CN117433655B - 一种基于lif技术的免标定非侵入式流场温度测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于LIF技术的免标定非侵入式流场温度测量方法，涉及一种流场温度测量方法。光谱仪的测量波长范围涵盖260‑330nm，激光器输出266nm激光，光谱仪与激光器之间通过时序控制系统进行控制；将纯甲苯蒸汽通入到标定装置中，甲苯的浓度不超过3％，然后通入氮气到总压为101kPa；不同温度下测量多个温度点，将得到的光谱分别进行归一化处理；基于偏最小二乘法进行模型建立；进行荧光光谱测量并根据模型进行温度的反演得到真实流场的温度结果。在进行流场温度的测量时，可以得到流场的温度分布，能够满足多维度测量，同时避免进行标定。
Description
技术领域
本发明涉及一种流场温度测量方法，尤其是一种基于LIF技术的免标定非侵入式流场温度测量方法，属于激光光谱应用技术领域。
背景技术
温度作为一种常见的物理参量，也是流场的一个特征参数，当流场的特性发生转捩时，带来的气动热效应会使得温度升高，获取到温度的变化对于流场可视化及得到相关流动变化规律是具有重要意义的，同时在特定的流场中获得准确的数据，可以为模型的建立、仿真数据的验证等提供依据。
随着激光技术的发展，光谱技术在流场测量中得到了快速的发展，LIF(激光诱导荧光技术，Laser Induced Fluorescence)作为一种激光光谱技术，可以实现非接触式测量，具有较大的动态响应能力。目前基于LIF或PLIF技术的外流场温度测量，大多使用双色法来进行温度测量，双色法在进行测量时需要进行双波段荧光信号成像，双色法的测量需要进行标定，根据标定的结果来校正荧光信号所表征的温度值。
而光谱具有独特性，温度会改变光谱的特性，且不同温度范围内对光谱影响不同。因此，可以根据光谱的不同来对温度进行测量，同时由于光谱的独特性，对于测量得到的温度结果不需要进行标定，减少了实验的过程和由于标定带来的误差。此外，根据流场测量的需求，光谱测量可以拓展到二维和三维。
发明内容
为解决背景技术存在的不足，本发明提供一种基于LIF技术的免标定非侵入式流场温度测量方法，它在进行流场温度的测量时，可以得到流场的温度分布，能够满足多维度测量，同时避免进行标定。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种基于LIF技术的免标定非侵入式流场温度测量方法，包括以下步骤：
步骤一：设定光谱仪及激光器的参数
光谱仪的测量波长范围应涵盖260-330nm，激光器选择Nd:YAG固体激光器，激光器输出激光经四倍频后得到266nm激光，光谱仪与激光器之间通过时序控制系统进行控制；
步骤二：设定实验甲苯气体的浓度及压力
将纯甲苯蒸汽通入到标定装置中，甲苯的浓度不超过3％，然后通入氮气到总压为101kPa；
步骤三：进行不同温度的甲苯荧光光谱测量
测量得到甲苯在温度范围不超过600℃下不同温度的荧光光谱，在范围内共测量多个温度点，将得到的光谱分别按各自谱线范围内强度的最大值进行归一化处理；
步骤四：基于偏最小二乘法进行模型建立
将得到的归一化荧光光谱使用全光谱的偏最小二乘法进行建模，将温度与光谱数据之间进行映射的建立，得到根据光谱数据进行温度反演的模型，首先根据偏最小二乘法对光谱矩阵X和变量矩阵Y矩阵做主成分分解：
式中，光谱矩阵X为不同温度的甲苯荧光光谱矩阵，变量矩阵Y为温度值，T和U分别表示X和Y的得分矩阵，P和Q分别表示X和Y的主成分矩阵，上标T表示对P和Q矩阵求转置，Ey和Ex分别表示运用偏最小二乘法进行拟合X和Y时引入的残差矩阵，
之后对T和U矩阵做线性回归分析，N表示关联系数矩阵，则得到：
根据矩阵计算通过未知温度的甲苯荧光光谱矩阵X未知即可得到对应的未知的温度值Y未知：
Y 未知＝T 未知NQ＝X 未知PΤNQ (3)
式中，T未知表示X未知的得分矩阵；
步骤五：真实流场的温度测量
