航空發(fā)動(dòng)機(jī)光學(xué)測(cè)試方法

1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)光學(xué)測(cè)量方法激光多普勒(LDV)測(cè)速相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)測(cè)溫激光誘導(dǎo)熒光(LIF)測(cè)溫激光散斑測(cè)量應(yīng)變激光多普勒測(cè)速激光多普勒測(cè)速原理：用一束單色激光照射到隨流體一起運(yùn)動(dòng)的微粒上，測(cè)出其散射光相對(duì)入射光的頻率偏移，即多普勒頻移，進(jìn)而確定流速。靜止光源S發(fā)出頻率為f0的單色光，入射到與被測(cè)流體一起運(yùn)動(dòng)(速度為 )的微粒P上，經(jīng)過(guò)一次多普勒效應(yīng)，微粒接收到的光頻為pv經(jīng)過(guò)二次多普勒效應(yīng)，探測(cè)器D處接收到的散射光頻為00(1/ )pffvec 00(1()/ )Dpsffveec常采用差頻法測(cè)量多普勒頻移，即將入射光與散射光混頻，兩束光“混頻”產(chǎn)生的拍頻信號(hào)的頻率就是多普勒頻

2、移。多普勒頻移為001()Dpsfffvee 多普勒頻移與粒子在 方向上的投影速度成正比。0see參考光束型多普勒測(cè)速雙散射光束型多普勒測(cè)速檢測(cè)散射光和入射光之間的頻移檢測(cè)兩束散射光之間的頻差激光多普勒測(cè)速雙散射光束型多普勒測(cè)速原理激光多普勒測(cè)速2cossin2DVf采用左圖標(biāo)注多普勒頻移表示為兩束頻率同為f的入射光經(jīng)運(yùn)動(dòng)微粒散射進(jìn)入探測(cè)器，光頻分別為f+fD1和f+fD2，兩光波疊加實(shí)現(xiàn)拍頻干涉，當(dāng)速度V如圖中所示方向時(shí)，干涉光拍頻與多普勒頻移相等，為122cossin2442sin2DDffVV激光多普勒測(cè)速采用Bragg Cell對(duì)光頻進(jìn)行調(diào)制光電探測(cè)器接收到的信號(hào)為E所示的調(diào)制信號(hào)，信

3、號(hào)頻率即為多普勒頻移，對(duì)應(yīng)于粒子速度。雙散射光束型多普勒測(cè)速原理激光多普勒測(cè)速公司型號(hào)精度測(cè)速范圍測(cè)量范圍可重復(fù)性德國(guó)ElovisSpeed 0.05 %0m/min4800m/min500mm+/-20mm 英國(guó)PtotonSLM2002000.05%0.8m/min10000m/min200mm0.02%新加坡舜宇SLV-S02v2 調(diào)諧v2使v1-v2=v v ：介質(zhì)內(nèi)某一拉曼散射的頻移值 v 與 v3 相互作用，產(chǎn)生相干信號(hào)光束 v4=v3(v1-v2)=v3v 第四束波的空間方向 k4=k3 (k1-k2)原理相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)測(cè)溫原理相干反斯托克斯拉曼散射(CARS

4、)測(cè)溫pspaPumpStokesProbeCARS2apsp頻率為vp=v1的泵浦束和頻率為vs=v2的探測(cè)束（即由泵浦束頻率與拉曼頻移之差而成的斯托克斯束）借助幾何匹配技術(shù)被混頻。激光通過(guò)三階非線性極化率同介質(zhì)相互作用產(chǎn)生頻率為va的振蕩偏振，并發(fā)出CARS信號(hào)。431234312kkkk131212aCARS相位匹配原理相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)測(cè)溫氣體固液反斯托克斯拉曼光產(chǎn)生時(shí)的波矢匹配角 氣體：三束波按同一方向?qū)崿F(xiàn)相位匹配作用 固/液體：兩入射光成一定夾角入射時(shí)才可實(shí)現(xiàn)相位匹配三階非線性極化率的表達(dá)式： 323220aapsII Ilc其中：c光速； 自由空間介質(zhì)的介電常數(shù)；

