EyeiTS像增强模组配合高速相机拍摄甲烷燃烧过程中OH基团自发光

　　1、应用背景

　　煤炭、石油、天然气及其他燃料在把温暖、光明和力量带给人类的同时，也严重地污染着大气、影响着全球的气候。因此，如何降低燃烧过程产生的污染、提高燃料的利用率成为科学研究燃烧过程的主要目标。燃烧科学就是这样一门以燃烧过程的诊断和控制为重要内容的学科，其包含燃烧现象、实践和理论，在清洁燃料燃烧、能源高效利用和燃烧污染控制等方面具有重要意义。激光燃烧诊断技术常用于诊断燃烧场，可以实现燃烧场温度、组分及浓度、火焰构造和流速等参量信息的高时空分辨精确测量，而且测量对燃烧过程无扰动。这些参数的测量对于研究燃烧场的瞬态化学反应动力学过程，如固体推进剂燃烧动力学、超声速燃烧动力学、汽车和飞机发动机燃烧效率和污染控制等有重要意义。

　　在超声速气流中组织燃烧具有较高的难度并且通常都是不稳定的，由于湍流、脉动、激波/膨胀波/声波和边界层相互作用、高焓来流引起燃料自点火等因素使得超声速燃烧过程更加复杂。在燃烧诊断中，可以采用高速相机来拍摄高速流动流场燃烧过程中的OH基团自发光，从而通过OH基团的分布特征和演化规律对燃料燃烧过程进行分析和诊断，为改进燃烧工况和提高燃烧效率等提供理论依据。

　　OH基团自发光强度一般比较微弱，高速相机很难在高帧率下拍摄到清晰燃烧发光图像。而中智科仪EyeiTS高速成像增强模组可以以合适的增益配合高速相机来拍摄高速流动流场燃烧过程中的OH基团自发光。中智科仪EyeiTS高速成像增强模组具有高达30万倍的增益，可以显著提升信噪比，而且简易耦合，可以通过C/F接口耦合到主流厂商科研级CCD、CMOS和EMCCD以及高速相机。近年来，高速成像模组已应用于燃烧诊断、等离子体诊断和生物荧光成像等超快和高时空分辨实验中并表现出优越性能。

　　2、实验方案

　　采用EyeiTS像增强模组搭配高速相机来拍摄甲烷-空气预混气体燃烧过程中OH基发光。使EyeiTS工作于连续模式，在此模式下像增强模组一直处于打开状态，并以设定增益持续增强输入信号。燃烧过程中产生的OH基团自发光波长为308 nm，利用高通量紫外镜头和308 nm带通滤光片对发光信号进行收集。

　　实验设备：中智科仪EyeiTS像增强模组(EyeiTS-S-HQB-F)、NAC高速相机(Memrecam ACS-1)。

　　3、实验过程及结果

　　通过接口将相机安装在像增强器的后方，并在火焰出口上方放置一标定板，打开相机和像增强模组，调节紫外镜头焦距使标定板成像清晰，对焦完成后安装308nm带通滤光片。

　　实验装置

　　设置高速相机采集帧速为40000fps;像增强模组工作在常开模式，设置增益为3000;微调镜头使成像最清晰。

　　改变燃料工况比、采集帧速，并根据图像强度相应调整增强器的增益倍数，获得最清晰的OH基团发光图像。

　　实验结果如下：

　　采集帧速：20000fps MCP增益：3000

　　采集帧速：20000fps MCP增益：3200

　　采集帧速：40000fps MCP增益：3300

　　4、实验结论

　　实验利用EyeiTS像增强模组的连续工作模式，配合高速相机对高速流动流场燃烧过程中的OH基团自发光进行拍摄，通过调节像增强模组的增益可以对OH基团的分布特征进行成像。当拍摄帧速为20000帧时，像增强模组增益设置为3000即可观察到自发光基团，适当增加增益可以获得更好的信号强度，火焰根部至火焰顶部的完整区域内的OH基团自发光都能被清晰成像;当拍摄帧速提高到40000帧时，只需要适当增加像增强模组增益，同样能够清晰拍摄到OH基团自发光现象。结果表明，中智科仪EyeiTS像增强模组可以以合适的增益配合高速相机来拍摄高速流动流场燃烧过程中的OH基团自发光，从而通过OH基团的分布特征和演化规律对燃料燃烧过程进行分析和诊断。

　　5、解决方案

　　由中智科仪自主研发生产的EyeiTS像增强模组适用于灵敏度要求以及高速采集速度要求较高的实验：

　　1. 单光子探测灵敏度

　　在火焰燃烧诊断实验中，选用Hi-QE Blue 光阴极，在紫外波段的量子效率高达30%以上;更高增益的双层MCP可选，最高增益高达15万倍，支持单光子信号探测。

　　2. 超高采集频率

　　EyeiTS高速像增强模组最高可支持百万帧高速成像采集。

　　3. 精准的时序控制

　　EyeiTS高速像增强模组可选择D410时序同步控制器，具有3路独立输入输出的时序同步控制器，最短延迟时间为10ps。

　　4.高通量紫外镜头

　　F/2超大通量紫外镜头专为火焰燃烧优化设计。