CN115452202A - 基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法 - Google Patents
基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法，形成泵浦探测斯托克斯光束以相位匹配的方式聚焦于待测燃烧流场；测量待测燃烧流场的相干反斯托克斯拉曼散射光谱，记录热电偶测量值；计算理论光谱；计算归一化实测光谱与理论光谱的偏差；调整指定温度和偏差计算过程中的自由参数，得到相干反斯托克斯拉曼散射测量值；调整流场温度，得到不同流场温度下的相干反斯托克斯拉曼散射温度测量值和高温热电偶测量值，绘制关系图对待校准高温热电偶进行校准。本发明用以解决现有技术中对燃烧流场高温燃气的宽范围实时准确测量难题，实现在高温流场下对热电偶进行准确校准、进而在宽温度范围内对高温燃气进行实时准确测量的目的。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧流场中热电偶标定领域，具体涉及基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法。
背景技术
燃烧流场温度是对燃烧过程最直观的描述，是了解物理作用过程、认识化学反应机理和评估燃烧效率的重要参数。热电偶是目前燃烧流场温度测量中应用最广泛的测量技术，其具有简单、直观、可靠等优点。但在航空航天动力系统等高温燃气测量领域，因热电偶的热传导误差、热电偶节点与高温燃气的对流和辐射换热、热电偶与环境的辐射换热等因素，将导致热电偶测量温度与高温燃气的实际温度之间存在较大误差，必须对热电偶测量温度进行修正校准才能反应真实燃烧流场温度。
然而，现有的热电偶校准方法在燃烧流场领域存在以下难点：热电偶测量误差依赖于测量环境，而当前的校准方法仅限于特定环境，没有适用于燃烧流场环境下的校准方法；并且，由于现有技术中缺乏1800K以上燃气温度的校准环境和准确测量测量手段，因此无法满足温度日益升高的高温燃气测量需求，难以实现对燃烧流场高温燃气的宽范围实时准确测量。
发明内容
本发明提供基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法，以解决现有技术中对燃烧流场高温燃气的宽范围实时准确测量难题，实现在高温流场下对热电偶进行准确校准、进而在宽温度范围内对高温燃气进行实时准确测量的目的。
本发明通过下述技术方案实现：
基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法，包括：
步骤一：泵浦激光器产生的脉冲激光经波长调谐和光束整形后形成泵浦探测斯托克斯光束，并以相位匹配的方式聚焦于待测燃烧流场，与待测燃烧流场中的目标分子发生相互作用、产生相干反斯托克斯拉曼散射信号；
步骤二：通过探测器测量待测燃烧流场的实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱，并记录待校准高温热电偶测量值T c；
步骤三：在压强P的状态下，计算指定温度T时的理论相干反斯托克斯拉曼散射光谱；
步骤四：对实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱相对于参考光谱做归一化处理，得到归一化相干反斯托克斯拉曼散射光谱；计算所述归一化相干反斯托克斯拉曼散射光谱与所述理论相干反斯托克斯拉曼散射光谱的偏差；
步骤五：调整指定温度T和偏差计算过程中的自由参数，重复步骤三至步骤四，直至满足偏差计算的结束条件，完成迭代，输出当前的指定温度T和偏差计算过程中的自由参数的值，定义输出的T值为流场温度的相干反斯托克斯拉曼散射测量值T CARS；
步骤六：改变待测燃烧流场工况来调整温度，重复步骤二至步骤五，得到不同流场温度下的相干反斯托克斯拉曼散射测量值T CARS和高温热电偶测量值T c，绘制T c与T CARS的关系图，基于所述关系图对待校准高温热电偶进行校准。
