CN109443588B - 基于飞秒激光诱导化学发光的流场温度测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于飞秒激光诱导化学发光的流场温度测量装置及方法，装置包括待测流场、飞秒激光器、光谱仪、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、ICCD相机和计算机，第二聚焦透镜和光谱仪依次设置于待测流场的一侧，光谱仪和ICCD相机相连。飞秒激光器发射出飞秒激光，飞秒激光具有自聚焦成丝效应，经过第一聚焦透镜后将光丝引入含碳氮的待测流场中；在飞秒激光的诱导下发生化学反应并发射荧光信号，荧光信号由第二聚焦透镜收集并进入光谱仪，利用光谱仪分光；再由ICCD相机记录分光后的光谱数据并传输到计算机，由计算机对数据进行分析处理，并反演出流场一维的温度分布信息。本发明具有非侵入、空间分辨率高、信噪比高、精度高、无干扰、标定简单等优点。
Description
技术领域
本发明属于激光光谱技术领域，具体涉及一种利用飞秒激光诱导化学发光技术，获得流场一维温度的方法。
背景技术
流场的温度、速度、组分浓度及质量流量等参数的精确测量对于发展先进推进系统至关重要。其中，对于流场温度的精确测量有助于提高燃烧效率，降低污染物排放以及优化燃烧过程等。同时，流场温度的精确测量可以为计算流体力学(computational fluiddynamics，CFD)仿真软件模拟提供精确的实验数据支持。目前，对于流场温度测量主要有非光学手段和光学手段。
非光学手段测量流场温度的方法以壁面传感器及侵入式探针为主。随着研究的深入，对实验数据的精度，维度等提出了新的要求，非光学测量手段的局限性日益凸显。如壁面传感器测量温度具有空间局限性；而侵入式探针会破坏流场的结构，扰乱流动，不能真实反映流场的实际情况。
基于激光技术的光学测温手段，拥有非侵入、高精度，多维以及可实时在线测量等优势，已成为流场温度测量的重要手段之一。目前，流场温度测量的光学技术主要有相干反斯托克斯拉曼散射[1](coherent anti-Stokes Raman scattering,CARS)，瑞利散射[2](Rayleigh scattering，RS)，过滤瑞利散射[3](filtered Rayleigh scattering，FRS)，可调谐半导体激光吸收光谱[4](Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)，平面激光诱导荧光[5](planar laser induced fluorescence，PLIF)等。CARS测温技术已经发展的十分成熟，测量精度高，但测量系统相对复杂，且只能实现单点测量；瑞利散射和过滤瑞利散射测温技术能够获得二维温度场分布，但是测量精度相对较差；TDLAS测温技术成本低，响应速度快，但是该技术是一种路径积分测量方法，不具有空间分辨能力[6]；PLIF技术可以应用在复杂组分条件下温度二维分布测量之中，但是该方法在高压情况下有很大的限制。
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[2]Kampmann S,Leipertz A,K,et al.Two-dimensional temperaturemeasurements in a technical combustor with laser Rayleigh scattering[J].Applied optics,1993,32(30):6167-6172.
[3]Hoffman D,Münch K U,Leipertz A.Two-dimensional temperaturedetermination in sooting flames by filtered Rayleigh scattering[J].Opticsletters,1996,21(7):525-527.
[4]许振宇,刘文清,刘建国,等.基于可调谐半导体激光器吸收光谱的温度测量方法研究[J].物理学报,2012,61(23):234204-234204.
[5]Seitzman J M,Kychakoff G,Hanson R K.Instantaneous temperaturefield measurements using planar laser-induced fluorescence[J].Optics letters,1985,10(9):439-441.
[6]陶波,王晟,胡志云,等.TDLAS与CARS共线测量发动机温度[J].工程热物理学报,2015(10):2282-2286.
