CN112577624A - 激光诱发荧光测温装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光诱发荧光测温装置及其使用方法，用于对空化泡周围的温度场进行测量，该装置包括：激光诱发荧光系统，用于激发实验观测区域内荧光剂发出荧光信号；拍摄系统，用于对荧光信号进行捕捉；测温系统，用于根据预先标定的荧光光强与温度关系，通过捕捉的荧光信号获得实验观测区域空化泡周围的温度场。本发明可以拓展到空化及流动领域更多的科学研究中，从学术角度拓宽空化热效应的研究范围，更深入的研究热效应中温度的影响，填补类似实验研究的设备与技术空白。

Description

激光诱发荧光测温装置及其使用方法

技术领域

本发明是关于一种应用于单空化泡研究的激光诱发荧光测温装置及其使用方法，涉及空化技术领域。

背景技术

空化现象的研究在国民生活、水利水电、国家航天等重要领域均有重要应用或作用。例如在航天领域，随着国家嫦娥探月工程与载人空间站工程的持续推进，大中型火箭需求进一步增加。低温液体火箭发动机因比冲大、无毒无污染等优点，是未来我国火箭发动机大力发展的方向之一。而影响低温液体火箭发动机稳定性的一个重要因素就是发动机涡轮泵前诱导轮处的空化现象。空化不稳定性极易引发诱导轮压力脉动的大幅值变化，进而造成航天发动机的结构振荡，对整个火箭的安全稳定产生威胁，因此如何提高液体火箭发动机稳定性成为中国航天战略的重大需求。

在空化泡生长时，由于相变及传热影响了空化泡周围液体温度，会在泡壁附近形成了热边界层(热边界层的厚度及温度梯度强烈依赖于液体物性)，继而改变了周围液体的饱和蒸汽压，不断影响着空化泡的发生与发展(该现象称之为空化热效应)。低温液体火箭的工质液氢、液氧等，相较于常温水来说这种影响更加强烈，因此对空化热效应影响的深入研究是低温液体火箭诱导轮的空化不稳定性的关键。而空化云实际是由大量微小的空化泡组成，空化泡经历着生长溃灭的动态过程以及泡间相互作用。因此开展针对热敏感条件下热效应对单空化泡动力学行为影响的研究，是探讨空化流动条件下热效应对空化流动特性影响的基础和关键。

目前研究中对空化区域的温度测量方法有以下：1)利用温度传感器测量，但是该方式侵入了流场，影响到了周围流动；2)利用红外相机测量，水对于红外线是不透明介质，因此难以测量水域内部温度场，且温度精度不高。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种应用于单空化泡研究的激光诱发荧光测温装置及使用方法，能够实现对不同单空化泡空化区域的非侵入温度场测量，更好地获得热效应对空化区域的影响。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种激光诱发荧光测温装置，该装置包括：

激光诱发荧光系统，用于激发实验观测区域内荧光剂发出荧光信号；

拍摄系统，用于对荧光信号进行捕捉；

测温系统，用于根据预先标定的荧光光强与温度关系，通过捕捉的荧光信号获得实验观测区域空化泡周围的温度场。

本实施例提供的激光诱发荧光测温装置，进一步地，所述激光诱发荧光系统包括单色激光器和滤光器；

所述单色激光器发出的单一波长的连续激光照射在实验观测区域激发荧光剂发出荧光，荧光发射到所述滤光器滤除激发光。

本实施例提供的激光诱发荧光测温装置，进一步地，所述激光诱发荧光系统包括双波段连续激光、长通滤波器和单波段带通滤波器；

所述双波段连续激光照射实验观测区域激发荧光剂发出不同波长的荧光；

不同波长的荧光分成两束，一束通过所述长通滤波器，另一束通过所述单波段带通滤波器，进而得到两种不同波长的荧光信号。

本实施例提供的激光诱发荧光测温装置，进一步地，所述拍摄系统包括信号发生器和至少两台相机；

各所述相机通过所述信号发生器同时触发；

第一相机设置在实验观测区域上部用于空化泡整体的拍摄；

其它相机设置在相应滤波器的出光位置，用于捕捉相应波段的荧光信号。

本实施例提供的激光诱发荧光测温装置，进一步地，设置在滤波器的出光位置的相机采用匹配相机像素尺寸的高倍显微镜头系统；所述高倍显微镜头系统包括适配器、可变焦远心镜头或定倍镜头、高倍物镜；

