CN114088336A

CN114088336A - 一种利用荧光微丝的温度和流态同步测量方法

Info

Publication number: CN114088336A
Application number: CN202210076314.4A
Authority: CN
Inventors: 周江宁; 杨文斌; 周全; 殷一民; 陈爽
Original assignee: Equipment Design and Testing Technology Research Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Current assignee: Equipment Design and Testing Technology Research Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Priority date: 2022-01-24
Filing date: 2022-01-24
Publication date: 2022-02-25
Anticipated expiration: 2042-01-24
Also published as: CN114088336B

Abstract

本发明公开了一种利用荧光微丝的温度和流态同步测量方法，涉及风洞试验技术领域，本方法利用荧光微丝的荧光信号强度随温度变化的特性，解决了荧光微丝流场温度和流态同步测量中，温度测量难以定量化和温度测量精度较低的问题，最终在传统荧光微丝流态测量的基础之上实现了流场和温度的同步测量。

Description

一种利用荧光微丝的温度和流态同步测量方法

技术领域

本发明涉及风洞试验技术领域，具体地，涉及一种利用荧光微丝的温度和流态同步测量方法。

背景技术

荧光微丝流动显示技术是各类风洞和外场试验研究表面流态分离雷诺数效应的重要手段。该技术将含有荧光物质的合成纤维制备成直径极小的荧光微丝，将其一端固定在模型表面，拍摄微丝在流场中的流谱，可直观反映流经模型的气流状态和范围。由于其具有技术成本低、操作简单、抗干扰能力强和对流场影响小等特点，目前广泛应用于各类大型低速风洞和飞行试验的表面流态显示中。除了表面流态显示，温度测量在高雷诺数低速风洞中也具有重要的意义，能够为试验模型的气动设计和性能预测提供数据支撑。然而，传统的接触式流场测温方法（如热电偶）虽然能被广泛应用于风洞流场温度测量，却会对流场产生明显的干扰，从而显著影响流场参数的测量精度。由于荧光的无辐射跃迁系数与温度相关，荧光材料的荧光信号强度会随温度变化产生显著改变，结合荧光微丝技术有望实现非接触、高精度的流场温度和流态同步测量。

然而，当前传统的荧光微丝技术难以实现温度高精度、定量化测量的需求，主要存在以下技术难点：1. 当前测试技术缺乏对荧光微丝的温度灵敏度判定方法，无法筛选出合适的高温度灵敏度荧光微丝；2. 缺乏荧光光谱参数随温度变化的标准曲线，无法实现温度的定量化测量；3. 微丝的荧光信号强度还受到激光强度波动带来的影响，无法实现高精度的温度测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用荧光微丝的温度和流态同步测量方法，该方法利用荧光微丝的荧光信号强度随温度变化的特性，解决了荧光微丝流场温度和流态同步测量中，温度测量难以定量化和温度测量精度较低的问题，最终在传统荧光微丝流态测量的基础之上实现了流场和温度的同步测量。

为实现上述目的，本发明具体技术方案按以下步骤进行：

步骤一：将荧光微丝的温度调整到n个数值大小不同的设定温度，每调整到相应的设定温度后均用激光照射荧光微丝产生荧光信号，使用光谱仪获得n个荧光光谱信号；

步骤二：基于n个温度对应的n个荧光光谱信号构建不同波长下荧光相对强度随温度变化的变化曲线，对所述变化曲线进行线性或指数拟合获得波长与温度灵敏度的对应关系；在荧光强度大于测量阈值条件的波长范围内，选取温度灵敏度最大值对应的波长值为第一波长数值，选取温度灵敏度最小值对应的波长值为第二波长数值；

步骤三：基于所述第一波长数值选取对应波长的第一带通滤波片，基于所述第二波长数值选取对应波长的第二带通滤波片；

步骤四：将第一带通滤波片和第二带通滤波片分别安装至双分幅相机系统的两个相机前端；

步骤五：对双分幅相机系统进行标定，将荧光微丝的温度调整到n个大小不同的设定温度，每调整到相应的设定温度后均使用双分幅相机系统拍摄获得第一图像和第二图像，对第一图像和第二图像中相同坐标位置像素点的图像灰度进行相除，获得荧光比值图像，基于每个设定温度对应的荧光比值图像获得荧光强度比值随温度变化的第一标准曲线；

步骤六：将若干荧光微丝安装在待测模型上，利用激光照射荧光微丝产生荧光测量信号，使用双分幅相机系统拍摄荧光微丝获得荧光微丝测量图像，基于所述荧光微丝在气流下的形态实现流态的显示，基于所述荧光微丝测量图像获得荧光比值测量图像，基于所述荧光比值测量图像和所述第一标准曲线，获得待测模型的温度测量值。

