CN104237071A - 一种气体体粘滞系数的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体体粘滞系数的测量方法及装置。根据气体瑞利-布里渊散射频谱中布里渊频移量和布里渊散射峰的半高线宽即可通过公式推导直接得出气体的体粘滞系数，此方法能够克服传统方法所不适用的多种复杂情况。其装置包括实验台、532nm连续激光的固体激光器、可控制温度和压强的气池、透镜、小孔、斐索干涉仪、时序控制器、示波器、光子计数器。

Description

一种气体体粘滞系数的测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于自发瑞利-布里渊散射的气体体粘滞系数的测量方法及装置。本方法能测量高频范围的气体体粘滞系数与混合气体的体粘滞系数以及多种传统方法无法测量的气体体粘滞系数。

技术背景

在各种科学技术飞速发展的今天，气体的体粘滞系数越来越被人们重视，它是一个描述气体的传递系数的热力学的量，在流体力学和建筑学上都有非常重要的作用，然而对于气体体粘滞系数的测量数据目前还相当匮乏，并且目前利用声波吸收的测量方法也很有局限性。

由于气体体粘滞系数与频率有关，所以声波吸收法测量到的频率范围内的数据无法直接使用在更高频的研究当中，并且声波吸收法无法对部分分子结构复杂的气体或者是多种气体的混合气体进行体粘滞系数的测量。人们希望能有一种更加完善，适用的各项参数范围更广的测量方法出现。随着激光雷达越来越多的运用到各个领域并且展现出诸多优点和强劲的发展前景，可以将其优势运用到气体体粘滞系数的测量上，本发明就是基于这种需要而设计的。

文中提到了一种新型的、通过测量气体瑞利-布里渊散射频谱，理论公式推导出气体的体粘滞系数。只要准确的测量出气体的布里渊频移量和布里渊峰的半高线宽即可得到体粘滞系数的大小。

发明内容

为了实现各种复杂条件下气体体粘滞系数的精确测量，我们提出了一种利用瑞利-布里渊散射频谱测量体粘滞系数的方法。该方法是通过以下公式推导得出的：在布里渊散射频移值远远小于入射光频率值的条件下，散射光强度随频率的关系可以表示为公式(1)，公式(2)为热力学变量函数，由(1)式可得到布里渊散射半高线宽公式(3)，式中等号右边的第三项通常比前两项小很多，因此有公式(4)，则推导体粘滞系数与布里渊频移和半高线宽服从公式(5)：

$I\left(\mathrm{\ω}\right)=I_{\mathrm{ad}}\frac{\mathrm{\δ}/2\mathrm{\π}}{{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\Ω}}_0)}^2+{\mathrm{\σ}}^2}---\left(1\right)$

$\mathrm{\Γ}=\frac{1}{\mathrm{\ρ}}[\frac{4}{3}{\mathrm{\η}}_s+{\mathrm{\η}}_b+\frac{\mathrm{\κ}}{C_p}(\mathrm{\γ}-1)]---\left(2\right)$

${\mathrm{\Γ}}_B=2\mathrm{\δ}=\mathrm{\Γ}{q}^2=\frac{1}{\mathrm{\ρ}}[\frac{4}{3}{\mathrm{\η}}_s+{\mathrm{\η}}_b+\frac{\mathrm{\κ}}{C_p}(\mathrm{\γ}-1)]q^2---\left(3\right)$

${\mathrm{\Γ}}_B=\frac{1}{\mathrm{\ρ}}[\frac{4}{3}{\mathrm{\η}}_s+{\mathrm{\η}}_b]q^2=\frac{1}{\mathrm{\ρ}}[\frac{4}{3}{\mathrm{\η}}_s+{\mathrm{\η}}_b]\frac{4{\mathrm{\π}}^2{v}_B^2}{{\mathrm{\υ}}^2}---\left(4\right)$

${\mathrm{\η}}_b=\frac{\mathrm{\ρ}{\mathrm{\υ}}^2{\mathrm{\Γ}}_B}{4{\mathrm{\π}}^2{v}_B^2}-\frac{4}{3}{\mathrm{\η}}_s---\left(5\right)$

式(1)中I_ad为散射光强，ω和v分别为散射光的角频率和频率。

式(2)中η_s为剪切粘滞系数，η_b为体粘滞系数，κ为热传导系数，γ＝C_P/C_ν。

因此，由(1)式可得到布里渊散射半高线宽公式(3)，再简化为公式(4)，则可通过公式(1)(2)(4)推导得出公式(5)其中，剪切粘滞系数η_s可由手册中查出，或由理论计算得出。ν_B为布里渊频移，可由实验测量，υ为声速。

