CN109100047A - 基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法，包括使用脉冲激光激发诱导光栅、使用连续激光作为探测光进而产生信号光、确定光栅间距、提取信号光振荡的频率值后计算得出温度值、对信号衰减曲线进行拟合得到时间常数和计算得出热扩散率。本发明还公开了一种基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的装置，包括激发光单元、探测光单元、信号接收单元。本发明提供的基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法及装置实现了对燃烧场以及气体环境中温度和热扩散率的高精度、瞬态测量，不仅克服了现有测温手段中存在的弊端，具有抗干扰能力强、复杂环境适应性强等特点，并且能够同步获得气体组分的热扩散率。

Description

基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法及装置

技术领域

本发明属于气体温度、热扩散率测量领域，具体涉及一种基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法及装置。

背景技术

在能源、环境、化工、冶炼、航空航天等行业中，气体温度和热扩散率的实时准确测量对生产工艺优化、节能减排和安全生产等具有重要的意义。传统的测温方法包括接触式和非接触式方法。

热电偶测温法是一种典型的接触式测量法，得到了广泛应用；然而，热电偶的布置干扰了被测环境的流场，在测量精度上表现也较差；同时在特种高温环境中，热电偶往往需要加装铠装外壳才能够使用；并且，一般的热电偶不具备高频瞬时响应性，无法应用于高速燃烧以及高频变化的温度场。

红外辐射测温是一种基于热辐射原理的非接触式方法；但被测表面的发射率、反射率以及环境温度都对测量结果有较大的影响，这些因素直接影响了它的准确性和适用性。

拉曼散射测温是一种非接触式光学测温法；一般而言，拉曼散射测温主要与分布式光纤系统结合，应用于大型区域的空间温度场进行检测。它的测温精度和瞬时响应性都有一定限度。相干反斯托克斯拉曼散射是一种基于非线性四波混频原理的非接触式方法，该方法通过拟合光谱线形得出温度值，其高温区测量表现差，高温区信号容易被干扰，信号强度低，波动较大，因此该方法在复杂燃烧场中的应用受到很大限制。

激光诱导荧光法是一种以荧光强度来反应温度的非接触式测量方法；该方法用特定组分的浓度来反应温度，例如燃烧过程中产生的OH基；因此这种方法需要精确的标定过程；并且，激光强度、染色剂的浓度、荧光的光谱特性都会对测量产生影响。该方法也仅适用于稳定燃烧场的温度测量，无法满足复杂燃烧场的诊断需要。双色平面激光诱导荧光是激光诱导荧光技术的扩展应用，很大程度上消除了激光强度、染色剂的浓度等因素对结果的影响，并能够适用于高频变化的温度场。但该技术的光学系统存在抗干扰能力差、其实验本体的可视化性能要求高等问题。

热扩散率与材料导热系数、比热容和密度三个物性参数相关，综合反应了一种材料的导热性能，是一个重要的热物理参数。对于一些混合气体燃料和材料而言，其导热性能变化较大，相对于单一组分来说更难以确定。

传统的热扩散率测量方法一般有热线法、闪光法、光热法。

热线法是一种比较传统的测量方法，是一种类热电偶应用原理的热扩散率测量方法。这种方法在测量过程中要求热线材料足够细，而太细的热线由于其传热量低，会使得测量结果不准确；同时，热线测量本身就是一种基于导热过程的方法，存在热线测量本身的误差和迟滞性。

激光闪光法、光热法是利用瞬时激光脉冲加热样品，结合外部温度探测器捕获温度信息，然后分析得到热扩散率。这种方法建立在一维非稳态导热理论基础上，该方法需要被测物体厚度足够薄，以满足一维非稳态导热理论假设。但实际导热问题中，其他维度上也存在一定量的热扩散，因此闪光法、光热法测量需要对漏热量进一步修正。同样，该方法也存在温度探测器本身的误差问题和迟滞性问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法及装置，能够在测温过程中，同步得到热扩散率参数，具备高精度、高频瞬时响应特性，具备抗干扰能力强、复杂环境适应性强等特点，可以实时、准确地获取燃烧场以及气体组分环境中的温度信息、气体组分的热扩散率参数，克服了现有测温和热扩散率测量手段中存在的弊端。