针对现有技术中对燃烧流场高温燃气的宽范围实时准确测量难题，本发明提出一种基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法，本方法利用了相干反斯托克斯拉曼散射光谱分布随温度变化的特性，通过测量燃烧流场中目标分子的能级分布来反演燃烧流场燃气温度。本领域技术人员应当理解，相干反斯托克斯拉曼散射是一种非线性四波混频过程，在此过程中泵浦激光束和斯托克斯激光束与流场中的目标分子相互作用，产生一个反斯托克斯信号。
本方法具体的，首先使泵浦激光器产生的脉冲激光经波长调谐和光束整形后，形成泵浦探测斯托克斯光束并以相位匹配的方式聚焦于待测燃烧流场；燃料流场中提前预设目标分子，泵浦探测斯托克斯光束与目标分子发生相互作用，从而产生相干反斯托克斯拉曼散射信号。然后，通过探测器得到实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱，并记录此时位于燃烧流场内的高温热电偶的测量值，定义为T c。由于气体的相干反斯托克斯拉曼散射光谱线宽与压强相关，需要对待测流场压力进行测量，再以压强P、指定温度T，计算理论相干反斯托克斯拉曼散射光谱，并计算归一化相干反斯托克斯拉曼散射光谱与理论相干反斯托克斯拉曼散射光谱的偏差；调整指定温度T，迭代计算，得到在满足迭代结束条件时的指定温度并记录，以该温度作为流场温度的相干反斯托克斯拉曼散射测量值，定义为T CARS；至此，即可得到一组对应的T c与T CARS；之后，改变待测燃烧流场工况，使得在不同流场温度下重复上述过程，即可得到不同流场温度下的相干反斯托克斯拉曼散射测量值T CARS和高温热电偶测量值T c，绘制T c与T CARS的关系图，基于所述关系图对待校准高温热电偶进行校准。
可以看出，本方法利用相干反斯托克斯拉曼散射光谱分布随温度变化的特性，通过测量燃烧流场中目标分子的能级分布来反演燃烧流场燃气温度，不受激光器光强波动的影响，具有无需标定、测温上限高、测温范围大等优点，解决了现有技术中对燃烧流场高温燃气的宽范围实时准确测量难题，实现了在高温流场下对热电偶进行准确校准、进而可以通过标定后的热电偶在宽温度范围内对高温燃气进行实时准确测量；并且本方法的校准过程对流场无干扰，校准精度较高，响应速度快，具有较高的时间分辨能力和瞬态测量能力。
优选的，对于步骤三和步骤四中的计算过程使用单纯形算法。
进一步的，步骤一中形成泵浦探测斯托克斯光束的方法包括：泵浦激光器产生的脉冲激光经分束镜后分为脉冲激光一和脉冲激光二；其中脉冲激光一经反射镜二后再经平凹透镜和双凸透镜一扩束，后被中心通孔的反射镜三反射形成泵浦探测光束；脉冲激光二经宽带激光器波长调谐后产生脉冲激光三作为斯托克斯光束，并经反射镜一后穿过反射镜三中心的通孔，与所述泵浦探测光束合束形成共轴混合脉冲激光作为所述泵浦探测斯托克斯光束。
本方案给出了一种优选的经波长调谐和光束整形形成泵浦探测斯托克斯光束的光路构成，除了本方案之外，本领域技术人员根据相干反斯托克斯拉曼散射原理所形成的其余光路同样可适用于本方法中。
步骤二中通过探测器测量待测燃烧流场的实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱的方法包括：所述相干反斯托克斯拉曼散射信号经双凸透镜三、并经滤光片滤除脉冲激光一和脉冲激光三后、被光谱仪和探测器分光并记录得到光谱信号；将所述光谱信号相对脉冲激光一不同频移时的强度分布作为所述实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱。
进一步的，步骤三中，指定温度T时的理论相干反斯托克斯拉曼散射光谱通过如下公式计算：S th (ω,T)= I 4(ω,T)×L(ω)；式中，S th (ω,T)为指定温度T时的理论相干反斯托克斯拉曼散射光谱；I 4(ω,T)为不考虑脉冲激光一线宽以及光谱仪和探测器展宽时的相干反斯托克斯拉曼散射光谱，L(ω)为包含脉冲激光一线宽以及光谱仪和探测器展宽效应的展宽函数。
本方案给出了在前述优选光路的前提下，对理论相干反斯托克斯拉曼散射光谱的计算公式。除此之外，本领域技术人员也可针对不同的相干反斯托克斯拉曼散射光路、根据现有技术对理论相干反斯托克斯拉曼散射光谱进行计算。
进一步的，所述脉冲激光一为窄线宽脉冲激光，脉冲激光一的半高全宽不大于1cm-1；所述脉冲激光三为宽带脉冲激光，脉冲激光三的半高全宽不小于100cm-1；脉冲激光一和脉冲激光三的频率差与目标分子能级相匹配。
