检测。

更进一步说，微颗粒燃料为液体、固体、生物质颗粒或混合燃料；液体选 用油或醇类，固体选用煤或金属，生物质颗粒选用稻草或秸秆。

更进一步说，微燃烧芯片由三维电动位移平台控制，精确改变微颗粒燃料 与光束的相对位置。

本发明采用全光学式颗粒悬浮定位、点燃以及测试方法，对颗粒微燃烧和 气化进行无干扰式测试，最能反映微燃烧和气化真实性，还原其本质，有效揭 示其机理，可作为标准性燃烧和气化测试方法，克服现有微燃烧和气化机理研 究的难题。该技术不仅能应用于能源领域，而且可用于环境化学、生命科学、 生物医药和航空航天等诸多领域。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的单颗微粒燃料悬浮和点燃示意图；

图3为本发明的微颗粒燃料的位置测试示意图；

图4为本发明的微颗粒燃料及微燃烧芯片照明示意图；

图5为本发明的微颗粒燃料形状、粒径和温度分布测试示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示：本实施例主要包括第一激光驱动器1、第一激光器2、第二激 光驱动器3、第二激光器4、第一反光镜5、第一分光镜6、倒置望远镜7、8、 第二分光镜9、高倍物镜10、微颗粒燃料11、微燃烧芯片12、三维电动位移平 台13、聚光镜14、第三分光镜15、可变光阑16、集光镜17、光源18、第一透 镜19、滤光片20、四象限探测器21、第二透镜22、第三分光镜23、CCD相机 24、第二反光镜25和红外摄像机26。

第一激光器2发出的光通过第一分光镜6、倒置望远镜7、8、第二分光镜 9和高倍物镜10形成聚焦光斑来悬浮微颗粒燃料11，微颗粒燃料11放置于设 计加工的微燃烧芯片12中，微燃烧芯片12由三维电动位移平台13控制，精确 改变微颗粒燃料11与光束的相对位置。微颗粒燃料11可以为液体（油、醇类）、 固体（煤、金属）、生物质颗粒（稻草、秸秆）及混合燃料等。微颗粒燃料悬浮 及点燃示意图见说明书附图2。微颗粒燃料11在悬浮、燃烧和气化过程中的受 力包括激光辐射力、光泳力、热泳力、曳力、热流逸力、布朗力、重力和浮力 等，其分析如下。

激光辐射力：在激光作用下，光子碰撞颗粒而发生方向改变，从而导致动 量变化，根据动量守恒定律和牛顿第二定律，颗粒受到光子碰撞产生的作用力。 激光辐射力的表达式为：其中ε为颗粒发射率、c为光速、P₀为 入射光总能量、A_p为颗粒横截面积、A_beam为光束横截面积。一般将激光辐射力 分解为散射力（轴向力）和梯度力（径向力）。激光辐射力数量级一般为 10^-12～10^-9N，主要受限于光束能量、模式和束腰半径。

光泳力：由于激光悬浮颗粒时，颗粒受到不均匀电磁作用而导致入射面和 背光面出现微小热偏差，气体分子在颗粒热侧面反弹后比在冷侧面反弹后的动 量更大，从而在热侧面与冷侧面产生作用力差。对于本模型，光泳力表达式为： 其中R为理想气体常数、P为气体压力、M为气体 分子质量、Q_abs为激光吸收系数、μ_g为气体粘度、k_g为气体热导率、T_g为气体 温度、T_p为颗粒温度、k_p为颗粒热导率、J为对称分布因子（描述颗粒热吸收 后温度分布的对称性）、K_SL为热滑移系数（0.75-1.169，分别对应于分子到颗粒 表面镜像反射时和总扩散反射时的值）。当颗粒粒径为65-150um范围，其光泳 力较大。在颗粒粒径较小时，即时，光泳力可忽略，其中h_p为传热 系数。

热泳力：由于环境气体存在温度梯度，造成颗粒两表面沿气体梯度方向存 在微小温差，从而在热侧面与冷侧面生产作用力差。与光泳力的差异主要是作 用源的不同，光泳力是不均匀电磁源引起，而热泳力是气体温度梯度源引起。 对于本模型，热泳力的表达式为：

$F_{\mathrm{th}}=\frac{-9\pi {\mu }_g^2{d}_{p}H▿T_g}{2{\rho }_g{T}_g}$

其中，d_p为颗粒直径、ρ_g为气体密度、Kn为 努森数（颗粒直径与平均分子自由程之比）。

曳力：当颗粒受到激光作用时而受热，气体会在颗粒周围自然对流，产生 一个与重力方向相反的曳力，与激光束方向无关。自然对流产生的曳力在颗粒 悬浮中的作用很大，必须精确考虑。对于本模型，曳力的表达式为：

F_D＝3πd_peffμ_gV_g，其中d_peff为颗粒有效直径（比实际粒径大，因为需要考虑对流 边界层）、V_g为气体速度。对于900K时，40um的颗粒所受曳力约为4.82e^-10N。