将甲苯投放到真实流场中，使用光谱仪进行流场观测区域的甲苯的荧光光谱测量，根据步骤四建立的模型进行温度的反演即可得到真实流场的温度结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明得到的温度模型具有普适性，不会随流场环境的变化而变化，在进行温度场测量时不需要进行标定，可以避免因标定而带来的测量误差，适用于不同的测量需求，通过不同的测量方法，可以实现流场一维、二维、三维的测量需求，也可实现不同时刻的温度的测量，具有较高的灵活性。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是实施例中不同温度的甲苯的荧光光谱；
图3是实施例中部分归一化处理的甲苯的荧光光谱；
图4是实施例中偏最小二乘建模得到的模型结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种基于LIF技术的免标定非侵入式流场温度测量方法，包括以下步骤：
步骤一：设定光谱仪及激光器的参数
在进行甲苯的荧光光谱测量前，需要对光谱仪的参数进行设定，使用的光谱仪不局限于种类，但光谱仪的测量波长范围应涵盖260-330nm，以覆盖甲苯的荧光光谱范围。使用的激光器选择Nd:YAG固体激光器，激光器输出激光经四倍频后得到266nm激光，依此作为甲苯的激发光。其中，光谱仪探测荧光信号的门宽为百ns级，保证探测的信噪比，光谱仪与激光器之间通过时序控制系统进行控制；
步骤二：设定实验甲苯气体的浓度及压力
室温下甲苯的饱和蒸汽压为3kPa，约占总体的3％，且随着温度升高，甲苯的饱和蒸汽压增大，通过示踪剂发生器，产生纯甲苯蒸汽通入到标定装置中，根据压力表确定通入纯甲苯蒸汽的压力，压力表的示数不超过3kPa，然后通入氮气到总压为101kPa。此时，甲苯的浓度不超过3％，保证了探测的荧光信号强度，也控制了探测的单一变量；
步骤三：进行不同温度的甲苯荧光光谱测量
测量得到甲苯在温度范围不超过600℃下不同温度的荧光光谱，在范围内共测量25个以上温度点，将得到的光谱分别按各自谱线范围内强度的最大值进行归一化处理；
步骤四：基于偏最小二乘法进行模型建立
将得到的归一化荧光光谱使用全光谱的偏最小二乘法(PLS)进行建模，将温度与光谱数据之间进行映射的建立，得到根据光谱数据进行温度反演的模型。PLS算法可以使用建模样本的光谱矩阵和浓度矩阵的主成分，在计算过程中不需要计算逆矩阵，应用简单，PLS算法也可以降低高维光谱数据信息的维数。数据降维方法与主成分回归分析方法相似，即提取光谱中的多个主成分，不同的主成分对光谱有不同的贡献，选择适当数量的主成分，去除有干扰的主成分，并选择具有重要信息的主成分参与建模。光谱的有用信息将在PLS处理后应用，并且建立的模型不仅实用而且难以改变。具体的，光谱矩阵和变量矩阵同时用PLS算法进行分解和计算，基本原理如下：光谱矩阵X为不同温度的甲苯荧光光谱矩阵，变量矩阵Y为温度值，首先根据偏最小二乘法对X和Y矩阵做主成分分解：
式中，T和U分别表示X和Y的得分矩阵，P和Q分别表示X和Y的主成分矩阵，上标T表示对P和Q矩阵求转置，Ey和Ex分别表示运用PLS算法进行拟合X和Y时引入的残差矩阵。
之后对T和U矩阵做线性回归分析，N表示关联系数矩阵，则得到：
这样在对温度做预测的时候，通过未知温度的甲苯荧光光谱矩阵X未知以及通过模型建立得到的主成分矩阵P，就可以求出未知的得分矩阵T未知，进而求得此时的未知温度Y未知：
Y 未知＝T 未知NQ＝X 未知PΤNQ (3)
式中，T未知表示X未知的得分矩阵；
步骤五：真实流场的温度测量
根据流场的特点选择测量温度的维度，测量可以是一个点，也可以是根据透镜成像获取的一条线，或根据光纤成像整合到光谱仪后可还原的二维与三维成像。测量时，将甲苯投放到真实流场中，使用光谱仪进行流场观测区域的甲苯的荧光光谱测量，根据步骤四建立的模型进行温度的反演即可得到真实流场的温度结果。
本发明方法的原理在于：
首先通过温度范围在常温到600℃之间的标定装置获取甲苯在不同温度下的荧光光谱。当温度超过600℃后，甲苯会裂解进而生成其他物质。
甲苯的荧光光谱范围为260nm-330nm，因此使用的光谱仪测量的测量波长范围应涵盖上述甲苯的荧光光谱范围。