5、光束相交區(qū)長(zhǎng)度；光束強(qiáng)度0lI 3jjnrji其中： 、 為組分第j階躍遷諧振極化率的實(shí)、虛分量，這些組分的拉曼諧振j正是要被檢測(cè)； 為非諧振電子背景極化率。nr 240222242444jjjjjjjjjjjjjsjjcKKTKNh其中：N為待測(cè)組分的數(shù)密度； 為引起j階躍遷能級(jí)間的相對(duì)布居差。 jTCARS信號(hào)強(qiáng)度與譜特征相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)測(cè)溫假設(shè)氣相介質(zhì)的折射率為1，單色激光源、頻率va的CARS信號(hào)強(qiáng)度為CARS光強(qiáng)及介質(zhì)三階非線性極化率表達(dá)式構(gòu)成了CARS技術(shù)的理論基礎(chǔ)，給出了將CARS信號(hào)與基本物理量相聯(lián)系的途徑。CARS信號(hào)強(qiáng)度與譜特征相干反斯托克斯拉曼散射(CA

6、RS)測(cè)溫 待測(cè)的燃燒產(chǎn)物組分特征正是根據(jù)CARS譜的特征形狀（信號(hào)強(qiáng)度隨頻率的變化）和輻射強(qiáng)度來(lái)測(cè)量。 溫度信息：三階非線性極化率正比于CARS過(guò)程所涉及的能級(jí)間粒子數(shù)密度差，而粒子數(shù)的布居與溫度密切相關(guān)，在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，服從玻爾茲曼分布，這是CARS測(cè)溫的基礎(chǔ)。 濃度信息：基于CARS信號(hào)的強(qiáng)度。非共振CARS信號(hào)的作用，組分濃度在一定范圍內(nèi)對(duì)光譜線型有明顯影響。溫度與各頻率處光強(qiáng)呈非線性關(guān)系，光強(qiáng)分布(線型)還與壓力、微分散射截面以及譜線加寬、激光線寬等多種因素相關(guān)，所以CARS信號(hào)的分析處理將是一項(xiàng)艱巨工作。相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)測(cè)溫1) Nd:YAG激光器發(fā)出的532

7、nm激光在BS1上分為兩束，反射光作為CARS泵浦光，而透射光則作為染料激光的泵浦光源。2) 經(jīng)M1、M2反射的CARS泵浦光和染料激光在打有45度斜孔的環(huán)形反射鏡AM處會(huì)合，染料激光從中心斜孔穿過(guò)，而泵浦光則通過(guò)反射而成為一個(gè)環(huán)形光束，染料激光位于環(huán)形光束的中心。實(shí)驗(yàn)裝置原理圖相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)測(cè)溫3) 通過(guò)AM調(diào)制后的兩束激光，由透鏡L1聚焦到測(cè)量點(diǎn)。在焦點(diǎn)附近兩束激光的重合區(qū)域即為CARS的測(cè)量區(qū)域。4) 從樣品中出射的激光和信號(hào)光首先經(jīng)過(guò)與L1共焦的透鏡L2準(zhǔn)直，而后平行射向雙色鏡DM。DM又稱為短波通，其作用是將大部分激光濾除。剩余的激光和信號(hào)光再經(jīng)過(guò)干涉濾波片F(xiàn)，濾

8、除激光。實(shí)驗(yàn)裝置原理圖相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)測(cè)溫5) 信號(hào)被最終送入光纖前，還需要對(duì)其進(jìn)行空間濾波。6) 信號(hào)光被光纖傳送到光譜儀后，ICCD在光譜儀的出口對(duì)光譜成像，而后送入計(jì)算機(jī)處理。實(shí)驗(yàn)裝置原理圖N2分子的Q支CARS光譜 (a)實(shí)驗(yàn)譜 (b)計(jì)算譜注：因氮是供氣燃燒的主要組分，且在燃燒過(guò)程中保持不變，故為理想的溫度指示器。相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)測(cè)溫CARS測(cè)溫高溫火焰(1730C)相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)測(cè)溫EKSPLA CARS光譜儀除了CARS光譜儀外，不同CARS應(yīng)用需要搭建不同的CARS測(cè)試結(jié)構(gòu)，因此此類產(chǎn)品大多屬于定制。1 李麥亮. 激光光譜

9、診斷技術(shù)及其在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒研究中的應(yīng)用D. 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2004.2 劉正帆. 基于光纖束的相干反斯托克斯拉曼散射顯微內(nèi)窺成像系統(tǒng)研究D. 北京理工大學(xué), 2015.3 趙陽(yáng). 飛秒CARS在分子超快動(dòng)力學(xué)與氣體燃燒測(cè)溫中的應(yīng)用研究D. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2015.4 http:/ /sites//files/Al1-11.pdf.6 http:/ Roy S, Gord J R, Patnaik A K. Recent advances in coherent a