需要说明的是，本方案中的“不大于”，是指“小于或等于”；本方案中的“不小于”，是指“大于或等于”。此外，脉冲激光一和脉冲激光三的频率差与目标分子能级相匹配，是指脉冲激光一和脉冲激光三的频率差要覆盖目标分子待测量的振转能级的跃迁频率。
进一步的，所述泵浦探测光束与脉冲激光三以非稳腔增强空间探测相位匹配的方式合束并聚焦于待测燃烧流场。除此之外，本领域技术人员也可针对不同的应用场景以交叉相位匹配的方式聚焦于待测燃烧流场。
本方案使泵浦探测光束与脉冲激光三通过非稳腔增强空间探测的相位匹配方式聚焦于待测流场，只在泵浦光、斯托克斯光和探测光交叠区域才能激发相干反斯托克斯拉曼散射信号，使本方案具有较高的空间分辨率。
进一步的，还包括对所述光谱仪和探测器提前校准，以提高本方法对热电偶的校准精度。光谱仪和探测器的校准方法包括：使用光谱仪和探测器对光谱分布已知的辐射定标光源的发射光谱进行分光、并记录得到实测光谱，通过实测光谱和辐射定标光源光谱分布的比值，得到光谱仪和探测器的光谱响应。
进一步的，还包括对所述光谱仪和探测器展宽函数提前标定，以提高本方法对热电偶的校准精度。光谱仪和探测器展宽函数的标定方法包括：使用光谱仪和探测器对单纵模激光器的发射光谱进行分光、并记录得到实测光谱，通过Voigt线型函数对实测光谱进行拟合，得到光谱仪和探测器的展宽函数。
进一步的，所述参考光谱为室温、常压条件下的氩气相干反斯托克斯拉曼散射光谱。
进一步的，步骤四中的偏差通过如下公式计算：
式中，χ 2为偏差；S' m (ω i )为归一化相干反斯托克斯拉曼散射光谱；S th (ω i )为理论相干反斯托克斯拉曼散射光谱；a、b、Δω均为自由参数；n为实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱数据长度。
进一步的，所述偏差计算的结束条件为：偏差的变化小于设定阈值，或，迭代次数达到设定的最大次数。
优选的，所述目标分子为氮气分子。选择N2作为目标分子，其普遍存在于空气和吸气式动力装置燃烧流场中，能够获得较强的相干反斯托克斯拉曼散射信号。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法，利用相干反斯托克斯拉曼散射光谱分布随温度变化的特性，通过测量燃烧流场中目标分子的能级分布来反演燃烧流场燃气温度，不受激光器光强波动的影响，具有无需标定、测温上限高、测温范围大等优点，解决了现有技术中对燃烧流场高温燃气的宽范围实时准确测量难题，并且本方法的校准过程对流场无干扰，校准精度较高，响应速度快，具有较高的时间分辨能力和瞬态测量能力。
2、本发明基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法，通过测量特定目标分子相干反斯托克斯拉曼散射光谱，排除测量过程中分子浓度、激光强度、流场组分等参数的波动的影响，具有更高的测温精度。通过选择合适的目标分子，本发明可实现高温流场宽温度范围内的温度测量，测量过程对流场无干扰，测量精度较高，具有较好的时间和空间分辨能力，测温上限高，可为高温热电偶的标定校准提供可靠的标定校准数据。
3、本发明基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法，由于采用相干激发的方式，相干反斯托克斯拉曼散射信号只存在于特定方向，具有信号指向性好、信噪比高的优点，信号的激发和收集可通过光纤束完成，因此在强电磁干扰、受限空间等极端环境中也具有较强的适应性。
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，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明具体实施例的光路示意图；
图2为本发明具体实施例中不同温度下N2分子的归一化实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱；
图3为本发明具体实施例中不同温度下N2分子的归一化实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱及拟合结果；
图4为本发明具体实施例中高温管式炉温度的相干反斯托克斯拉曼散射测量结果和热电偶测量结果；