甲苯的吸收光谱主要介于紫外区，且相关研究表明甲苯在266nm激光激发下，光谱红移仅由温度变化影响。因此，本发明方法使用的激光器限定为Nd:YAG固体激光器，输出1064nm激光经四倍频后得到用于激发甲苯荧光的266nm激光。
室温下，甲苯的饱和蒸汽压为3kPa，因此甲苯的最高浓度为3％，在标定装置中应保证甲苯的浓度不超过3％以防止甲苯液化，而在标定装置中，压力为101kPa，不足的由氮气补足。
甲苯的荧光光谱测量的温度范围不超过600℃，在测量的温度范围共选取25个以上温度点，得到不同温度点下的甲苯的荧光光谱，温度点的数量越多，后续建立的模型准确性越高。
测量不同温度下的甲苯的荧光光谱，得到的光谱按照各自波长范围内的强度最大值进行归一化处理。
对不同温度甲苯的归一化荧光光谱的测量波段全光谱使用偏最小二乘法进行回归，根据不同温度甲苯的荧光光谱得到由光谱反演温度场的模型。
根据得到的模型，可以用于流场测量中通过光谱来反演真实的温度分布结果。
实施例
设定光谱仪的测量波长范围为240-350nm，使用激光器为Nd:YAG固体激光器，经四倍频输出得到266nm激光。实验设定甲苯的浓度为3％，光谱仪探测荧光信号的门宽为100ns。实验测量了22-200℃甲苯的荧光光谱，测量共35个点，不同温度的甲苯的荧光光谱结合图2所示。根据得到的光谱进行各自谱线范围内强度最大值的归一化，部分归一化处理的甲苯的荧光光谱结合图3所示。使用偏最小二乘法进行模型的建立，得到的模型结合图4所示，预测结果与真实结果之间的相关性为0.9945，具有较好的相关性，表明了模型的准确性较高，即可以通过给出光谱数据通过模型就可以得到温度的信息，后续可以通过得到的模型进行温度的测量。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (3)
1.一种基于LIF技术的免标定非侵入式流场温度测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：设定光谱仪及激光器的参数
光谱仪的测量波长范围应涵盖260-330nm，激光器选择Nd:YAG固体激光器，激光器输出激光经四倍频后得到266nm激光，光谱仪与激光器之间通过时序控制系统进行控制；
步骤二：设定实验甲苯气体的浓度及压力
将纯甲苯蒸汽通入到标定装置中，甲苯的浓度不超过3％，然后通入氮气到总压为101kPa；
步骤三：进行不同温度的甲苯荧光光谱测量
测量得到甲苯在温度范围不超过600℃下不同温度的荧光光谱，在范围内共测量多个温度点，将得到的光谱分别按各自谱线范围内强度的最大值进行归一化处理；
步骤四：基于偏最小二乘法进行模型建立
将得到的归一化荧光光谱使用全光谱的偏最小二乘法进行建模，将温度与光谱数据之间进行映射的建立，得到根据光谱数据进行温度反演的模型，首先根据偏最小二乘法对光谱矩阵X和变量矩阵Y做主成分分解：
式中，光谱矩阵X为不同温度的甲苯荧光光谱矩阵，变量矩阵Y为温度值，T和U分别表示X和Y的得分矩阵，P和Q分别表示X和Y的主成分矩阵，上标T表示对P和Q矩阵求转置，Ey和Ex分别表示运用偏最小二乘法进行拟合X和Y时引入的残差矩阵，
之后对T和U矩阵做线性回归分析，N表示关联系数矩阵，则得到：
根据矩阵计算通过未知温度的甲苯荧光光谱矩阵X未知即可得到对应的未知的温度值Y未知：
Y 未知＝T 未知NQ＝X 未知PΤNQ (3)
式中，T未知表示X未知的得分矩阵；
步骤五：真实流场的温度测量
将甲苯投放到真实流场中，使用光谱仪进行流场观测区域的甲苯的荧光光谱测量，根据步骤四建立的模型进行温度的反演即可得到真实流场的温度结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于LIF技术的免标定非侵入式流场温度测量方法，其特征在于：所述步骤一中光谱仪探测荧光信号的门宽为百ns级。
3.根据权利要求1所述的一种基于LIF技术的免标定非侵入式流场温度测量方法，其特征在于：所述步骤三中测量的温度点在25个以上。
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