相机的主体镜头侧依次设置所述适配器、可变焦远心镜头或定倍镜头及高倍物镜，用于获取不同波段的荧光强度，实现单空化泡周围温度场的测量。

本实施例提供的激光诱发荧光测温装置，进一步地，所述实际观测区域为溶解选定荧光剂的工作介质。

本实施例提供的激光诱发荧光测温装置，进一步地，荧光光强与温度关系的标定过程为：

设置包括有可加热的磁力搅拌器、热电偶和温度传感器的温度标定系统；

将装有溶解荧光剂的工作介质的烧杯至于磁力搅拌器的底座上，开启加热及磁力搅拌，使得溶液内温度分布均匀

设定温度范围，每间隔设定温度值选择某目标温度，停止搅拌并打开保温，通过温度传感器测量当前温度；使用激光诱发荧光系统激发，并通过拍摄系统拍摄当前温度下采集的该溶液荧光强度；

将上述不同温度点采集到的荧光强度做归一化处理，得到该浓度荧光剂溶液的归一化强度—时间变化曲线，至此完成温度标定过程，得到不同荧光强度对应的温度值。

第二方面，本发明实施例提供基于本发明第一方面所述激光诱发荧光测温装置的使用方法，包括以下内容：

通过激光诱发荧光系统激发实验观测区域荧光剂发出荧光信号；

通过拍摄系统对荧光信号进行捕捉；

通过测温系统根据预先标定的荧光光强与温度关系，对捕捉的荧光信号进行处理获得实验观测区域空化泡周围的温度场。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明通过单色/双色激光诱发荧光测温的方法，实现对不同单空化泡空化区域的非侵入温度场测量，从而更好地获得热效应对空化区域的影响；

2、本发明针对不同实验研究与需求，可以对不同诱发方式、不同液体和大小的单空化泡周围温度实现测量，实现在空化领域的非侵入式温度场测量，是该领域首次提出的不干扰流场的情况下实现空化泡周围的非侵入式温度场测量，既不影响周围流动，同时精度较高，误差±0.5℃；

3、本发明响应时间快、温度误差小，其时间精度取决于高速相机或CCD相机速度，空间精度取决于相机镜头匹配后的像素尺寸，通过高速相机或CCD相机性能以及相机镜头倍数的匹配，能够实现高时空精度的温度场测量；

综上，本发明可以拓展到空化及流动领域更多的科学研究中，从学术角度拓宽空化热效应的研究范围，更深入的研究热效应中温度的影响，填补类似实验研究的设备与技术空白。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例中某种荧光剂的发射光谱示意图；

图2为本发明实施例中RhB荧光光强随温度变化分布；

图3为本发明实施例中的单色激光诱发荧光系统光路图；

图4为本发明实施例的温度标定实验系统结构图；

图5为本发明实施例的某次温度标定实验结果(RhB水溶液，550-580nm波段)；

图6为本发明实施例中的双色激光诱发荧光系统光路图；

图7为本发明实施例中实验高速拍摄系统及显微镜头结构，其中，(a)为高速拍摄系统图，(b)为显微镜头系统示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

本发明实施例提供的激光诱发荧光测温装置及其使用方法，用于对空化泡周围的温度场进行测量，激光诱发荧光测温装置包括：激光诱发荧光系统，用于激发实验观测区域内荧光剂发出荧光信号；拍摄系统，用于对荧光信号进行捕捉；测温系统，用于根据预先标定的荧光光强与温度关系，通过捕捉的荧光信号获得实验观测区域空化泡周围的温度场。本发明针对不同实验研究与需求，可以对不同诱发方式、不同液体和大小的单空化泡周围温度实现测量，实现在空化领域的非侵入式温度场测量，是该领域首次提出的不干扰流场的情况下实现空化泡周围的非侵入式温度场测量，既不影响周围流动，同时能够实现高时空精度的温度场测量。

为了便于说明本发明实施例的系统结构，首先对本发明的原理进行介绍。为了探讨热效应对单空化泡的影响，在理论研究中需要求解单空化泡的动力学行为和周围的温度分布情况。在无限液体域中单空化泡的生长溃灭动力学行为是通过如下的Rayleigh-Plesset方程进行描述：