本发明提供如下技术方案：

一种基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法，包括以下步骤：

(1)由脉冲激光器产生的激发光源被分光镜分为两束激发光，两束激发光经过布置光路后，以角度θ相交于O点位置，在O点位置激发诱导光栅；

(2)连续激光器产生探测光，探测光以布拉格角度β入射到两束激发光的相交位置O点，在诱导光栅处发生散射，产生信号光；

(3)信号光经过信号采集光路中的滤波镜、聚焦透镜组后，其光电信号被光电倍增管接收，高速采集仪负责记录光电倍增管所接收的信号振幅强度变化；其中，信号光是探测光经过诱导光栅后，其衍射光光强最大时，所对应方向上的光线，它与探测光共轭；

(4)对信号光的振幅强度变化曲线进行傅里叶频率分析得到信号光振荡频率f_c，结合光栅间距Λ和f_c计算目标温度参数T；

(5)对信号光的振幅强度变化曲线进行拟合得到信号强度衰减曲线，进而得到其时间常数τ₀，并根据时间常数τ₀计算气体热扩散率a。

在步骤(1)中，所述的分光镜为立方体分光镜。

所述步骤(1)中的布置光路包括对称布置的第一反射镜和第二反射镜，两束激发光分别经第一反射镜和第二反射镜反射后以角度θ相交于O点位置，两束激发光在测量点O的光程差为零。

所述步骤(1)中的角度θ为2-4°，使之诱导的光栅衍射效率较高。

由于两束激发光具备同频率、同相位的干涉条件，因此会在相交位置O点发生干涉；通过调整光路中反射镜组的放置角度和位置，来确定两束激发光的相交角度，使两束激发光被反射镜反射之后以特定的角度θ相交于O点。

其中，调整光路中连续激光器的位置使得探测光以角度β通过激发光相交位置O点。

所述步骤(2)中布拉格角度β满足：

λ_probe＝2Λsinβ

其中，Λ为光栅的间距，λ_probe为探测光的波长；

其中，λ_pump为激发光波长，θ为两束激发光夹角。

所述步骤(4)中，目标温度参数T的计算公式为：

其中，绝热系数γ、气体常数R_g均为被测气体组分的物性参数；在测量过程中。

针对不同的工况，对γ、R_g进行修正，将γ、R_g进一步表示成与温度(T)、压力(P)以及组分浓度(X_g)相关的修正量γ(T,P,X_g)、R_g(T,P,X_g)，并用已知准确的热力学线性方程对其进行取值，提高测量精度。

所述步骤(5)中，信号强度衰减曲线的时间常数τ₀等于信号强度衰减至峰值强度的1/e时所对应的时间长度。

其中，信号光的振幅强度变化中信号观测时间尺度应为500μs以上，以减小数据拟合误差，提高测量精确度。

所述步骤(5)中，气体热扩散率a的计算公式为：

其中，Λ为光栅间距；τ₀为时间常数。

本发明还提供一种用于上述方法的装置，包括：

激发光单元，包括用于产生激发光的脉冲激光器和布置光路，其中布置光路包括立方体分光镜、用于调整光路的第一反射镜和第二反射镜；

探测光单元，包括用于产生探测光的连续激光器；

信号接收单元，包括滤波镜、聚焦透镜组、光电倍增管和高速采集仪；

脉冲激光器产生的激发光源被立方体分光镜分为两束激发光后依次经过第一反射镜和第二反射镜，以2°-4°相交于O点位置，在O点位置激发诱导光栅后入射到光陷中被弃置；连续激光器产生一束连续探测光，以布拉格角度β经过激发光相交O点位置，在诱导光栅处发生散射，产生信号光，之后入射到光陷中被弃置；信号光经过滤波镜、聚焦透镜组后，被光电倍增管接收，然后光电倍增管将光电信号传输至高速采集仪。