本方法利用荧光微丝的荧光信号强度随温度变化的特性，在传统荧光微丝流态测量的基础之上，通过荧光强度比值测温可排除荧光粒子浓度、光场强度参数的干扰，实现精准的流场温度值同步测量。测量过程对流场干扰较小，测量灵敏度和测量精度较高，响应速度较快，具有一定的时间分辨能力。

优选的，本方法中荧光微丝的制备方式为：将罗丹明B附着在醋酸纤维上制备荧光微丝，荧光微丝直径范围为大于或等于0.1mm且小于或等于0.2mm。

本发明通过荧光强度比值排除测量过程中激光强度波动对荧光信号强度带来的干扰，相比于直接使用荧光强度测温方法，具有更高的测温精度。通过选择合适的荧光微丝材料，本发明可实现低温到中等温度范围（<400K）的温度测量和低速风洞（流速0m/s~300m/s）的流态同步显示，测量过程对流场干扰较小，测量灵敏度和测量精度较高，响应速度较快，具有一定的时间分辨能力。相比于传统荧光微丝方法仅能对模型表面流态进行测量，本发明该方法可同时提供高质量的温度和模型表面流态数据，为试验模型的气动设计和性能预测提供更丰富的数据支撑。

优选的，本方法中第一波长数值和第二波长数值的计算方式为：

采用光谱仪测量获得荧光信号的荧光光谱，基于荧光光谱获得荧光强度与波长的第一对应信息；基于荧光强度和温度计算获得温度灵敏度信息，获得荧光强度与温度灵敏度的第二对应信息；基于所述第一对应信息和所述第二对应信息获得波长与温度灵敏度的第三对应信息；基于所述第三对应信息，获得在设定温度下温度灵敏度最大值对应的第一波长数值，以及获得在设定温度且荧光强度大于阈值条件下温度灵敏度最小值对应的第二波长数值。

优选的，所述待测模型为风洞模型。

优选的，双分幅相机系统包括：双分幅相机成像透镜系统、分光镜、第一相机和第二相机，入射光束通过双分幅相机成像透镜系统后传输至分光镜生成两束光束，其中一束光束穿过第一带通滤波片后传输至第一相机，另外一束光束穿过第二带通滤波片后传输至第二相机。

在本方法中，本方法用激光激发荧光微丝产生荧光信号，激发光源的功率密度或能量密度需低于荧光材料的饱和激发阈值，以防止饱和激发下荧光微丝特征荧光信号的温度灵敏度降低。

在本方法中，本方法用光谱仪测量荧光光谱，分析不同波段荧光强度随温度的变化，评估不同波长荧光信号的温度灵敏度。选择高温度灵敏度和低温度灵敏度的波长区域，分别选择所述两个区域带通的滤波片，将滤波片安装至双分幅相机的两个相机前端。由于荧光强度正比于激光强度，而激光强度在测量过程中可能存在波动，将两个区域的荧光信号比值用于温度测量，在保证测量系统具有较高的测温灵敏度的同时，可以通过相除排除测量过程中激光强度波动对温度测量带来的误差。

在本方法中，本方法使用双分幅相机拍摄标定板，获得两个相机拍摄图像像素对应的坐标位置，对相同坐标位置像素点的图像灰度进行相除，获得两个波长区域荧光的比值图像。

在本方法中，本方法在测量时将荧光微丝栽种在风洞待测模型上，使用激光照射荧光微丝产生荧光信号，使用分幅相机拍摄荧光微丝强度和荧光强度比值图像，根据荧光微丝在气流下的形态实现流态显示。当微丝顺着气流紧贴表面时，测量区域为附体流；当微丝顺着气流略微离开表面抖动时，测量区域为附体流与离体流的过渡区；当微丝顺着气流竖起抖动时，测量区域为离体流；当微丝出现倒转现象，说明测量区域出现了逆流。

其中，在本方法中，荧光微丝直径范围大小为0.1mm~0.2mm，可以避免荧光微丝直径过大导致微丝对流场产生干扰流场，以及避免荧光微丝直径过小导致荧光信号强度太弱难以测量。

其中，在本方法中，为实现精准的流态显示，荧光微丝需要在气流中有较好的跟随性，建议使用柔软度高的材料，如醋酸纤维、棉纤维。

其中，在本方法中，测量的温度为荧光微丝表面的温度，由于在低速流场中（流速0m/s~300m/s）荧光微丝能与流场充分进行传热，测量的温度可以近似为流场温度。

其中，在本方法中，对于双能级激发的荧光材料，可用指数函数I=C ₁/[exp(Ea/T)+C ₂]中E _a项表征温度灵敏度（E _a项越大，灵敏度越高），其中，I为荧光强度，C ₁、C ₂为常数，T为温度（单位：K），exp为指数函数；对于更复杂激发模式的荧光材料，通过荧光信号强度相对变化与温度差值之比表征不同波长荧光信号的温度灵敏度（相对强度变化越高，灵敏度越高），从而获得温度灵敏度随波长变化的曲线。通过温度灵敏度的数值大小选取高温度灵敏度和低温度灵敏度的荧光波长区域。分别选择两个区域带通的滤波片，将滤波片安装至双分幅相机的两个相机前端，用于截止其他波长的荧光信号。