惯性项压差驱动项热效应项空泡内气体项粘性项表面张力项

式中，p_B,p_∞,T_B,ρ_l,R,ν_l,S,T_∞,p_v,p_g0,R₀,γ分别是空化泡内压力，无穷远处压力，空化泡内温度，液体密度，空化泡半径，液体的运动粘度，液体的表面张力，无穷远处的温度，液体的饱和蒸汽压，空化泡内气体的初始分压，空化泡的初始半径以及气体的定压比热与定容比热的比值。

为了探讨热效应对单空化泡动力学的影响，需将方程(1)、空化泡的能量平衡方程以及液体热对流扩散方程联立耦合求解，以获得热敏感条件下空化泡的动力学行为和空化泡周围液体温度的变化，方程求解的定解条件中需包含液体温度的初始分布。然而由于技术限制，现有实验研究中未能测出空化泡周围液体温度的变化，无法给出符合实际的液体温度的初始分布条件。因此通过实验获得真实的单空化泡周围温度分布，对求解方程组获得单空化泡动力学行为起着关键作用。

激光诱发荧光测温法的原理是利用固定波长激光照射下，荧光剂分子将会发出冷光，其发射光谱PL与温度存在一定的关系，如图1所示。而荧光剂转变时间和激发状态寿命都很短(10-9s)，远小于一般传热过程的特征时间，也远小于本发明实验中的空化泡生长周期，因此完全满足实验需要的时间响应。

荧光光强通过公式进行估计：

式中，I₀是激发光强度，A是探测到的荧光占总发射荧光的百分数，

是量子效率，ε为摩尔吸收率，L是激光穿过溶液的长度，C是溶液浓度。

在同一实验中溶液浓度一致，光路固定则A和L确定，I₀受激光器功率稳定性影响，是一个与温度无关的参数。而摩尔吸收率ε正比于玻尔兹曼布居数，在大部分凝聚性介质中，低温下(0～100℃)对温度不敏感。因此在该公式中，荧光强度随温度的变化就主要归因于荧光量子效率对温度的敏感性，如图2所示为RhB荧光光强随温度变化分布。本发明通过对一个波段的荧光光强进行积分，从而获得更高强度的荧光信号，并去除波峰飘移的影响。如图3所示，对于单空化泡边壁处反射现象可以忽略的情况，可以采用单色荧光的方法。如图6所示，另一方面如需提高精度，消除入射光分布不均、光路损失以及浓度变化的影响，或者在实验过程中所涉及的相界面折射或反射、相变导致的光剂浓度变化等影响，则需要采用双色激光诱发荧光测温法削弱这些因素的影响，双色激光诱发荧光测温利用两种对温度敏感性不同的荧光剂，例如RhB和SR101，前者荧光光强与温度负相关，后者温度不敏感。将两种荧光剂的光强结果相除，保留温度相关项，削弱其他因素影响，比值表示为：

式中，

部分与温度无关，仅与实验中的光路、荧光剂本身性质相关。

实施例1

基于上述原理，如图3所示，本实施例提供的激光诱发荧光测温装置包括单色激光诱发荧光系统1、高速拍摄系统2和测温系统。

激光诱发荧光系统1包括单色激光器11和滤光镜12，单色激光器11发出的单一波长的连续激光照射在实验观测区域3激发荧光剂发出荧光，荧光发射到滤光镜12滤除激发光后，通过高速拍摄系统2捕捉。

高速拍摄系统2包括信号发生器和两台高速相机或CCD相机21a和21b；

两台相机分别拍摄空化整体结构与局部某波段光强，两台相机通过信号发生器同时触发，优选地，相机21a可以设置在实验观测区域3上部用于空化泡整体的拍摄，确定空化生长溃灭-时间的变化，辅助局部拍摄的时间确认。相机21b可以用于局部拍摄，设置在滤光镜12的出光位置。

测温系统，用于根据预先标定的荧光光强与温度关系，通过捕捉的荧光信号获得实验观测区域空化泡周围的温度场。

本发明的一些实施例中，鉴于热边界层极薄，局部拍摄区域约为0.4*0.4mm，相机21b需要采用匹配高速相机或CCD相机像素尺寸的高倍显微镜头系统。

本发明的一些实施例中，实际观测区域3中为溶解适当荧光剂的工作介质，可以根据实验需求具体选择，例如当实验工质为水时可以选择荧光剂罗丹明B，即实验观测观测区域3中为溶解一定浓度罗丹明B的水溶液；当实验工质为硅油时可以选择荧光剂尼罗红，即实验观测区域3中为溶解一定浓度尼罗红的硅油溶液，以此为例，不限于此。

