CN108761126A - 一种基于飞秒激光光致化学发光的测速装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于飞秒激光光致化学发光的测速装置及方法，装置由飞秒激光器、ICCD相机和计算机组成。方法包括以下步骤：打开飞秒激光器向流场发射激光，飞秒激光在气体中可自聚焦形成细丝，将细丝引入待测流场后与待测流场中的甲烷氮气混合气相互作用产生光丝状荧光信号，光丝状荧光信号会随流场移动，通过ICCD相机记录固定时间内光丝状荧光信号随流场的位移信息，并传输至计算机，由计算机对数据进行分析处理并得出速度信息。本发明在测量时信号持续时间长，可以扩展本测量方法的测量范围；测量时荧光信号强度强，可以将本测量方法应用于一些复杂流场的速度测量；另外，本发明相对于其他光学测量方法，测量装置较为简单。

Description

一种基于飞秒激光光致化学发光的测速装置及方法
技术领域
本发明涉及流体及激光光谱领域，具体涉及一种基于飞秒激光光致化学发光的测速装置及方法。
背景技术
速度是流场的重要信息，精确获取流场速度，能够帮助我们了解流场流动过程，加深对于流场流动的认识。目前，对于流场速度测量主要分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量主要以皮托管测速和热线风速仪[1，2]为主。两者测量时都需要在流场之中加入探头，探头会对流场的性质产生影响，而且还限制了测量的频率响应速度和空间分辨率，其应用范围有限。非接触测量主要是利用光学方法进行测量，光学方法主要是利用激光来实现测量。激光测试技术可以应用到很多特殊的流体，例如，燃烧火焰，狭窄通道，化学反应流，高强度湍流，激波，边界层等方面的研究。
运用光学方法测速大体可以分为两类：一是利用多普勒效应，以激光多普勒测速(Laser Doppler Velocimetry，LDV)[3]技术为代表，测量速度的原理是通过利用激光照射到运动粒子，运动粒子发出的散射光的多普勒频移来计算出粒子运动速度，或者将粒子吸收线频移与荧光辐射线强度变化相结合，利用荧光辐射强度来实现待测点速度测量，激光多普勒测速多用于高速流场测速，测速过程需要复杂的标定和修正，且测量信号容易受到杂散光的干扰；二是利用示踪粒子单位时间内的位移来实现测速，以粒子示踪测速(Particle Image Velocimetry，PIV)[4]和分子示踪测速(Molecular TaggingVelocimetry，MTV)[5]为代表。PIV技术需要在待测流场之中加入示踪粒子，为了保证测量的精确性，示踪粒子要有良好的跟随性和散射性，所以示踪粒子要根据所测的流场的性质进行综合选择，一般情况下，示踪粒子的直径在微米的级别。PIV技术通过计算添加的示踪粒子在一定时间内的位移得到流场的速度信息。PIV技术在测量低速的流场的时候表现良好，但是当流速达到超音速时或进行高强度湍流研究时，由于示踪粒子的跟随性原因，PIV技术会产生很大的误差。有研究表明在进行超音速边界层的研究之中，运用PIV技术测量的精确度会大大降低[6]。MTV技术使用的示踪粒子是分子，分子的直径一般为纳米量级，所以MTV技术可以很好地避免示踪粒子的跟随性问题，可认为是对流场的直接测量，可以大大提高测速的准确性。并且该技术无外物介入，不干扰流场，不接触测量，高时空分辨，且可实现多维测量，具有很高的理论精度。MTV应用时需要可以被合适激光激发到激发态并且激发态电子跃迁发出荧光信号寿命长的分子来做示踪粒子。现有的大多数MTV技术进行测量时，一般需要两束激光光束，一束激光光束用来标记示踪分子，称为测量过程中的“写”过程，在流场中标记得到一条信号线；在一定的时间延迟之后，利用另一束激光将标记的分子显示出来，称为测量过程的“读”过程，利用该时间延迟下分子的位移得到流场的速度信息。这种流场测速方式需要两套激光光源系统，较为复杂。
本发明主要是利用飞秒激光光致化学发光实现流场速度测量。飞秒激光与流场中的甲烷和氮气相互作用会产生处于激发态的CN,激发态的CN跃迁到低能态时会产生强度强，且持续时间长的荧光信号。利用相机拍摄在固定时间内的位移来得到流场的速度信息。
参考文献：