其中，在本方法步骤一中，各温度点之间间隔一定温度，且在各温度点温度稳定后的偏移需≤0.1K。

其中，在本方法中，使用短脉冲激发光源（如ns脉冲光源）触发双分幅相机曝光时，相机曝光时间为100ns~200μs，两个相机同步触发的时间偏差控制在ns量级；使用连续激发光源时，在保证测量信号强度的前提下减小相机曝光时间可提升测量系统的时间分辨能力。

其中，在本方法中，分幅相机在安装滤波片后，成像透镜系统到两个光程的光程差<0.1mm。分幅相机中两个相机同步触发的时间偏差需要控制在ns量级。

其中，荧光信号为荧光单峰，中心波长为575nm，荧光峰半峰全宽为40nm，荧光微丝的特征激发波长为532nm。

其中，在本方法中，荧光强度比值和温度之间为单调函数关系。

本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明通过荧光强度比值排除测量过程中荧光粒子浓度、光场强度等参数的波动对荧光信号强度带来的干扰，相比于直接使用荧光强度测温方法，具有更高的测温精度。通过选择合适的荧光微丝材料，本发明可实现低温到中等温度范围（<400K）的温度测量和低速风洞（流速0m/s~300m/s）的流态同步显示，测量过程对流场干扰较小，测量灵敏度和测量精度较高，响应速度较快，具有一定的时间分辨能力，使用荧光微丝阵列可进一步实现温度和流态的场分布测量。相比于传统荧光微丝方法仅能对模型表面流态进行测量，本发明该方法可同时提供高质量的温度和模型表面流态数据，为试验模型的气动设计和性能预测提供更丰富的数据支撑。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1为实施例一罗丹明B 在532nm激光激发下的特征荧光谱线强度随波长分布的图谱，温度范围（270K~350K）；

图2为实施例一罗丹明 B的575nm荧光强度信号随温度衰减曲线；

图3为实施例一罗丹明 B的Ea值随荧光波长的变化，温度范围（270K~350K）；

图4为双分幅相机系统中滤波片安装位置示意图，其中：401-分幅相机接收光束、402-分幅相机成像透镜系统、403-分光镜、404-第一滤波片、405-第二滤波片、406-第一相机、407-第二相机；

图5为实施例一罗丹明 B 的荧光强度比值随温度变化的标准曲线；

图6利用荧光微丝同步测量温度和流态的光路示意图，其中：601-激发激光、602-荧光微丝、603-待测模型、604-相机视场区域、605-双分幅相机系统。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一

本实施例中，将罗丹明B附着在醋酸纤维上制备荧光微丝。罗丹明B作为一种荧光小分子，能级跃迁过程仅涉及基态和激发态两个能级，荧光信号为荧光单峰，中心波长约为575nm，荧光峰半高全宽为40nm（图1）。特征激发波长为532nm，激发光源与荧光单峰波长范围未重合，因此不会干扰荧光信号的测量。使用的激发光源为532nmm波长Nd：YAG ns脉冲激光光源（脉宽10ns），单脉冲能量为10⁴W/cm²，低于罗丹明B的饱和激发阈值（10⁵W/cm²）。

利用罗丹明B-醋酸纤维荧光微丝，实现中温范围温度（270K~350K）和低速风洞（流速0m/s~300m/s）流态的同步测量，按以下步骤进行：

步骤一：将荧光微丝放置于温度可调的样品室中。通过样品室的温度控制系统控制荧光微丝的温度值，温度范围为270K~350K，温度间隔为10K~20K，当温度达到设定温度值后，对样品进行保温等待样品室温度稳定（使用样品室内热电偶测量的温度漂移小于0.1K），记录样品室的温度值，并使用532nm脉冲激光照射荧光微丝，使微丝产生荧光信号；

步骤二：在与步骤一对应的各个温度点，采用光谱仪测量560nm~720nm波长范围的荧光信号，该荧光信号为荧光单峰。由于罗丹明为双能级激发的荧光材料，使用指数函数对不同波长荧光谱线强度随温度变化曲线进行拟合，以575nm波长下荧光强度随温度变化为例，拟合结果如图2所示。计算不同波长下的荧光信号随温度变化的E _a绝对值，结果如图3所示。考虑到荧光信号在560nm~650nm的强度比较高，选取中心波长572nm作为第一波长值，选取中心波长628nm为第二波长值；

