CN112880881B - 一种研究光致发光溶液发光强度对温度敏感特性的实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种研究光致发光溶液发光强度对温度敏感特性的实验系统，用于实现标定过冷状态下发光强度与温度对应关系的测试。本申请首次提供了一种光致发光实验装置，专应用于测试平台。本申请提供的测试平台，用于标定过冷状态下光致发光溶液发光强度与温度对应关系，能够为利用光致发光溶液发光强度对温度敏感的特性测温的新型测温技术在受过冷水滴结冰威胁的装置的结冰和冰融化过程中的温度测量研究，首次提供获取标定用的不同温度过冷状态下的光致发光溶液发光强度与温度对应关系的测试平台，该测试平台结构精巧，各子单元间相互配合密切，自动化，工作性能可靠，参数调节方便，可实施性强。

Description

一种研究光致发光溶液发光强度对温度敏感特性的实验系统

技术领域

本申请涉及一种研究光致发光溶液发光强度对温度敏感特性的实验系统，用于实现标定过冷状态下发光强度与温度对应关系的测试。

背景技术

在冬季时节或高纬度地区，高空中的雨滴会处在过冷状态下(具体为低于0℃的液态水)，其外观与一般雨滴相同，当与温度低于0℃的物体碰撞时会立即冻结为冰，是一种自然形成的灾害性现象。严重时结冰会压断树木，压倒输电塔、建筑物等，破坏飞行器、风力发电机叶片气动外形等，妨碍公路、铁路交通，危害人类正常生活、生产，威胁民用飞行器安全飞行，因而有效提升受过冷水滴威胁的装备的防冰和除冰效果，对于装备的经济性和安全性有着十分重要的意义，研究过冷水滴的结冰和融冰过程的机理是有效提升防冰和除冰效果的必要前提，开展关于过冷水滴结冰和融冰过程的温度测量技术研究是解决过冷水滴结冰问题的关键步骤。过冷水滴在低温环境中极易因内部产生结冰核或外界干扰而被诱发结冰，导致相变。而结冰和冰融化这两个相变过程中，不仅要准确捕捉过冷水滴或冰粒内部在相变过程中温度的立体分布情况，还要求温度测量技术本身不能对这两个相变过程产生干扰，导致测温过程具有相当的技术复杂性，常规和传统的测温方法难以同时满足上述要求。近年新发展出一种利用光致发光溶液的发光强度对温度敏感的特性来测温的新型测温技术，该技术所使用的光致发光溶液在受外部激光激发后会发出光，光强度随其自身溶液温度变化而呈线性变化趋势，该技术既不会对流体相变过程产生干扰又可以精确测量过冷水滴或冰粒内部在相变过程中温度的立体分布情况，具有独特优势。但是，该技术在实施测温前必要的标定环节中，要将过冷状态下光致发光溶液的发光强度与对应温度间关系进行标定，尤其的，在过冷状态下标定光致发光溶液时，需要使用一种简单且易于实施的能够精确调控光致发光溶液温度至过冷状态的光致发光实验装置，同时围绕此光致发光实验装置创设一种标定过冷状态光致发光溶液的发光强度与对应温度间关系的测试平台，目前市场上乃至现有技术都缺乏上述测试平台。现有技术是空白。

发明内容

本申请需要保护的技术方案描述为：

(一)本申请所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的需要，实验装置，将装置配置和应用于实验系统以帮助科研人员进行标定过冷状态下光致发光溶液发光强度与温度对应关系试验。

(二)本申请所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的需要，提供一种标定过冷状态下光致发光溶液发光强度与温度对应关系的测试平台，该平台能够创造一个过冷环境，使环境内的光致发光溶液稳定在不同温度的过冷状态下(具体为0℃以下)且不结冰，开展光致发光溶液发光强度与温度对应关系的标定实验研究，以解决目前没有能够对不同温度下过冷状态光致发光溶液发光强度与温度进行标定的测试平台的问题。基于给出的测试平台，进一步开发完善实验系统即测试平台，则创造一个温度可精准控制的过冷环境，使环境内的光致发光溶液稳定在不同温度的过冷状态下(具体为0℃以下)且不结冰，且同时还能智能精确开展光致发光溶液发光强度与温度对应关系的标定实验研究。