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发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，解决现有一些光学速度测量方法在测量时信号较弱，信号持续时间不够长等问题，提供一种基于飞秒激光光致化学发光的测速装置及方法。本发明属于非接触式光学速度测量装置及方法，本发明在测量时信号持续时间长，可以扩展本测量方法的测量范围；测量时荧光信号强度强，可以将本测量方法应用于一些复杂流场的速度测量；另外，本发明相对于其他光学测量方法，测量装置较为简单。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于飞秒激光光致化学发光的测速装置，由飞秒激光器、ICCD相机和计算机组成。
一种基于飞秒激光光致化学发光的测速方法，包括以下步骤：打开飞秒激光器向流场发射激光，飞秒激光在气体中可自聚焦形成细丝，将细丝引入待测流场后与待测流场中的甲烷氮气混合气相互作用产生光丝状荧光信号，光丝状荧光信号会随流场移动，通过ICCD相机记录固定时间内光丝状荧光信号随流场的位移信息，并传输至计算机，由计算机对数据进行分析处理并得出速度信息。
进一步的，所述计算机中通过MATLAB软件对数据进行分析处理。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
传统的接触式流场测量方法需要在流场之中加入探头，探头会对流场的性质产生影响，而其他非接触测量方法对于流场测量有各自限制，且测量系统比较复杂。本发明是利用飞秒激光光致化学发光进行速度测量，该方法具有：非侵入、信号强、信号持续时间长、系统简单等优势，可以实现超音速及高超音速流场的精确测量，
附图说明
图1是本发明测速装置的结构示意图。
附图标记：1-飞秒激光器，2-计算机，3-ICCD相机，4-待测流场
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明通过记录飞秒激光光致化学发光信号在流场中单位时间内的位移来得到速度信息。
本发明的测量装置由飞秒激光器1、ICCD相机3和计算机2组成，飞秒激光器1作为测量系统的光源，计算机2用于储存和处理数据，ICCD相机3用于捕捉荧光信号并成像。
结合图1说明本发明的具体实施方式方法：飞秒激光器1产生的激光经过自聚焦成丝到待测流场4之中；并与待测流场中的甲烷和氮气混合气相互作用发出荧光信号，利用ICCD相机3用来捕捉固定时间内荧光信号在流场内的位移信息，并将数据输入到计算机2中，计算机2通过已编辑好的数据分析程序对所采集的信号进行分析处理得到流场的速度信息。
本发明工作原理如下：将飞秒激光自聚焦形成的光丝引入待测流场中，待测流场内气体为甲烷和氮气混合气。激光与混合气相互作用并发出强度强，持续时间长的光致化学发光信号。该信号主要来自于激光光致化学反应产生的处于激发态的氰基(CN)向低能级跃迁时发出的荧光，利用ICCD相机捕捉固定时间内CN的荧光信号在流场中的位移图像信息，并将位移图像数据和对应的时间数据传输到电脑中，利用计算机中的MATLAB软件编写程序对荧光信号图像进行分析处理，可实时获得流场的速度信息。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于飞秒激光光致化学发光的测速装置，其特征在于，由飞秒激光器、ICCD相机和计算机组成。
2.一种基于飞秒激光光致化学发光的测速方法，基于权利要求1所述基于飞秒激光光致化学发光的测速装置，其特征在于，包括以下步骤：打开飞秒激光器向流场发射激光，飞秒激光在气体中可自聚焦形成细丝，将细丝引入待测流场后与待测流场中的甲烷氮气混合气相互作用产生光丝状荧光信号，光丝状荧光信号会随流场移动，通过ICCD相机记录固定时间内光丝状荧光信号随流场的位移信息，并传输至计算机，由计算机对数据进行分析处理并得出速度信息。
3.根据权利要求2所述一种基于飞秒激光光致化学发光的测速方法，其特征在于，所述计算机中通过MATLAB软件对数据进行分析处理。
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