图5为本发明具体实施例中燃烧流场温度的相干反斯托克斯拉曼散射测量结果和热电偶测量结果。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-泵浦激光器， 2-分束镜，3-脉冲激光一，4-脉冲激光二，5-宽带激光器，6-脉冲激光三，7-反射镜一，8-反射镜二，9-平凹透镜，10-双凸透镜一，11-反射镜三，12-收光桶，13-双凸透镜二，14-待测燃烧流场，15-相干反斯托克斯拉曼散射信号，16-双凸透镜三，17-滤光片，18-光谱仪，19-探测器，20-时序控制器，21-计算机，22-待校准高温热电偶。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
实施例1：
基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法，包括如下步骤：
步骤一：依靠如图1所示的光学器件提供光路，具体光路为：泵浦激光器1产生的脉冲激光经分束镜2后分为脉冲激光一3和脉冲激光二4，其中脉冲激光一3经反射镜二8后再经平凹透镜9和双凸透镜一10扩束后被中心通孔的反射镜三11反射形成环形光束作为泵浦探测光束；脉冲激光二4经宽带激光器5波长调谐后产生脉冲激光三6作为斯托克斯光束，斯托克斯光束经反射镜一7后穿过反射镜三11中心的圆孔与所述泵浦探测光束合束形成共轴混合脉冲激光。共轴混合脉冲激光经双凸透镜二13后汇聚于待测流场14，并与待测流场中的目标分子发生相互作用产生与入射脉冲激光共轴的相干反斯托克斯拉曼散射信号15，经双凸透镜三16并经滤光片17滤除脉冲激光一和脉冲激光三后被经过校准的光谱仪18和探测器19分光并记录得到光谱信号，探测器记录的光谱信号相对脉冲激光一不同频移时的强度分布即为相干反斯托克斯拉曼散射光谱；
步骤二：测量待测燃烧流场的相干反斯托克斯拉曼散射光谱S m(ω)，并记录待校准高温热电偶测量结果T c；
步骤三：在压强P的状态下，计算温度T时的相干反斯托克斯拉曼散射光谱S th (ω,T)= I 4(ω,T)×L(ω)，其中，I 4(ω,T)为不考虑脉冲激光一线宽以及光谱仪和探测器展宽时的相干反斯托克斯拉曼散射光谱，L(ω)为包含脉冲激光一线宽以及光谱仪和探测器展宽的仪器展宽函数；
步骤四：计算归一化实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱S' m (ω i )与理论相干反斯托克斯拉曼散射光谱S th (ω i )的偏差χ 2：
步骤五：调整T、 a、b、Δω的值，重复步骤三和步骤四直至满足结束条件，结束迭代过程，输出参数T、 a、b、Δω的值，输出的T值即为流场温度的相干反斯托克斯拉曼散射法测量结果T CARS；
步骤六：改变待测流场温度，重复步骤二、步骤三、步骤四和步骤五，同时记录待校准高温热电偶测量结果T c，得到不同流场温度下的相干反斯托克斯拉曼散射测量值T CARS和热电偶测量值T c，绘制待校准高温热电偶所测温度T c与相干反斯托克斯拉曼散射法所测温度T CARS的关系图，对待校准高温热电偶进行校准。
其中，滤光片17为低通滤光片。
本实施例利用相干反斯托克斯拉曼散射光谱分布随温度变化的特性，通过测量燃烧流场中目标分子的能级分布来反演燃烧流场燃气温度，不受激光器光强波动的影响，具有无需标定、测温上限高、测温范围大以等优点。测量过程对流场无干扰，测量精度较高，响应速度快，具有较高的时间分辨能力和瞬态测量能力。
本实施例通过非稳腔增强空间探测或交叉相位匹配的方式聚焦于待测流场，只在泵浦光、斯托克斯光和探测光交叠区域才能激发相干反斯托克斯拉曼散射信号，具有较高的空间分辨率。
在更为优选的实施方式中，限定脉冲激光一3为窄线宽脉冲激光、脉冲激光一3的半高全宽不大于1cm-1；所述脉冲激光三6为宽带脉冲激光、脉冲激光三6的半高全宽不小于100cm-1；脉冲激光一3和脉冲激光三6的频率差与目标分子能级相匹配。
在更为优选的实施方式中，泵浦探测光束与脉冲激光三6以非稳腔增强空间探测或交叉相位匹配的方式合束并聚焦于待测燃烧流场。
实施例2：
基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法，在实施例1的基础上，归一化实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱S' m (ω i )是实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱S m(ω)相对于参考光谱S NR(ω)作归一化处理后的结果。