技术方案一：

一种光致发光实验装置，为双层构造的容器，包括容器内层5、容器外层7，容器内层5内可存放待测试的光致发光溶液；还包括相机拍摄窗口、激光入射窗口、制冷液出口2、制冷液入口9、容器外层端盖10；相机拍摄窗口、激光入射窗口位于光致发光实验装置的两侧，空间位置相垂直，且它们为两个双层贯通窗口；所述拍摄窗口，该窗口由相机拍摄窗口端盖13、相机拍摄窗口外层玻璃12、相机拍摄窗口支撑框11、相机拍摄窗口内层玻璃4、容器内层5构成，且由内向外顺次与容器外层7相连接；所述激光入射窗口，该窗口由激光入射窗口端盖16、激光入射窗口外层玻璃15、激光入射窗口支撑框14、激光入射窗口内层玻璃6、容器内层5构成，且由内向外顺次与容器外层7相连接；容器外层端盖10设置在与拍摄窗口相对的一侧，并与容器外层7密闭连接。

技术方案二：

测试平台包括五个单元：光致发光实验装置28、过冷温度维持单元、温度检测单元、激采控制单元、管理平台，其中：

管理平台用于管理整个实验系统的工作，温度检测单元、激采控制单元将采集的数据提供给管理平台，同时过冷温度维持单元、激采控制单元的运行和采集动作受控于管理平台。

光致发光实验装置28中的容器内层5中预制有光致发光溶液3，其容器外层7与过冷温度维持单元贯通并循环着制冷液8，过冷温度维持单元温度受控于管理平台对循环水浴17的调节，从而给容器内层5中的光致发光溶液3提供所需的温度环境。所述光致发光溶液3为一类混合溶液,具有受到激光照射后在激光所过之处会瞬间发光的特的，且所发光的强度与其自身当前温度呈负相关的关系。光致发光溶液3可以通过采购获得，或者自制：例如采用溴化萘、β-环糊精、环己醇、去离子水四种原料即可配制而成。将不同温度下的溶液(特别的，为即0℃以下溶液，或称过冷溶液)的所发光强度与溶液自身当前温度进行逐一标定，确定所发光强度与温度之间的对应关系，便可利用该关系来开展温度测量，这正是体现了本申请平台的科研用途。

过冷温度维持单元不是本申请的创新点。举例而非限定，过冷温度维持单元连通光致发光实验装置内层、光致发光实验装置外层，过冷温度维持单元包括输入管、输出管、循环水浴，所述光致发光实验装置外层与循环水浴通过输入管、输出管连接，以形成回路。

温度检测单元包含高精度热电偶和测温仪，所述高精度热电偶插入光致发光溶液内用来实时检测光致发光溶液3温度并通过测温仪传输至管理平台。

激采控制单元包含信号控制器、相机、激光器及其镜片组；激光器及其镜片组预置于光致发光实验装置28的激光入射窗口所在的通路上，相机预置于光致发光实验装置28的相机拍摄窗口所在的通路上，管理平台控制相机、激光器的工作。

管理平台包含计算机。运行于计算机21上的应用软件单元，其功能包括试验调温模块，根据实测温度值与理论温度值之差自动发送调温信号，用于控制温度调节单元；包括控制模块，以间隔温度值为步长从起始理论温度值逐步自动到终止理论温度值的测试信号控制；包括保存并分析计算测试结果。

具体的：

其中，根据所述测温仪实时检测值与溶液设定的理论温度值之差自动调整控制信号并传至所述循环水浴的加热器。

其中，所述计算机设有自编程序用来设定起始理论温度值、终止理论温度值、间隔温度值，开始测试后当所述光致发光溶液稳定在起始测试理论温度值，计算机向所述信号控制器发出启动信号，当完成第一组测试后，所述计算机向所述循环水浴和所述信号控制器发出下一组测试信号，直至完成终止理论温度测试。