本发明提供了一种新的测量气体体粘滞系数的实验装置，实现了对于复杂环境下任意气体体粘滞系数的测量。

本发明探测系统包括：实验台、532nm连续激光的固体激光器、可控制温度和压强的气池、透镜、小孔、斐索干涉仪、时序控制器、示波器、光子计数器。

本发明解决的技术问题方案是：激光器输出波长为532nm，激光通过小孔1过滤掉部分杂散光再入射透镜2，通过透镜2对激光进行准直，变成平行的激光光束，光经过3汇聚进入气池4，透镜3的作用是得到比较细的光束，增加散射光的强度，在气池4中间汇聚到一点能量达到最高。在气体中的60°瑞利-布里渊散射光通过小孔5之后减少杂散光，经过准直系统6进行准直变成平行光，平行光进入鉴频系统7进行鉴频，鉴频系统7后是一个光子计数器的信号接收系统8进行信号的探测。激光器的实时工作状态用示波器来监视，并且整个实验过程都在黑暗中进行。

本新方法和探测系统的技术优势是：一、运用自发瑞利-布里渊散射来测量气体体粘滞系数的方法具有传统声波吸收法不能比拟的优势，目前声波吸收法对于测量频率在千兆赫频率下的体粘滞系数有一定的困难和局限性，而本发明很好的解决了这一问题。二、从测量仪器来说，瑞利-布里渊散射法的数据测量精度也比传统方法有很大的提高，主要有如下几点：1使用高精度斐索干涉仪来分光，可以有效减少其它波长光的影响，提高了探测系统的性噪比。2使用高灵敏度的光子计数器作为光谱成像器件，可以获得高灵敏度，高分辨率的光谱图像。3时序控制器的控制时间可以达到皮秒量级，用它来控制激光器和数据采集控制器可以使得测量数据更加的精准。三、对于可测量的范围，不论是从温度范围还是气压范围都得到很大的拓展，最重要的是本方法在气体种类和混合气体方面有很广泛的适用性，能测量单原子气体，双原子分子气体，复杂多原子分子气体也可以测量尤其是能够直接测量混合气体的体粘滞系数，只要气体能够产生自发瑞利-布里渊散射，就可以使用本方法来测量气体的体粘滞系数，并且测量结果比传统方法的测量结果精度更加高。

附图说明

附图1给出了瑞利-布里渊散射频谱特性的探测装置原理图。

具体实施方式

实施例1：

如附图1所示，该装置包括：实验台、532nm连续激光的固体激光器、可控制温度和压强的气池、透镜、小孔、斐索干涉仪、时序控制器、示波器、光子计数器。

本实验采用的激光器是532nm固体激光器。实验过程中，激光器输出波长为532nm，激光通过小孔1过滤掉部分杂散光再入射透镜2，通过透镜2对激光进行准直，变成平行的激光光束，光经过3汇聚进入气池4，透镜3的作用是得到比较细的光束，增加散射光的强度，在气池4中间汇聚到一点能量达到最高。在气体中的60°瑞利-布里渊散射光通过小孔5之后减少杂散光，经过准直系统6进行准直变成平行光，平行光进入鉴频系统7进行鉴频，鉴频系统7后是一个光子计数器的信号接收系统8进行信号的探测。激光器的实时工作状态用示波器来监视，并且整个实验过程都在黑暗中进行。

Claims (4)

1.一种气体体粘滞系数的测量方法，其特征在于，运用实验装置来测量自发瑞利-布里渊散射频谱并与S6模型进行比较，通过公式推导出气体体粘滞系数的计算公式弥补原有测量方法的不足。

2.一种气体体粘滞系数的测量装置，其特征在于，运用包括实验台、532nm连续激光的固体激光器、可控制温度和压强的气池、透镜、小孔、斐索干涉仪、时序控制器、示波器、光子计数器实验仪器，组成实验装置来测量自发瑞利-布里渊散射频谱。

3.如权利要求1所述的一种气体体粘滞系数的测量方法，其特征在于，所述的公式推导理论计算部分，从热力学角度分析原理，再通过公式的推导和对实验测量结果的模拟，从而得到气体体粘滞系数的推导公式其中剪切粘滞系数η_s可由手册查得，ν_B为布里渊频移，可由实验测量，υ为声速，Γ_B为布里渊散射线宽，直接通过模拟和公式计算得出气体体粘滞系数，此方法适用于传统方法不适用的复杂环境下气体体粘滞系数的测量，能客服多种复杂环境：多种气体混合，多原子分子气体和不适用于传统测量方法的气体，如二氧化碳气体。

4.如权利要求2所述的一种气体体粘滞系数的测量装置，其特征在于，所述的实验装置和实验过程：激光器输出波长为532nm，激光通过小孔1过滤掉部分杂散光再入射透镜2，通过透镜2对激光进行准直，变成平行的激光光束，光经过3汇聚进入气池4，透镜3的作用是得到比较细的光束，增加散射光的强度，在气池4中间汇聚到一点能量达到最高，在气体中的60°瑞利-布里渊散射光通过小孔5之后减少杂散光，经过准直系统6进行准直变成平行光，平行光进入鉴频系统7进行鉴频，鉴频系统7后是一个光子计数器的信号接收系统8进行信号的探测，激光器的实时工作状态用示波器来监视，并且整个实验过程都在黑暗中进行。