本发明的一些实施例中，荧光剂浓度在可以温度标定阶段根据结果适当选择，温度标定为预处理过程，可以通过如图4所示的温度标定系统完成。

温度标定系统4包括可加热的磁力搅拌器41、热电偶42和温度传感器43。将装有溶解荧光剂的工作介质的烧杯44至于磁力搅拌器41的底座上，开启加热及磁力搅拌，保证溶液内温度分布均匀。温度传感器43用来测量当前温度，可以从20摄氏度到100摄氏度，每间隔3-5度取一个目标温度，停止搅拌并打开保温。开始使用激光器11和高速拍摄系统2拍摄当前温度下相机采集的该溶液荧光强度(用相机拍摄的灰度值代表)。将上述不同温度点采集到的荧光强度做归一化处理，得到该浓度荧光剂溶液的归一化强度—时间变化曲线如图5所示。在此过程中可以调节溶液溶度，寻找变化率更大的浓度以获得更高温度分辨精度(此过程非必要可以根据需要进行选择)。至此完成温度标定过程，在后续试验中利用该标定结果，寻找实验实际测量得到的强度对应的温度，实现空化泡周围的温度场测量。

实施例2

如图6所示，本实施例提供的激光诱发荧光测温装置与实施例1不同在于，包括双色激光诱发荧光系统5和高速拍摄系统6。

双色激光诱发荧光系统5包括激光光源51、分光镜52、长通滤波片53和单波段带通滤波器54。

激光光源51采用双波段连续激光，双波段连续激光照射实验观测区域3激发荧光剂发出不同波长的荧光，实验观测区域3的荧光通过分光镜52分为两束，一束透过分光镜52后通过长通滤波片53，该长通滤波片将波长665nm以下的波段过滤，仅665nm以上波段可以通过，该部分的荧光为波长>665nm波段的荧光强度；另一束光在分光镜53处反射通过单波段带通滤波器54，该单波段带通滤波器54仅通过波段为550～580nm的光，则该部分荧光为波长位于550～580nm波段的荧光光强。

高速拍摄系统5用于捕捉这两个波段的荧光光强，将两个波段光强结果相比，类似实施例1，标定该比值与温度的函数关系，继而将后续的实验结果通过该单值函数转变为各位置点的温度信息，从而获得空化泡周围的温度场。

如图7所示，高速拍摄系统6包括信号发生器61和多台高速相机或CCD相机62a～62c，其选择取决于实验中所需要的拍摄速度。例如，当用来拍摄激水动力学产生的空化泡时，其生命周期约为20ms，为捕捉到空化生长或溃灭过程中的温度，需要相机帧速1000帧以上。当实验观测目标为激光诱发单空化泡时，其生命周期约为0.4ms，则需要5000帧以上拍摄速度。同样当需要捕捉时间变化相对较低时可以选择低速CCD相机拍摄，拍摄系统主要取决于拍摄的速度精度需求，可以根据确定，在此不做赘述。

多台相机用于拍摄空化整体结构与局部、以及局部不同波段光强，各相机均通过信号发生器61同时触发，相机62a设置在实验观测区域3上方用于空化泡整体的拍摄，确定空化生长溃灭-时间的变化，辅助局部拍摄的时间确认。相机62b和相机62c用于局部拍摄，分别设置在长通滤波片53和单波段带通滤波器54出光位置，各相机将采集的图像发送到计算机进行处理完成单空化泡周围非侵入式的温度场测量。

本发明的一些实施例中，鉴于热边界层极薄，局部拍摄区域约为0.4*0.4mm，相机62b和相机62c均需要采用匹配高速相机或CCD相机像素尺寸的高倍显微镜头系统7。