本实施例中的参考光谱S NR(ω)为室温、常压条件下的氩气相干反斯托克斯拉曼散射光谱。
针对公式S th (ω,T)= I 4(ω,T)×L(ω)，本实施例中满足相位匹配时I 4(ω)的计算方式为：
式中，C1为常数，I 1 和I 2分别为脉冲激光一和脉冲激光三的光强，ω 4为信号I 4 对应的频率，χ NR 为三阶非线性极化率的非共振部分，χ R (3)为三阶非线性极化率的共振部分，由如下公式计算：
式中，C2为常数，ω 1和ω 2分别为脉冲激光一和脉冲激光三的频率，ω j和Γ j 分别为第j个跃迁频率和对应的谱线线宽，
为拉曼散射截面，i为虚数单位，N a和N b分别为跃迁谱线对应的上能级和下能级之间的粒子数密度，由如下公式计算：
式中，N(v,J)为振动能级v、转动能级J的粒子数密度，N total 为总的粒子数密度，v和J分别为振动量子数和转动量子数，Q v 和Q J 分别为振动配分函数和转动配分函数，T(v,J)为振转项值，I为核自旋简并因子，k为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数，c为光速，T为绝对温度，e为自然常数。
本实施例用脉冲激光以相位匹配的方式激发流场目标分子产生相干反斯托克斯拉曼散射信号，焦点处的激光脉冲功率密度需低于流场中气体的击穿阈值，以防止流场气体被击穿电离。
在本实施例中，要求待测流场中目标分子的含量不低于30%，以获得较好的信噪比，同时降低非共振背景的干扰，通常选取N2作为目标组分。
在本实施例中，脉冲激光一和脉冲激光三到达焦点时的时序偏差＜1ns；探测器积分时间＜100ns。
在本实施例中，脉冲激光一和脉冲激光三在焦点处的光斑直径<1mm，以保证测量结果具有较好的空间分辨能力。
在本实施例中，结束条件为偏差χ 2的变化小于设定阈值ε或迭代次数达到设定的最大次数N'。本实施例中取ε = 10-4，N' = 300。
在本实施例中，所用光谱仪和探测器需对光谱响应进行校准，具体包括：使用光谱仪和探测器对光谱分布已知的辐射定标光源的发射光谱进行分光并记录得到实测光谱，通过实测光谱和辐射定标光源光谱分布的比值得到光谱仪和探测器的光谱响应。
在本实施例中，所用光谱仪和探测器需对展宽函数进行标定，具体包括：使用光谱仪和探测器对单纵模激光器的发射光谱进行分光、并记录得到实测光谱，通过Voigt线型函数对实测光谱进行拟合，得到光谱仪和探测器的展宽函数。
实施例3：
基于实施例1或2所记载的方法，本实施例对高温热电偶校准进行验证：
本实施例中，泵浦激光为Nd:YAG激光器，中心波长为532 nm，脉冲宽度为10 ns，光谱半高全宽<1 cm-1，泵浦激光输出单脉冲能量约为80 mJ，经分束镜2后脉冲激光一3单脉冲能量约为30 mJ，脉冲激光二4单脉冲能量约为50 mJ；宽带激光器5为染料激光器，中心波长为607 nm，光谱半高全宽>100 cm-1，经脉冲激光二4泵浦后脉冲激光三6的单脉冲能量为15mJ；脉冲激光一3和脉冲激光三6合束后在焦点的功率密度约为1.8×109 W/cm2，低于空气的击穿阈值~1.0×1010 W/cm2；
选择N2作为目标分子。N2作为一种双原子分子，能级结构较为简单，其振转谱计算比较成熟，占空气含量的78%，因此能够获得很强的相干反斯托克斯拉曼散射信号。N2分子振转谱位于2200cm-1-2350 cm-1，1-0振转带位于2330 cm-1附近，选择532nmm波长Nd：YAG 纳秒脉冲激光光源（脉宽10ns）作为泵浦/探测激光、607nm中心波长宽带染料激光（光谱宽度~150 cm-1）作为斯托克斯光，二者的频率差能够覆盖N2分子的振转谱。
本领域技术人员应当理解，其中符号“~”代表数学中的估值。
利用N2分子的相干反斯托克斯拉曼散射谱，实现高温管式炉宽温度范围（1000K-2000K）内的热电偶校准，按以下步骤进行：