10、nti-Stokes Raman scattering spectroscopy: Fundamental developments and applications in reacting flowsJ. Progress in Energy and Combustion Science, 2010, 36(2): 280-306.8 Bohlin A, et al. Development of two-beam femtosecond/picosecond one-dimensional rotational coherent anti-Stokes Raman spectroscopy

11、: Time-resolved probing of flame wall interactionsJ. Proceedings of the Combustion Institute, 2015, 35(3): 3723-3730.9 Slipchenko M N, Cheng J X. Nonlinear Raman Spectroscopy: Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS)M. Encyclopedia of Biophysics. Springer Berlin Heidelberg, 2013: 1744-1750.參考文獻(xiàn)相

12、干反斯托克斯拉曼散射(CARS)測(cè)溫激光誘導(dǎo)熒光(LIF)測(cè)溫原理 利用一束脈沖激光將特定分子（或離子）由電子基態(tài)激發(fā)至激發(fā)態(tài)，稍后測(cè)量分子由電子激發(fā)態(tài)馳豫放出的光子，掃描激發(fā)激光的波長(zhǎng)使它通過(guò)分子的吸收譜帶，就可以把熒光強(qiáng)度描繪成激發(fā)激光波長(zhǎng)的函數(shù)，得到熒光激發(fā)光譜。 從熒光的分布，可以探測(cè)樣品粒子的種類；從熒光的強(qiáng)弱，可得知粒子的濃度以及溫度；利用其空間分辨性還可以測(cè)量粒子的空間濃度/溫度分布。 與普通的熒光光譜技術(shù)相比，具有更高的靈敏度、信噪比和光譜分辨率等優(yōu)點(diǎn)，而且測(cè)量樣品時(shí)無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理，便于在線分析。激光誘導(dǎo)熒光(LIF)測(cè)溫 高空間分辨：可達(dá)到微米量級(jí)。 快速時(shí)間響應(yīng)：時(shí)間

13、分辨最高可達(dá)納秒量級(jí)，可對(duì)自由基等瞬態(tài)物質(zhì)壽命進(jìn)行檢測(cè)。 高靈敏度：探測(cè)下限最高可達(dá)106個(gè)粒子/cm3。 干擾?。和ㄟ^(guò)激光激發(fā)，而不涉及接觸式的探針等器件，對(duì)等離子體，燃燒等干擾相對(duì)較小。原理 LIF 檢測(cè)系統(tǒng)主要包括激光器、檢測(cè)光路、光電探測(cè)器、信號(hào)處理模塊。 目前常用的激光器是氣體激光器，該類激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，對(duì)應(yīng)于這些激光器的發(fā)射波長(zhǎng)，有很多商品化的熒光探針。 激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)器為正交型，即入射光、流動(dòng)池和熒光檢測(cè)三者相互垂直。激光誘導(dǎo)熒光(LIF)測(cè)溫LIF檢測(cè)系統(tǒng)激光器（光源）激光器（光源）熒光檢測(cè)器熒光檢測(cè)器激光誘導(dǎo)熒光(LIF)測(cè)溫LIF分類TextTextTextTe

14、xtTextText測(cè)量目的測(cè)量物質(zhì)液體LIF氣體LIF燃燒LIF測(cè)量手段示蹤LIF產(chǎn)物分析LIF濃度測(cè)量溫度測(cè)量LIF分類分類激光誘導(dǎo)熒光(LIF)測(cè)溫實(shí)驗(yàn)裝置原理圖1) Nd:YAG輸出的532mn的激光進(jìn)入染料激光器。當(dāng)激發(fā)光源波長(zhǎng)落在200600nm范圍內(nèi)時(shí)，能夠?qū)ψ杂苫碾娮討B(tài)進(jìn)行激發(fā)，這是目前的染料激光器及激光倍頻器配合后容易覆蓋的區(qū)域，因此實(shí)際上可見(jiàn)光和紫外光激發(fā)熒光光譜在燃燒診斷中應(yīng)用比較廣泛。激光誘導(dǎo)熒光(LIF)測(cè)溫實(shí)驗(yàn)裝置原理圖2) 倍頻器輸出的紫外激光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束，由柱面鏡和長(zhǎng)焦透鏡組成的透鏡組整形為截面為0.215mm2片光。將光束調(diào)制成有一定寬度的片光源而不是聚焦，是為