上述各实施例中，如图7(b)所示，高倍显微镜头系统7包括适配器71、可变焦远心镜头72和高倍物镜73(例如12X ZOOM变倍显微镜头在1X适配器搭配使用时可实现2.90X-13.35X倍率，物镜可搭配5倍或10倍物镜，实现显微镜头系统达到实验需要的放大倍率)相机主体镜头侧依次设置适配器71、可变焦远心镜头72和高倍物镜73，用于获取不同波段的荧光强度，实现单空化泡周围温度场的测量。需要注意的是，由于使用高倍显微镜头，光损较大，可以根据实际需要通过提高连续激光强度和溶液浓度等手段匹配光强，或通过更改可变焦远心镜头为定倍镜头，搭配20倍物镜使用等可以根据实际需要进行选择，在此不再赘述。

需要说明的是，本发明各实施例的各器件在实际使用中可以通过支撑固定结构进行支撑固定，但是具体结构不做限定，只要能够满足相应的光路传播要求即可。

综上所述，本发明通过对相机镜头的匹配调节可以实现时间精度、空间精度的调节，开创性的完成单空化泡周围非侵入式的温度场测量，为探究空化热效应对单空化泡生长行为的影响、理论研究创造条件，同时将激光诱发荧光测温法引入空化流动领域，填补了类似实验的技术空白。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种激光诱发荧光测温装置，用于对空化泡周围的温度场进行测量，其特征在于，该装置包括：

激光诱发荧光系统，用于激发实验观测区域内荧光剂发出荧光信号；

拍摄系统，用于对荧光信号进行捕捉；

测温系统，用于根据预先标定的荧光光强与温度关系，通过捕捉的荧光信号获得实验观测区域空化泡周围的温度场。

2.根据权利要求1所述的激光诱发荧光测温装置，其特征在于，所述激光诱发荧光系统包括单色激光器和滤光器；

所述单色激光器发出单一波长的连续激光照射在实验观测区域激发荧光剂发出荧光，荧光发射到所述滤光器滤除激发光。

3.根据权利要求1所述的激光诱发荧光测温装置，其特征在于，所述激光诱发荧光系统包括双波段连续激光器、长通滤波器和单波段带通滤波器；

所述双波段连续激光器照射实验观测区域激发荧光剂发出不同波长的荧光；

不同波长的荧光分成两束，一束通过所述长通滤波器，另一束通过所述单波段带通滤波器，进而得到两种不同波长的荧光信号。

4.根据权利要求2或3所述的激光诱发荧光测温装置，其特征在于，所述拍摄系统包括信号发生器和至少两台相机；

各所述相机通过所述信号发生器同时触发；

第一相机设置在实验观测区域上部用于空化泡整体的拍摄；

其它相机设置在相应滤波器的出光位置，用于捕捉相应波段的荧光信号。

5.根据权利要求4所述的激光诱发荧光测温装置，其特征在于，设置在滤波器的出光位置的相机采用匹配相机像素尺寸的高倍显微镜头系统；所述高倍显微镜头系统包括适配器、可变焦远心镜头或定倍镜头、高倍物镜；

相机的主体镜头侧依次设置所述适配器、可变焦远心镜头或定倍镜头及高倍物镜，用于获取不同波段的荧光强度，实现单空化泡周围温度场的测量。

6.根据权利要求1所述的激光诱发荧光测温装置，其特征在于，所述实际观测区域为溶解选定荧光剂的工作介质。

7.根据权利要求1～3任一项所述的激光诱发荧光测温装置，其特征在于，荧光光强与温度关系的标定过程为：

设置包括有可加热的磁力搅拌器、热电偶和温度传感器的温度标定系统；

将装有溶解荧光剂的工作介质的烧杯至于磁力搅拌器的底座上，开启加热及磁力搅拌，使得溶液内温度分布均匀

设定温度范围，每间隔设定温度值选择某目标温度，停止搅拌并打开保温，通过温度传感器测量当前温度；使用激光诱发荧光系统激发，并通过拍摄系统拍摄当前温度下采集的该溶液荧光强度；

将上述不同温度点采集到的荧光强度做归一化处理，得到该浓度荧光剂溶液的归一化强度—时间变化曲线，至此完成温度标定过程，得到不同荧光强度对应的温度值。

8.一种基于权利要求1到7任一项所述激光诱发荧光测温装置的使用方法，其特征在于包括以下内容：

通过激光诱发荧光系统激发实验观测区域荧光剂发出荧光信号；

通过拍摄系统对荧光信号进行捕捉；

通过测温系统根据预先标定的荧光光强与温度关系，对捕捉的荧光信号进行处理获得实验观测区域空化泡周围的温度场。

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