步骤一：将相干反斯托克斯拉曼散射测量中的激发光路和收集光路分别置于高温管式炉两侧，保证光束能穿过高温管式炉中的高温流场，并将焦点调至高温管式炉中心。通过调整光路保证能够获得较好的相干反斯托克斯拉曼散射信号。通过高温管式炉的温度控制系统控制流场温度，温度范围为1073.5K-1973.5K，温度间隔为100K，当温度达到设定温度值后，开始采集相干反斯托克斯拉曼散射信号，并同步记录热电偶的温度值；
步骤二：测量待测燃烧流场的相干反斯托克斯拉曼散射光谱S m(ω)，并记录待校准高温热电偶测量结果T c；
步骤三：在压强P的状态下，计算温度T时的相干反斯托克斯拉曼散射光谱；
步骤四：计算归一化实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱与理论计算光谱的偏差：
步骤五：调整T、 a、b、Δω的值，重复步骤二和步骤三直至满足结束条件，结束迭代过程，输出参数T、 a、b、Δω的值，输出的T值即为流场温度的相干反斯托克斯拉曼散射法测量结果T CARS；
步骤六：改变待测流场温度，重复步骤二、步骤三、步骤四和步骤五，得到不同流场温度下的相干反斯托克斯拉曼散射测量值T CARS和热电偶测量值T c，绘制待校准高温热电偶所测温度T c与相干反斯托克斯拉曼散射法所测温度T CARS的关系图如图4所示，对待校准高温热电偶进行校准。
由图4可见，对于壁面温度较高的环境，热电偶辐射损耗较弱，热电偶所测温度和相干反斯托克斯拉曼散射测量结果具有很好的一致性。
实施例4：
基于实施例1或2所记载的方法，本实施例对高温热电偶校准进行验证：
本实施例中，泵浦激光为Nd:YAG激光器，中心波长为532 nm，脉冲宽度为10 ns，光谱半高全宽<1 cm-1，泵浦激光输出单脉冲能量约为80 mJ，经分束镜2后脉冲激光一3单脉冲能量约为30 mJ，脉冲激光二4单脉冲能量约为50 mJ；宽带激光器5为染料激光器，中心波长为607 nm，光谱半高全宽>100 cm-1，经脉冲激光二4泵浦后脉冲激光三6的单脉冲能量为15mJ；脉冲激光一3和脉冲激光三6合束后在焦点的功率密度约为1.8×109 W/cm2，甲烷和空气燃烧流场气体的击穿阈值~1.0×1010 W/cm2；
选择N2作为目标分子。N2作为一种双原子分子，能级结构较为简单，其振转谱计算比较成熟，同时普遍存在于吸气式动力装置燃烧流场中且具有较高的含量，因此能够获得很强的相干反斯托克斯拉曼散射信号。N2分子振转谱位于2200cm-1-2350 cm-1，1-0振转带位于2330 cm-1附近，选择532nmm波长Nd：YAG ns脉冲激光光源（脉宽10ns）作为泵浦/探测激光、607nm中心波长宽带染料激光（光谱宽度~150 cm-1）作为斯托克斯光，二者的频率差能够覆盖N2分子的振转谱。
利用N2分子的相干反斯托克斯拉曼散射谱，实现McKenna平面火焰炉宽温度范围（1700K-2300K）内的热电偶校准，按以下步骤进行：
步骤一：将相干反斯托克斯拉曼散射测量中的激发光路和收集光路分别置于McKenna平面火焰炉两侧，保证光束能穿过McKenna平面火焰炉上方的高温流场，并将焦点调至McKenna平面火焰炉中心上方15mm高度。通过调整光路保证能够获得较好的相干反斯托克斯拉曼散射信号。通过调整甲烷、空气和氧气的流量控制燃烧流场温度，温度范围为1700K-2300K，相邻工况间的温度间隔控制在100K-200K内，当建立稳定燃烧流场后，开始采集相干反斯托克斯拉曼散射信号，并同步记录热电偶的温度值；
步骤二：测量待测燃烧流场的相干反斯托克斯拉曼散射光谱S m(ω)，并记录待校准高温热电偶测量结果T c；
步骤三：在压强P的状态下，计算温度T时的相干反斯托克斯拉曼散射光谱；
步骤四：计算归一化实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱与理论计算光谱的偏差：
步骤五：调整T、 a、b、Δω的值，重复步骤二和步骤三直至满足结束条件，结束迭代过程，输出参数T、 a、b、Δω的值，输出的T值即为流场温度的相干反斯托克斯拉曼散射法测量结果T CARS；
步骤六：调整工况，改变甲烷、空气和氧气流量，重复步骤二、步骤三、步骤四和步骤五，得到不同流场温度下的相干反斯托克斯拉曼散射测量值T CARS和热电偶测量值T c，绘制待校准高温热电偶所测温度T c与相干反斯托克斯拉曼散射法所测温度T CARS的关系图如图5所示，对待校准高温热电偶进行校准。由图5可见，对于开放火焰环境，热电偶由于辐射损耗，热电偶所测温度和相干反斯托克斯拉曼散射测量结果存在很大差异。