其中，所述相机完成拍摄后将结果传输至所述计算机保存，分析计算测试结果，最终得到不同过冷温度下光致发光溶液发光强度与其自身温度之间关系。

相对于现有技术，本申请：

本申请首次提供了一种光致发光实验装置，专应用于测试平台。

本申请提供的测试平台，用于标定过冷状态下光致发光溶液发光强度与温度对应关系，能够为利用光致发光溶液发光强度对温度敏感的特性测温的新型测温技术在受过冷水滴结冰威胁的装置的结冰和冰融化过程中的温度测量研究，首次提供获取标定用的不同温度过冷状态下的光致发光溶液发光强度与温度对应关系的测试平台，该测试平台结构精巧，各子单元间相互配合密切，自动化，工作性能可靠，参数调节方便，可实施性强。

附图说明

图1为本申请的光致发光实验装置结构示意图。

图2为本申请的系统整体示意图。

图3为本申请的系统原理逻辑框图。

标记说明：

28-光致发光实验装置；3-光致发光溶液；5-容器内层；7-容器外层；27-光致发光溶液所发光；10-容器外层端盖；

2-制冷液出口；8-制冷液；9-制冷液入口；17-循环水浴；18-制冷液输出管；19-制冷液输入管；

4-相机拍摄窗口内层玻璃；11-相机拍摄窗口支撑框；12-相机拍摄窗口外层玻璃；13-相机拍摄窗口端盖；

6-激光入射窗口内层玻璃；14-激光入射窗口支撑框；15-激光入射窗口外层玻璃；16-激光入射窗口端盖；26-入射激光；25-镜片组；24-激光器；

1-热电偶；20-测温仪；21-计算机；23-信号控制器；22-相机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本申请,但不用来限制本申请的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，也可以是电连接可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例1

如图1所示：

本实施例1公开一种光致发光实验装置，为双层构造的容器，包括容器内层5、容器外层7，容器内层5内可存放待测试的光致发光溶液3；

还包括相机拍摄窗口、激光入射窗口、制冷液出口2、制冷液入口9、容器外层端盖10；相机拍摄窗口、激光入射窗口位于光致发光实验装置的两侧，空间位置相垂直，且它们为两个双层贯通窗口；

所述拍摄窗口，该窗口由相机拍摄窗口端盖13、相机拍摄窗口外层玻璃12、相机拍摄窗口支撑框11和相机拍摄窗口内层玻璃4、容器内层5构成，且由内向外顺次与容器外层7相连接；

所述激光入射窗口，该窗口由激光入射窗口端盖16、激光入射窗口外层玻璃15、激光入射窗口支撑框14、激光入射窗口内层玻璃6、容器内层5构成，且由内向外顺次与容器外层7相连接；

容器外层端盖10设置在与拍摄窗口相对的一侧，并与容器外层7密闭连接。

光致发光实验装置相邻两个侧面各开有一个贯通内外层的窗口，以允许激光入射至所述光致发光实验装置内层内的所述光致发光溶液，并同时允许所述相机拍摄所述光致发光溶液所发光。

作为实施例举例而非限定，所述光致发光实验装置顶部开有一个贯通内外层的细小开孔，以允许插入所述高精度热电偶。

本实施例1公开的光致发光实验装置可应用于实施例2测试平台。

实施例2

如图2、图3所示：

具体的，光致发光实验装置28侧面还设有一个允许激光射入容器内层5内光致发光溶液3的双层贯通窗口，该窗口由激光入射窗口端盖16、激光入射窗口外层玻璃15、激光入射窗口支撑框14、激光入射窗口内层玻璃6、容器内层5构成，且由内向外顺次与容器外层7相连接。在允许激光射入的双层贯通窗口相邻侧面设有一个允许相机22拍摄容器内层5内光致发光溶液3所发光的双层贯通窗口，该窗口由相机拍摄窗口端盖13、相机拍摄窗口外层玻璃12、相机拍摄窗口支撑框11和相机拍摄窗口内层玻璃4、容器内层5构成，且由内向外顺次与容器外层7相连接。激光入射窗口内层玻璃6、相机拍摄窗口内层玻璃4均与容器内层5密闭连接，以避免容器内层5内的光致发光溶液3泄露。当激光射入光致发光溶液3后，光致发光溶液3中被激光穿过的光路位置会瞬间发光，相机22的拍摄方向必须垂直于该激光光路才能准确拍摄全部发光位置所发光，保证拍摄结果真实准确，因此将两个双层贯通窗口设置在光致发光实验装置28的相邻两个侧面，以实现测试的要求。