所述脉冲激光器波长为266nm到1024nm之间、脉冲时间为5ns到100ns、脉冲能量的选用参考范围为30mJ到200mJ，用于产生诱导光栅的激发光。

所述立方体分光镜的分光比为50％:50％，用于将激发光分成能量一致的两束激发光。所述第一反射镜和第二反射镜对称布置，使反射后的两束激发光在测量点的光程差为零。

所述连续激光器波长为300nm到760nm，输出功率为50mW到500mW，用于在诱导光栅处发生散射产生信号光。

所述滤波镜的带通波段应与所选连续激光器波长配合，其带通波段优选为连续激光波长±5nm，用于过滤掉信号光以外的杂散光。

所述聚焦透镜组用于将信号光汇聚在较为集中的一点上。

所述光电倍增管的带宽>1GHz、上升时间<1ns、探测波长覆盖连续激光器波段，用于将光信号转化为电信号。所述高速采集仪具备1GHz以上的带宽、5GS/s以上的采样率，可选为高参数示波器，采集光电倍增管输出的电信号。

本发明提供的基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法的原理如下：

(1)测量气体温度的原理：

在诱导光栅产生的过程中，诱导光栅所在区域分子由于突然受热，会产生向光栅区域外侧传播的声驻波。声波的阻尼振荡会使热光栅区域中的分子浓度发生变化，因此折射率也相应发生变化。

当声波振荡在光栅中传播时，其振荡频率f_c可以描述为：

其中，τ_c为声波跨越一个光栅间隔的传播周期，c为当地声速，Λ为光栅间距。

这一振荡频率也就是信号光振幅变化的频率。

而在热力学当中，当地声速c可以表述为：

综合上述两式，可以得到温度的表达式为：

所述测量原理中的绝热系数γ、气体常数R_g均为被测气体组分的物性参数。在测量过程中，针对不同的工况，对γ、R_g进行修正，将γ、R_g进一步表示成与温度(T)、压力(P)以及组分浓度(X_g)相关的修正量γ(T,P,X_g)、R_g(T,P,X_g)，并用已知准确的热力学线性方程对其进行取值。

(2)测量热扩散率的原理：

信号光的强度变化对应于诱导光栅衍射信号强度的变化，而诱导光栅的形成来源于两个部分：分子受热并向周围传热时形成的热光栅，它会形成一个单边指数式衰减的信号光强度调制，该部分对应于温度的传递过程；在激发位置相背传播的声驻波，它会形成一个阻尼式衰减的信号光强度调制，该部分对应于声波的传导过程。因此信号光的强度变化可以描述为两个部分：

其整体的强度变化为：

其中，S₁对应于热光栅调制的衍射信号强度，Δs₁为其扰动量；S₂对应于声驻波调制的衍射信号强度，Δs₂为其扰动量；A₁、A₂分别为其各自的振幅初始常量；β₁、β₂分别为其各自的阻尼系数；ω为声驻波阻尼衰减的固有频率，为其初始振动相位；S为诱导光栅的整体衍射信号强度。

而在较大时间尺度上考察信号光强度的变化时，此时声波衰减调制所带来的影响相比热光栅的衰减调制要小的多，因此可以将声波衰减调制视作一个扰动，此时总体的信号光强变化可表示为：

其中

对于热光栅而言，其衰减的原因是温度的扩散传递，根据理论分析，热光栅调制所引起的信号光强度变化的阻尼系数β₁为：

其中，β₁为热光栅的衍射信号强度变化的阻尼系数；a为热扩散率；Λ为光栅间距。

那么其信号强度衰减曲线S的时间常数τ₀为：

其中，β₁为热光栅衍射信号强度变化的阻尼系数；a为热扩散率；Λ为光栅间距；τ₀为时间常数。

信号强度变化的时间常数τ₀是一个可测量，它在数值上等于信号强度衰减至峰值强度的1/e时，所对应的时间长度，因此热扩散率a转化为一个间接可测量，表示为：

其中，a为热扩散率；Λ为光栅间距；τ₀为时间常数。

由于诱导光栅的产生和消减是一个瞬时过程，并且存在于一个很小的区域范围内，因此本发明具有高精度、高频瞬时响应特性，所需的光学测量视窗很小；同时，其采集参数为信号光的频率，很大程度上，避免了信号光振幅强度变化以及环境光对测量结果的影响，因此具备抗干扰能力强、复杂环境适应性强等特点；并且能够在测温过程中，同步得到热扩散率参数。