热流逸力：是Crook辐射计中的主要力，表现为真空条件下当颗粒存在温 度梯度时，在热侧面和冷侧面之间存在的微小差力。大多数理论计算和实验结 果表明，在一定压力环境中的纳米级颗粒会受到一定的热流逸力，而对微米级 颗粒，热流逸力可以忽略。

布朗力：颗粒在周围气体分子的碰撞下，产生一种涨落不定的净作用力， 导致微粒的布朗运动。如果布朗粒子相互碰撞的机会很少，可以看成是巨大分 子组成的理想气体，则在重力场中达到热平衡后，其数密度按高度的分布应遵 循玻耳兹曼分布。利用玻尔兹曼因子R_thermal来判断布朗力对颗粒悬浮的影响作 用。如果R_thermal＝exp(-U_maxk_BT_g)＜＜1，那么布朗力可以忽略，其中k_B为玻尔兹曼常 数，U_max为光束势阱最大值。取微粒折射率为1.5，在光束焦平面及其附近，R_thermal为10^-65量级，所以布朗力可忽略不计。

重力和浮力表达式分别为：其中ρ_p为颗粒密度。 假定颗粒的密度在1～2×10³kg/m^-3之间，粒径为数微米，重力的数量级在 10^-14～10^-13N之间，与梯度力相比，粒子的重力效应影响极小。由于气体密度极 小，因此浮力可以忽略。

因此对于微米颗粒燃料的受力模型主要考虑激光辐射力、光泳力、热泳力 以及曳力等。在微燃烧和气化过程中，因为析出挥发份气体，所以颗粒物性参 数和环境物性参数（主要是粒径、密度、发射率）发生变化，会影响颗粒受力。 环境气体密度和折射率的变化很小，所以对激光辐射力产生影响很小。颗粒密 度的变化对辐射力基本没有影响。假设燃烧后颗粒膨胀，粒径变大，且发射率 减小，那么激光辐射力基本不会减小。当燃烧后颗粒发射率和粒径同时变小时， 激光辐射力变小，光泳力变小，热泳力变大，曳力变小，具体变化数量级需要 根据具体参数的计算结果来确定。如果辐射力不足以悬浮颗粒，使颗粒发生自 由移位时，根据颗粒移动方向和位移量，可以通过提高激光束的能量和调整聚 焦点来解决。

逐渐提高照射在微颗粒燃料11上的激光功率，颗粒表面发生气化，有挥发 分析出，当微颗粒燃料表面温度超过其着火点时，微颗粒燃料被点燃而发生燃 烧反应。说明书附图2中，第一激光器2被第一激光驱动器1驱动和控制，因 此为了实现微颗粒燃料点燃，第一激光器2的最高输出功率应达到数瓦。

微颗粒燃料11在微燃烧芯片12的位置需要通过另外一条光路来进行探测， 其结构示意图见说明书附图3。第二激光器4发出的光通过第一反光镜5、第一 分光镜6、倒置望远镜7、8、第二分光镜9、高倍物镜10、微颗粒燃料11、微 燃烧芯片12、聚光镜14、第三分光镜15、第一透镜19、滤光片20到达四象限 探测器21，获得微颗粒燃料11的位置，第二激光器4由第二激光驱动器3驱 动和控制。根据四象限探测器的输出来判断微颗粒燃料的位置。当四象限探测 器的输出为零时，表示微粒在光束的中心，假设为坐标原点；当四象限探测器 的输出非零时，表示微粒发生偏移，通过算法解析出微粒的坐标位置，即可判 断微粒偏移的方向和位置。

微颗粒燃料及微燃烧芯片照明示意图见说明书附图4，光源18发出的光通 过集光镜17、可变光阑16、第三分光镜15、聚光镜14对微燃烧芯片12进行 均匀照明。该照明方式为远心柯勒照明，集光镜17将光源18成像到聚光镜14 的前焦平面上，可变光阑16置于聚光镜14的物方焦平面上，组成像方远心光 路，视场光阑被聚光镜成像到物平面上。

微颗粒燃料形状、粒径以及表面温度分布的检测示意图见图5，照明光通 过高倍物镜10、第二分光镜9、第二透镜22、第三分光镜23到达CCD相机24 进行成像、微粒形状和粒径检测；微粒燃烧发出的红外辐射光通过高倍物镜10、 第二分光镜9、第二透镜22、第三分光镜23、第二反光镜25到达红外摄像机 26进行成像和微粒温度分布检测；CCD相机24直接拍摄微颗粒燃料，根据拍 摄图像进行分析，可获取微颗粒燃料在微燃烧和气化过程中的形状变化以及平 均粒径变化，因此可以分析微颗粒燃料的燃烧和气化速度。红外摄像机26拍摄 微颗粒燃料在燃烧和气化过程中的表面红外辐射强度，通过数字图像处理，可 以获得微颗粒燃料表面的温度分布。结合获得的形状和粒径参数来分析燃烧和 气化特性。