15、了在保持一定空間分辨能力的同時(shí)，方便透鏡及光纖對(duì)準(zhǔn)測(cè)量區(qū)域，并且保證激光處于線性激發(fā)區(qū)域。3) ICCD被安裝在光譜儀出口，對(duì)光譜進(jìn)行成像。 激光誘導(dǎo)熒光(LIF)測(cè)溫LIF檢測(cè)系統(tǒng)PLIF平面激光誘導(dǎo)熒光火焰燃燒檢測(cè)系統(tǒng)(Planar Laser Induced Fluorescence Flame Analyzer)提供信息： 燃料激光誘導(dǎo)熒光(LIF)成像， 空氣-燃料混合 火焰前鋒可視化成像 火焰自由基分布(OH, NO, CH .) 火焰結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性 火焰和碳煙的溫度 碳煙濃度和初級(jí)粒徑激光誘導(dǎo)熒光(LIF)測(cè)溫公司型號(hào)檢測(cè)項(xiàng)目特點(diǎn)說(shuō)明丹麥Dantec DynamicsCombust

16、ion LIF燃燒自由基的成像；火焰前端可視化；燃油分配結(jié)合PIV或瑞利測(cè)溫進(jìn)行多參數(shù)測(cè)量激光誘導(dǎo)熒光測(cè)火焰溫度屬于一項(xiàng)技術(shù)，沒(méi)有現(xiàn)成產(chǎn)品，需要定制。美國(guó)Laser Technology Inc.濃度和速度測(cè)量PLIF系統(tǒng)濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)測(cè)量與PIV系統(tǒng)無(wú)縫集成，滿足速度與濃度同時(shí)測(cè)量商用產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)1 李麥亮. 激光光譜診斷技術(shù)及其在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒研究中的應(yīng)用D. 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2004.2 http:/www.forbrf.lth.se/english/research/measurement-methods/laser-induced-fluorescence-lif/.3 http:/

17、 http:/ Cho K Y, Satija A, Pourpoint T L, et al. Time-Resolved 3D OH Planar Laser-Induced Fluorescence System for Multiphase CombustionC. US National Combustion Meeting. 2013.6 Leermakers C A J, Musculus M P B. In-cylinder soot precursor growth in a low-temperature combustion diesel engine: Laser-in

18、duced fluorescence of polycyclic aromatic hydrocarbonsJ. Proceedings of the Combustion Institute, 2015, 35(3): 3079-3086.7 Kaiser S A, Schild M, Schulz C. Thermal stratification in an internal combustion engine due to wall heat transfer measured by laser-induced fluorescenceJ. Proceedings of the Com

19、bustion Institute, 2013, 34(2): 2911-2919.參考文獻(xiàn)激光誘導(dǎo)熒光(LIF)測(cè)溫在激光照射漫射體產(chǎn)生的散斑場(chǎng)中，引入另一相干光束，或者另一不同的散斑場(chǎng)與之干涉，就會(huì)產(chǎn)生新的散斑場(chǎng)。當(dāng)漫射表面產(chǎn)生位移、形變、振動(dòng)時(shí)，干涉散斑圖樣隨之變化，根據(jù)這一原理可測(cè)定物體變化的情況。 激光散斑測(cè)量應(yīng)變?cè)砑す馍咂矫嫱馕灰茰y(cè)量裝置CCD接收到的光強(qiáng)為其中，d=(u, v, w)表示測(cè)量面的變形矢量，因此通過(guò)測(cè)量相位變化的大小即可得到測(cè)量面的變形情況。激光散斑測(cè)量應(yīng)變激光散斑面內(nèi)位移測(cè)量裝置測(cè)量原理與平面外位移測(cè)量裝置類似，只是相位變化項(xiàng)略有區(qū)別。因此位移測(cè)量的核心是對(duì)測(cè)量面變形前后的激光散斑的相位項(xiàng)和+的解調(diào)。四步時(shí)間相移技術(shù)通過(guò)PZT對(duì)相位進(jìn)行調(diào)制，從光強(qiáng)中解調(diào)出相位項(xiàng)。102030404213I =I 1+