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于飞秒激光诱导化学发光的流场温度测量装置及方法，本发明是利用飞秒激光诱导化学发光技术实现流场温度的在线一维测量。具有非侵入、空间分辨率高、信噪比高、精度高、无干扰、标定简单等优点，可以实时在线测量流场温度的一维分布。有着良好的空间分辨率。不仅可以用与含碳氮流场的温度测量，还可用于燃烧环境下的温度测量中。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
基于飞秒激光诱导化学发光的流场温度测量装置，包括待测流场、飞秒激光器、光谱仪、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、ICCD相机和计算机，第二聚焦透镜和光谱仪依次设置于待测流场的一侧，光谱仪和ICCD相机相连。
本发明的测量方法按以下的步骤进行：飞秒激光器发射出飞秒激光，飞秒激光具有自聚焦成丝效应，经过第一聚焦透镜后将光丝引入含碳氮的待测流场中；在飞秒激光的诱导下发生化学反应并发射荧光信号，荧光信号由第二聚焦透镜收集并进入光谱仪，利用光谱仪分光；再由ICCD相机记录分光后的光谱数据并传输到计算机，由计算机对数据进行实时分析处理，并反演出流场一维的温度分布信息。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明是利用飞秒激光诱导化学发光技术实现流场温度的在线一维测量，飞秒激光经过聚焦透镜聚焦之后会将流场中含碳的分子和含氮的分子电离，形成直径在百微米量级的等离子体光丝，并发生光致化学反应产生处于高能级的氰基，高能级的氰基向低能级跃迁发射荧光，氰基的荧光光谱强度能够反映流场的温度，使用光谱仪记录光丝上氰基的荧光光谱信息就可以得到流场的一维温度信息。
2.本发明具有非侵入、精度高、信噪比高、空间分辨率高及定量标定过程简单等优点。同时，也可以实现实时在线流场一维温度分布测量，并且也可应用到燃烧环境下的温度测量之中。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
附图标记：1-飞秒激光器，2-第一聚焦透镜，3-待测流场，4-第二聚焦透镜，5-光谱仪，6-ICCD相机，7-计算机
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，基于飞秒激光诱导化学发光的流场温度测量装置，包括待测流场3、飞秒激光器1、光谱仪5、第一聚焦透镜2、第二聚焦透镜4、ICCD相机6和计算机7。
该装置的具体工作原理如下：将飞秒激光器1反射的飞秒激光自聚焦形成的光丝引入待测流场3中。飞秒激光与含碳氮气体组分相互作用并发出含有分子、原子以及离子信息的光谱谱线信号，其中氰基的谱线强度能够反应流场的温度信息。该信号产生的原理是飞秒激光诱导混合气中的含碳氮分子发生化学反应产生处于高能级的氰基，处于高能级氰基向低跃迁发射出特定波长的荧光。光谱谱线强度与对应氰基粒子的数量成正相关，而处于高能级氰基粒子数量与温度有一定的关联，从而利用谱线强度可以反演出流场的温度信息。利用光谱仪将荧光信号分光并用ICCD相机记录下光谱的强度信息，并将得到的数据传输到计算机中，利用计算机中的MATLAB软件编写程序对光谱进行分析处理，可实时获得流场的一维温度信息。
通过该装置测量的具体步骤如下：飞秒激光器1产生的激光经过第一聚焦透镜2自聚焦形成光丝，将光丝引入到待测流场3之中；飞秒激光器1产生的激光与待测流场3中含碳氮的气体组分相互作用，并诱导化学反应产生氰基。氰基发射荧光信号，荧光信号由第二聚焦透镜4收集进入光谱仪5，光谱仪5将荧光信号分光之后由与光谱相连接的ICCD相机6记录光谱及光谱强度信息。ICCD相机6将光谱数据输入到计算机7中，计算机7通过已编辑好的数据分析程序对所采集的信号进行实时分析处理，并给出流场一维的温度分布信息。
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 (1)
1.一种基于飞秒激光诱导化学发光的流场温度测量方法，其特征在于，基于飞秒激光诱导化学发光的流场温度测量装置，温度测量装置包括待测流场、飞秒激光器、光谱仪、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、ICCD相机和计算机，所述待测流场内设置有碳氮气体组分，所述第二聚焦透镜和光谱仪依次设置于所述待测流场的一侧，所述光谱仪和ICCD相机相连，所述飞秒激光器出射的激光经所述第一聚焦透镜形成光丝后入射至待测流场，所述计算机用以搭载相应软件进行数据处理最终得到待测流场温度；所述温度测量方法包括以下步骤：
（1）飞秒激光器出射的激光经过第一聚焦透镜聚焦形成光丝并入射至待测流场，光丝与含碳氮的气体组分相互作用并通过化学反应产生氰基；
（2）氰基发出荧光信号，荧光信号由第二聚焦透镜收集并进入光谱仪，光谱仪将荧光信号分光之后由ICCD相机记录光谱及光谱谱线强度信息；光谱谱线强度与对应氰基粒子的数量成正相关，氰基粒子数量与温度有关联，利用光谱谱线强度能够反演出流场的温度信息；
（3）ICCD相机将光谱数据输入至计算机中，计算机通过数据分析软件对所采集的光谱数据进行实时分析处理，并得出待测流场一维的温度分布信息。
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