需要说明的是，在实施例3与实施例4两种不同工况下的实测及拟合结果如图2与图3所示，图2展示了不同温度下的归一化实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱，其中2100K和2267K表示的两个光谱可与实施例4中“通过调整甲烷、空气和氧气的流量控制燃烧流场温度，温度范围为1700K-2300K，相邻工况间的温度间隔控制在100K-200K内，当建立稳定燃烧流场后，开始采集相干反斯托克斯拉曼散射信号，并同步记录热电偶的温度值”相对应，是所选取的几个工况中选取的其中2个工况温度下对应的归一化实测光谱；剩余的6条曲线则是在实施例3中温度范围为1073.5K-1973.5K对应工况中挑选出来的6个归一化实测光谱。
图3中的“参考值2100K”和“拟合值2145.7K”是实施例4中挑选出的一个归一化实测光谱以及经过步骤三至步骤五后得到的温度T CARS对应的拟合光谱，剩余2组参考值和拟合值是实施例3中挑选出的两个归一化实测光谱以及经过步骤三至步骤五后得到的温度T CARS对应的拟合光谱。
本申请利用分子的相干反斯托克斯拉曼散射光谱分布依赖于温度的特点，选取特定的目标分子进行相干激发，抑制流场复杂组分的干扰，通过拟合实测光谱排除分子密度、激光强度的干扰，实现更精准的流场温度值测量。实例中选择N2作为目标分子，其普遍粗壮乃与空气和吸气式动力装置燃烧流场中，能够获得较强的相干反斯托克斯拉曼散射信号；另外，由于采用相干激发的方式，相干反斯托克斯拉曼散射信号只存在于特定方向，具有信号指向性好、信噪比高的优点，信号的激发和收集可通过光纤束完成，因此在强电磁干扰、受限空间等极端环境中也具有较强的适应性。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
需要说明的是，在本文中，诸如后缀“一”、“二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体，意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
Claims (10)
1.基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法，其特征在于，包括：
步骤一：泵浦激光器产生的脉冲激光经波长调谐和光束整形后形成泵浦探测斯托克斯光束，并以相位匹配的方式聚焦于待测燃烧流场，与待测燃烧流场中的目标分子发生相互作用、产生相干反斯托克斯拉曼散射信号；
步骤二：通过探测器测量待测燃烧流场的实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱，并记录待校准高温热电偶测量值T c；
步骤三：在压强P的状态下，计算指定温度T时的理论相干反斯托克斯拉曼散射光谱；
步骤四：对实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱相对于参考光谱做归一化处理，得到归一化相干反斯托克斯拉曼散射光谱；计算所述归一化相干反斯托克斯拉曼散射光谱与所述理论相干反斯托克斯拉曼散射光谱的偏差；
步骤五：调整指定温度T和偏差计算过程中的自由参数，重复步骤三至步骤四，直至满足偏差计算的结束条件，完成迭代，输出当前的指定温度T和偏差计算过程中的自由参数的值，定义输出的T值为流场温度的相干反斯托克斯拉曼散射测量值T CARS；
步骤六：改变待测燃烧流场工况来调整温度，重复步骤二至步骤五，得到不同流场温度下的相干反斯托克斯拉曼散射测量值T CARS和高温热电偶测量值T c，绘制T c与T CARS的关系图，基于所述关系图对待校准高温热电偶进行校准。
2.根据权利要求1所述的基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法，其特征在于，
步骤一中形成泵浦探测斯托克斯光束的方法包括：泵浦激光器（1）产生的脉冲激光经分束镜（2）后分为脉冲激光一（3）和脉冲激光二（4）；其中脉冲激光一（3）经反射镜二（8）后再经平凹透镜（9）和双凸透镜一（10）扩束，后被中心通孔的反射镜三（11）反射形成泵浦探测光束；脉冲激光二（4）经宽带激光器（5）波长调谐后产生脉冲激光三（6）作为斯托克斯光束，并经反射镜一（7）后穿过反射镜三（11）中心的通孔，与所述泵浦探测光束合束形成共轴混合脉冲激光，作为所述泵浦探测斯托克斯光束；