为保证制冷液8在容器内层5、容器外层7之间循环流动时与容器内层5进行均匀充分的热量交换，制冷液入口9设置在与激光入射窗口相对的容器外层7侧壁的下方，制冷液出口2设置在容器外层7上壁靠近激光入射窗口处附近。光致发光实验装置28为自制的测试装置，容器外层端盖10设置在与拍摄窗口相对的一侧，并与容器外层7密闭连接，以避免容器外层7内循环流动的制冷液8泄露。

具体的，过冷温度维持单元包含循环水浴17、输入管19、输出管18、制冷液8并接通光致发光实验装置28，所述光致发光实验装置28设置包括容器内层5、容器外层7、制冷液入口9、制冷液出口2，所述容器外层7顺次与制冷液出口2、输出管18、循环水浴17、输入管19、制冷液入口9连接以形成闭合回路，以使循环水浴17将具有不同理论温度值的制冷液8不断循环输入至容器内层5与容器外层7之间，处在容器外层7与容器内层5之间的制冷液8经过与容器内层5进行热量交换，使容器内层5内的光致发光溶液3逐渐接近直至稳定在理论温度值，由于制冷液8在输入管19、输出管18中流动时不可避免的会有热量损失，同时光致发光溶液3在通过容器内层5与制冷液8进行热量交换时传热率不可能达到100％，因此光致发光溶液3的实测温度值与循环水浴17输出制冷液8时的温度值间必然有一定温度差，所述循环水浴17能够根据实时接收到的调温信号调整输出制冷液8的温度值以使光致发光溶液3的实测温度值最终稳定在理论温度值，恒温水浴17能够将输出的制冷液8的温度精度控制在±0.01℃，可实现高精度温度控制。

具体的，温度检测单元包含高精度热电偶1、测温仪20，插入光致发光溶液3内的高精度热电偶1实时检测光致发光溶液3温度并传输至测温仪20，测温仪20实时显示检测结果并同步传输至激采控制单元中的计算机21，热电偶1、测温仪20的测量精度能够达到±0.01℃，可实现高精度温度检测。

具体的，激采控制单元中的镜片组25包含反射镜、凸透镜、凹透镜，由于激光器24射出的激光形态是直径约为6mm的无限长圆柱体，而本申请的测试需要射入光致发光溶液3的激光形态为厚度约为1mm的扇形面，该扇形面激光还必须与相机22的拍摄方向垂直，并且激光必须聚焦到相机22镜头视野的中心线，综合使用反射镜、凸透镜、凹透镜可以将激光器24发出的激光形态调整到测试要求。

所述激采控制单元包含信号控制器23、相机22、激光器24及其镜片组25，所述计算机21同时分别与过冷温度维持单元中循环水浴17、温度检测单元中测温仪20相连，所述计算机21首先根据测温仪20实时监测的光致发光溶液3的实测温度值与理论温度值之差自动调整调温信号至循环水浴17，以使光致发光溶液3稳定在测试研究所需的理论温度值，另外，所述计算机21顺次与信号控制器23、相机22连接，相机21通过信号控制器23向相机22发送拍摄信号，相机22拍摄结束将结果传回计算机21以供分析计算使用，所述信号控制器23与激光器24连接，在计算机21自编程序上设定测试所需的起始理论温度值、终止理论温度值、间隔温度值，测试开始后当光致发光溶液3稳定在起始理论温度值后计算机21向信号控制器23发出启动信号，信号控制器23立即对相机22、激光器24发出同步信号，激光器24接收信号后发出的脉冲激光经镜片组25调节穿过光致发光实验装置28侧面激光入射窗口最终射入光致发光溶液3，光致发光溶液3受激发后发光，同时相机22对所发光进行拍摄并将结果传输至计算机21保存，完成第一组温度测试，计算机21根据间隔温度值自动向循环水浴17的加热器发出调温信号调整光致发光溶液3至下组理论温度值实施测试，递推渐进直至终止理论温度值完成测试，完成全部测试后计算机21分析计算出测试结果，最终得到不同过冷温度下光致发光溶液发光强度与其自身温度之间关系。