附图说明

图1为本发明提供的基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的装置结构示意图；

图2为高速采集仪记录的信号光振幅和频率示意图；

其中，1脉冲激光器；2立方体分光镜；3第一反射镜；4第二反射镜；5光陷；6滤波镜；7聚焦透镜组；8光电倍增管；9高速采集仪；10连续激光器。

具体实施方式

下面结合附图详细给出本发明的具体实施方案步骤。

一种基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法，包括以下步骤：

(1)由脉冲激光器产生的激发光源被分光镜分为两束激发光，两束激发光经过布置光路后，以角度θ相交于O点位置，在O点位置激发诱导光栅，其中，立方体分光镜的分光比为50％:50％。

步骤(1)中的布置光路包括对称布置的第一反射镜和第二反射镜，两束激发光分别经第一反射镜和第二反射镜反射后以角度θ相交于O点位置，反射后的两束激发光在测量点O的光程差为零。

步骤(1)中的角度θ为2°-4°。

由于两束激发光具备同频率、同相位的干涉条件，因此会在相交位置O点发生干涉；通过调整光路中反射镜组的放置角度和位置，来确定两束激发光的相交角度，使两束激发光被反射镜反射之后以特定的角度θ相交于O点。

(2)连续激光器产生探测光，探测光以布拉格角度β入射到两束激发光的相交位置O点，在诱导光栅处发生散射，产生信号光。

步骤(2)中布拉格角度β满足：

λ_probe＝2Λsinβ

其中，Λ为光栅的间距，λ_probe为探测光的波长；

其中，λ_pump为激发光波长，θ为两束激发光夹角。

(3)信号光经过信号采集光路中的滤波镜、聚焦透镜组后，其光电信号被光电倍增管接收，高速采集仪负责记录光电倍增管所接收的信号振幅强度变化；其中，信号光是探测光经过诱导光栅后，其衍射光光强最大时，所对应方向上的光线，它与探测光共轭。

(4)对信号光的振幅强度变化曲线进行傅里叶频率分析得到信号光振荡频率f_c，根据光栅间距Λ和f_c计算目标温度参数T。

步骤(4)中，目标温度参数T的计算公式为：

其中，绝热系数γ、气体常数R_g均为被测气体组分的物性参数；在测量过程中。针对不同的工况，对γ、R_g进行修正，将γ、R_g进一步表示成与温度(T)、压力(P)以及组分浓度(X_g)相关的修正量γ(T,P,X_g)、R_g(T,P,X_g)，并用已知准确的热力学线性方程对其进行取值，提高测量精度。

(5)对信号光的振幅强度变化曲线进行拟合得到信号强度衰减曲线，进而得到其时间常数τ₀，并根据时间常数τ₀计算热扩散率a。

其中，信号强度衰减曲线的时间常数τ₀等于信号强度衰减至峰值强度的1/e时所对应的时间长度。信号光的振幅强度变化中信号观测时间尺度应为500μs以上，以减小数据拟合误差，提高测量精确度。

热扩散率a的计算公式为：

其中，Λ为光栅间距；τ₀为时间常数。

实施例1

如图1所示，基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的装置包括：激发光单元、探测光单元、信号接收单元三个部分。

(1)激发光单元由脉冲激光器1、立方体分光镜2、第一反射镜3、第二反射镜4、光陷5构成，用于在测量区域产生诱导光栅；其中脉冲激光器的激光波长为532nm、脉冲时间为8ns、脉冲能量为200mJ，立方体分光镜的分光比为50％:50％，第一反射镜3、第二反射镜4对称布置，使反射后的两束激发光在测量点O点位置的光程差为零。

(2)探测光单元由连续激光器10、光陷5构成，用于在诱导光栅区域即测量区域产生信号光；其中连续激光器的激光波长为635nm、输出功率为300mW。

(3)信号接收单元由滤波镜6、聚焦透镜组7、光电倍增管8、高速采集仪9构成，用于接收信号光并记录其变化。滤波镜使用带通滤波镜，其透光范围根据连续激光器的激光波长来选定，透光波段的选用参考范围为所使用连续激光波长±2nm；光电倍增管为：2GHz的带宽、覆盖波长根据连续激光器激光波长来选定，可选300nm到1100nm的覆盖波段、上升时间500ps；高速采集仪选用高参数示波器，具备2GHz的带宽、5GS/s的采样率。

用本实施例中的装置测量气体温度和热扩散率的方法为：

(1)脉冲激光器1产生一束脉冲激发光源，该光束在立方体分光镜2处分光，分为强度比值为50％:50％的透射光与反射光。透射光与反射光分别被第一反射镜3、第二反射镜4反射，以角度2°相交于O点位置，并在相交位置激发诱导光栅，之后透射光与反射光入射到光陷5中被弃置。