步骤二中通过探测器测量待测燃烧流场的实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱的方法包括：所述相干反斯托克斯拉曼散射信号经双凸透镜三（16）、并经滤光片（17）滤除脉冲激光一（3）和脉冲激光三（6）后、被光谱仪和探测器分光并记录得到光谱信号；将所述光谱信号相对脉冲激光一（3）不同频移时的强度分布作为所述实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱。
3.根据权利要求2所述的基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法，其特征在于，步骤三中，指定温度T时的理论相干反斯托克斯拉曼散射光谱通过如下公式计算：
S th (ω,T)= I 4(ω,T)×L(ω)；式中，S th (ω,T)为指定温度T时的理论相干反斯托克斯拉曼散射光谱；I 4(ω,T)为不考虑脉冲激光一线宽以及光谱仪和探测器展宽时的相干反斯托克斯拉曼散射光谱，L(ω)为包含脉冲激光一线宽以及光谱仪和探测器展宽的仪器展宽函数。
4.根据权利要求2所述的基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法，其特征在于，所述脉冲激光一（3）为窄线宽脉冲激光，脉冲激光一（3）的半高全宽不大于1cm-1；所述脉冲激光三（6）为宽带脉冲激光，脉冲激光三（6）的半高全宽不小于100cm-1；脉冲激光一（3）和脉冲激光三（6）的频率差与目标分子能级相匹配。
5.根据权利要求2所述的基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法，其特征在于，所述泵浦探测光束与脉冲激光三（6）以非稳腔增强空间探测相位匹配的方式合束并聚焦于待测燃烧流场。
6.根据权利要求2所述的基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法，其特征在于，还包括对所述光谱仪和探测器提前校准，校准方法包括：使用光谱仪和探测器对光谱分布已知的辐射定标光源的发射光谱进行分光、并记录得到实测光谱，通过实测光谱和辐射定标光源光谱分布的比值，得到光谱仪和探测器的光谱响应。
7.根据权利要求2所述的基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法，其特征在于，还包括对所述光谱仪和探测器展宽函数的提前标定，标定方法包括：使用光谱仪和探测器对单纵模激光器的发射光谱进行分光、并记录得到实测光谱，通过Voigt线型函数对实测光谱进行拟合，得到光谱仪和探测器的展宽函数。
8.根据权利要求1所述的基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法，其特征在于，所述参考光谱为室温、常压条件下的氩气相干反斯托克斯拉曼散射光谱。
9.根据权利要求1所述的基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法，其特征在于，步骤四中的偏差通过如下公式计算：
式中，χ 2为偏差；S' m (ω i )为归一化相干反斯托克斯拉曼散射光谱；S th (ω i )为理论相干反斯托克斯拉曼散射光谱；a、b、Δω均为自由参数；n为实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱数据长度。
10.根据权利要求1所述的基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法，其特征在于，所述偏差计算的结束条件为：偏差的变化小于设定阈值，或，迭代次数达到设定的最大次数。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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