如此，待测的光致发光溶液3依托本申请测试平台在过冷状态下进行标定测试。

Claims (5)

1.一种研究光致发光溶液发光强度对温度敏感特性的实验系统，其特征是，测试平台包括五个单元：光致发光实验装置(28)、过冷温度维持单元、温度检测单元、激采控制单元、管理平台，其中：

管理平台用于管理整个实验系统的工作，温度检测单元、激采控制单元将采集的数据提供给管理平台，同时过冷温度维持单元、激采控制单元的运行和采集动作受控于管理平台；

光致发光实验装置(28)中的容器内层(5)中预制有光致发光溶液(3)，其容器外层(7)与过冷温度维持单元贯通并循环着制冷液(8)，过冷温度维持单元温度受控于管理平台对循环水浴(17)的调节，从而给容器内层(5)中的光致发光溶液(3)提供所需的温度环境；所述光致发光溶液(3)为一类混合溶液,具有受到激光照射后在激光所过之处会瞬间发光的特点，且所发光的强度与其自身当前温度呈负相关的关系；

所述光致发光实验装置：为双层构造的容器，包括容器内层(5)、容器外层(7)，容器内层(5)内可存放待测试的光致发光溶液；还包括相机拍摄窗口、激光入射窗口、制冷液出口(2)、制冷液入口(9)、容器外层端盖(10)；相机拍摄窗口、激光入射窗口位于光致发光实验装置的两侧，空间位置相垂直，且它们为两个双层贯通窗口；所述拍摄窗口，该窗口由相机拍摄窗口端盖(13)、相机拍摄窗口外层玻璃(12)、相机拍摄窗口支撑框(11)、相机拍摄窗口内层玻璃(4)、容器内层(5)构成，且由内向外顺次与容器外层(7)相连接；所述激光入射窗口，该窗口由激光入射窗口端盖(16)、激光入射窗口外层玻璃(15)、激光入射窗口支撑框(14)、激光入射窗口内层玻璃(6)、容器内层(5)构成，且由内向外顺次与容器外层(7)相连接；容器外层端盖(10)设置在与拍摄窗口相对的一侧，并与容器外层(7)密闭连接。

2.如权利要求1所述的一种研究光致发光溶液发光强度对温度敏感特性的实验系统，其特征是，过冷温度维持单元连通光致发光实验装置内层、光致发光实验装置外层，过冷温度维持单元包括输入管、输出管、循环水浴，所述光致发光实验装置外层与循环水浴通过输入管、输出管连接，以形成回路。

3.如权利要求1所述的一种研究光致发光溶液发光强度对温度敏感特性的实验系统，其特征是，温度检测单元包含高精度热电偶和测温仪，所述高精度热电偶插入光致发光溶液内用来实时检测光致发光溶液(3)温度并通过测温仪传输至管理平台。

4.如权利要求1所述的一种研究光致发光溶液发光强度对温度敏感特性的实验系统，其特征是，激采控制单元包含信号控制器、相机、激光器及其镜片组；激光器及其镜片组预置于光致发光实验装置(28)的激光入射窗口所在的通路上，相机预置于光致发光实验装置(28)的相机拍摄窗口所在的通路上，管理平台控制相机、激光器的工作。

5.如权利要求1所述的一种研究光致发光溶液发光强度对温度敏感特性的实验系统，其特征是，管理平台包含计算机；运行于计算机(21)上的应用软件单元，其功能包括试验调温模块，根据实测温度值与理论温度值之差自动发送调温信号，用于控制温度调节单元；包括控制模块，以间隔温度值为步长从起始理论温度值逐步自动到终止理论温度值的测试信号控制；包括保存并分析计算测试结果。

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