(2)连续激光器10产生一束连续探测光源，该光束以布拉格角度β经过激发光相交O点位置，在诱导光栅处发生散射，产生信号光，之后入射到光陷5中被弃置。

(3)产生的信号光入射到滤波镜6，其中信号光以外的杂散光被过滤掉，然后信号光经过聚焦透镜组7，被汇聚成相对集中的光信号。布置于光路尾部的光电倍增管8则负责接收被汇聚的信号光的光电信号，并将信号传输至高速采集仪9，高速采集仪9记录的信号光振幅和频率如图2所示。

(4)通过傅立叶频谱算法对信号光的振幅频率进行分析，提取其振荡频率f_c；根据已知的激发光波长λ_pump以及两束激发光的夹角θ，计算得到光栅间距Λ；确定光栅间距Λ后，结合不同工况下所测得的信号光振荡频率f_c，根据理论公式推算出对应的温度值。

(5)对较大时间尺度上的信号曲线进行拟合，进而得到信号强度衰减曲线的时间常数τ₀，并结合光栅间距Λ，由理论公式推算出对应的热扩散率a。

Claims (10)

1.一种基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法，包括以下步骤：

(1)由脉冲激光器产生的激发光源被分光镜分为两束激发光，两束激发光经过布置光路后，以角度θ相交于O点位置，在O点位置激发诱导光栅；

(2)连续激光器产生探测光，探测光以布拉格角度β入射到两束激发光的相交位置O点，在诱导光栅处发生散射，产生信号光；

(3)信号光经过信号采集光路中的滤波镜、聚焦透镜组后，其光电信号被光电倍增管接收，高速采集仪记录振幅强度变化的信号；

(4)对信号光的振幅强度变化曲线进行傅里叶频率分析得到信号光振荡频率f_c，结合光栅间距Λ和f_c计算目标温度参数T；

(5)对信号光的振幅强度变化曲线进行数据拟合得到信号强度衰减曲线，进而得到其时间常数τ₀，并根据时间常数τ₀计算气体热扩散率a。

2.根据权利要求1所述的基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的布置光路包括对称布置的第一反射镜和第二反射镜，两束激发光分别经第一反射镜和第二反射镜反射后以角度θ相交于O点位置。

3.根据权利要求2所述的基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的角度θ为2°-4°。

4.根据权利要求1所述的基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法，其特征在于，所述步骤(2)中布拉格角度β满足：

λ_probe＝2Λsinβ

其中，Λ为光栅的间距，λ_probe为探测光的波长；

其中，λ_pump为激发光波长，θ为两束激发光夹角。

5.根据权利要求1所述的基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，目标温度参数T的计算公式为：

其中，绝热系数γ、气体常数R_g均为被测气体组分的物性参数。

6.根据权利要求1所述的基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法，其特征在于，所述步骤(5)中，信号强度衰减曲线的时间常数τ₀等于信号强度衰减至峰值强度的1/e时所对应的时间长度。

7.根据权利要求6所述的基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法，其特征在于，所述步骤(5)中，气体热扩散率a的计算公式为：

其中，Λ为光栅间距；τ₀为时间常数。

8.一种采用权利要求1-7任一所述方法的装置，包括：

激发光单元，包括用于产生激发光的脉冲激光器和布置光路，其中布置光路包括立方体分光镜、用于调整光路的第一反射镜和第二反射镜；

探测光单元，包括用于产生探测光的连续激光器；

信号接收单元，包括滤波镜、聚焦透镜组、光电倍增管和高速采集仪；

脉冲激光器产生的激发光源被立方体分光镜分为两束激发光后依次经过第一反射镜和第二反射镜，相交于O点位置并在O点位置激发诱导光栅后入射到光陷中被弃置；连续激光器产生一束连续探测光，以布拉格角度β经过激发光相交位置点O，在诱导光栅处发生散射，产生信号光，之后入射到光陷中被弃置；信号光经过滤波镜、聚焦透镜组，其光电信号被光电倍增管接收，然后光电倍增管将信号传输至高速采集仪。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述立方体分光镜的分光比为50％∶50％。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一反射镜和第二反射镜对称布置。