步骤三：基于第一波长值选取572nm（带宽28nm）带通滤波片作为第一带通滤波片，基于第二波长值选取628nm（带宽32nm）带通滤波片作为第二带通滤波片。其中，第一带通滤波片探测荧光信号为高温度灵敏度信号，第二带通滤波片探测荧光信号为低温度灵敏度信号；

步骤四：如图4所示，将第一带通滤波片和第二带通滤波片分别安装至双分幅相机系统的两个相机前端；

步骤五：使用双分幅相机同步拍摄标定板，记录两个相机拍摄的标定板图像（相机曝光时间100μs）。利用两个相机拍摄的标定板图像确定两个相机拍摄图像像素对应的坐标位置，将双分幅相机同步拍摄的两张图像中相同坐标位置的图像灰度进行相除（572nm荧光带强度除以628nm荧光带强度），获得两个波长区域荧光强度的比值图像。当激发光强远低于饱和激发光强时，不同波长的荧光信号强度正比于激光强度，通过荧光强度比值可约分掉这些参数，从而排除了测量过程中激光强度波动带来的的干扰。基于每个设定温度对应的荧光比值图像获得荧光强度比值随温度变化的第一标准曲线（图5），由图可见，荧光强度比值在290K~350K温度范围内有显著的变化；

步骤六：将荧光微丝栽种在风洞待测模型上，使用532nm激光照射荧光微丝，在模型侧面使用安装带通滤波片的双分幅相机拍摄获得荧光强度和荧光强度比值图像（图6）。基于所述荧光微丝在气流下的形态实现流态的显示，基于所述荧光微丝测量图像获得荧光比值测量图像，基于所述荧光比值测量图像和所述第一标准曲线，获得待测模型的温度测量值。

本发明利用不同波长荧光信号温度灵敏度不同的特点，通过荧光强度比值测温可排除荧光粒子浓度、光场强度参数的干扰，实现更精准的流场温度值测量。实例中532nm激光光源相对于传统紫外激光造价更低且更易于获取，罗丹明B作为常用染料易于附于微丝纤维上，具有成本低廉、装置结构简单等优点；另外，荧光的激发和收集也可以通过内窥镜系统接入分幅相机实现，因此在强电磁干扰、受限空间等极端环境中也具有优秀的适应性。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种利用荧光微丝的温度和流态同步测量方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的利用荧光微丝的温度和流态同步测量方法，其特征在于，本方法中第一波长数值和第二波长数值的计算方式为：

3.根据权利要求1所述的利用荧光微丝的温度和流态同步测量方法，其特征在于，所述待测模型为风洞模型。

4.根据权利要求1所述的利用荧光微丝的温度和流态同步测量方法，其特征在于，双分幅相机系统包括：双分幅相机成像透镜系统、分光镜、第一相机和第二相机，入射光束通过双分幅相机成像透镜系统后传输至分光镜生成两束光束，其中一束光束穿过第一带通滤波片后传输至第一相机，另外一束光束穿过第二带通滤波片后传输至第二相机。

5.根据权利要求1所述的利用荧光微丝的温度和流态同步测量方法，其特征在于，本方法中荧光微丝的制备方式为：将罗丹明B附着在醋酸纤维上制备荧光微丝。

6.根据权利要求1所述的利用荧光微丝的温度和流态同步测量方法，其特征在于，荧光微丝直径范围为大于或等于0.1mm且小于或等于0.2mm。

7.根据权利要求1所述的利用荧光微丝的温度和流态同步测量方法，其特征在于，本方法中荧光微丝的温度灵敏度的指数拟合方式为：

I=C ₁/[exp(E _a/T)+C ₂]，其中，I为荧光强度，C ₁、C ₂为常数，T为温度，E _a为温度相关无辐射跃迁项的能垒，E _a的绝对值用于评估荧光微丝的温度灵敏度，exp为指数函数。

8.根据权利要求1所述的利用荧光微丝的温度和流态同步测量方法，其特征在于，本方法将若干荧光微丝采用阵列的方式均匀安装在所述待测模型上。

9.根据权利要求1所述的利用荧光微丝的温度和流态同步测量方法，其特征在于，荧光信号为荧光单峰，中心波长为575nm，荧光峰半峰全宽为40nm，荧光微丝的特征激发波长为532nm。

10.根据权利要求1所述的利用荧光微丝的温度和流态同步测量方法，其特征在于，本方法中所述对双分幅相机系统进行标定，具体包括：使用双分幅相机系统拍摄标定板，获得双分幅相机系统中的两个相机拍摄图像像素对应的坐标位置。