航空發(fā)動機光學(xué)測試方法

1、航空發(fā)動機光學(xué)測量方法激光多普勒(LDV)測速相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)測溫激光誘導(dǎo)熒光(LIF)測溫激光散斑測量應(yīng)變激光多普勒測速激光多普勒測速原理：用一束單色激光照射到隨流體一起運動的微粒上，測出其散射光相對入射光的頻率偏移，即多普勒頻移，進而確定流速。靜止光源S發(fā)出頻率為f0的單色光，入射到與被測流體一起運動(速度為 )的微粒P上，經(jīng)過一次多普勒效應(yīng)，微粒接收到的光頻為pv經(jīng)過二次多普勒效應(yīng)，探測器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速雙散射光束型多普勒測速檢測散射光和入射光之間的頻移檢測兩束散射光之間的頻差激光多普勒測速雙散射光束型多普勒測速原理激光多普勒測速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)運動微粒散射進入探測器，光頻分別為f+fD1和f+fD2，兩光波疊加實現(xiàn)拍頻干涉，當(dāng)速度V如圖中所示方向時，干涉光拍頻與多普勒頻移相等，為122cossin2442sin2DDffVV激光多普勒測速采用Bragg Cell對光頻進行調(diào)制光電探測器接收到的信號為E所示的調(diào)制信號，信

3、號頻率即為多普勒頻移，對應(yīng)于粒子速度。雙散射光束型多普勒測速原理激光多普勒測速公司型號精度測速范圍測量范圍可重復(fù)性德國ElovisSpeed 0.05 %0m/min4800m/min500mm+/-20mm 英國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)測溫原理相干反斯托克斯拉曼散射(CARS

4、)測溫pspaPumpStokesProbeCARS2apsp頻率為vp=v1的泵浦束和頻率為vs=v2的探測束（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。431234312kkkk131212aCARS相位匹配原理相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)測溫氣體固液反斯托克斯拉曼光產(chǎn)生時的波矢匹配角 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才可實現(xiàn)相位匹配三階非線性極化率的表達式： 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)長度；光束強度0lI 3jjnrji其中： 、 為組分第j階躍遷諧振極化率的實、虛分量，這些組分的拉曼諧振j正是要被檢測； 為非諧振電子背景極化率。nr 240222242444jjjjjjjjjjjjjsjjcKKTKNh其中：N為待測組分的數(shù)密度； 為引起j階躍遷能級間的相對布居差。 jTCARS信號強度與譜特征相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)測溫假設(shè)氣相介質(zhì)的折射率為1，單色激光源、頻率va的CARS信號強度為CARS光強及介質(zhì)三階非線性極化率表達式構(gòu)成了CARS技術(shù)的理論基礎(chǔ)，給出了將CARS信號與基本物理量相聯(lián)系的途徑。CARS信號強度與譜特征相干反斯托克斯拉曼散射(CA

6、RS)測溫 待測的燃燒產(chǎn)物組分特征正是根據(jù)CARS譜的特征形狀（信號強度隨頻率的變化）和輻射強度來測量。 溫度信息：三階非線性極化率正比于CARS過程所涉及的能級間粒子數(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測溫的基礎(chǔ)。 濃度信息：基于CARS信號的強度。非共振CARS信號的作用，組分濃度在一定范圍內(nèi)對光譜線型有明顯影響。溫度與各頻率處光強呈非線性關(guān)系，光強分布(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信號的分析處理將是一項艱巨工作。相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)測溫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處會合，染料激光從中心斜孔穿過，而泵浦光則通過反射而成為一個環(huán)形光束，染料激光位于環(huán)形光束的中心。實驗裝置原理圖相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)測溫3) 通過AM調(diào)制后的兩束激光，由透鏡L1聚焦到測量點。在焦點附近兩束激光的重合區(qū)域即為CARS的測量區(qū)域。4) 從樣品中出射的激光和信號光首先經(jīng)過與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。剩余的激光和信號光再經(jīng)過干涉濾波片F(xiàn)，濾

8、除激光。實驗裝置原理圖相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)測溫5) 信號被最終送入光纖前，還需要對其進行空間濾波。6) 信號光被光纖傳送到光譜儀后，ICCD在光譜儀的出口對光譜成像，而后送入計算機處理。實驗裝置原理圖N2分子的Q支CARS光譜 (a)實驗譜 (b)計算譜注：因氮是供氣燃燒的主要組分，且在燃燒過程中保持不變，故為理想的溫度指示器。相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)測溫CARS測溫高溫火焰(1730C)相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)測溫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)動機燃燒研究中的應(yīng)用D. 國防科學(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. 飛秒CARS在分子超快動力學(xué)與氣體燃燒測溫中的應(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: 1744-1750.參考文獻相

12、干反斯托克斯拉曼散射(CARS)測溫激光誘導(dǎo)熒光(LIF)測溫原理 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)激光的波長使它通過分子的吸收譜帶，就可以把熒光強度描繪成激發(fā)激光波長的函數(shù)，得到熒光激發(fā)光譜。 從熒光的分布，可以探測樣品粒子的種類；從熒光的強弱，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，而且測量樣品時無需進行復(fù)雜的預(yù)處理，便于在線分析。激光誘導(dǎo)熒光(LIF)測溫 高空間分辨：可達到微米量級。 快速時間響應(yīng)：時間

13、分辨最高可達納秒量級，可對自由基等瞬態(tài)物質(zhì)壽命進行檢測。 高靈敏度：探測下限最高可達106個粒子/cm3。 干擾?。和ㄟ^激光激發(fā)，而不涉及接觸式的探針等器件，對等離子體，燃燒等干擾相對較小。原理 LIF 檢測系統(tǒng)主要包括激光器、檢測光路、光電探測器、信號處理模塊。 目前常用的激光器是氣體激光器，該類激光器結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，對應(yīng)于這些激光器的發(fā)射波長，有很多商品化的熒光探針。 激光誘導(dǎo)熒光檢測器為正交型，即入射光、流動池和熒光檢測三者相互垂直。激光誘導(dǎo)熒光(LIF)測溫LIF檢測系統(tǒng)激光器（光源）激光器（光源）熒光檢測器熒光檢測器激光誘導(dǎo)熒光(LIF)測溫LIF分類TextTextTextTe

14、xtTextText測量目的測量物質(zhì)液體LIF氣體LIF燃燒LIF測量手段示蹤LIF產(chǎn)物分析LIF濃度測量溫度測量LIF分類分類激光誘導(dǎo)熒光(LIF)測溫實驗裝置原理圖1) Nd:YAG輸出的532mn的激光進入染料激光器。當(dāng)激發(fā)光源波長落在200600nm范圍內(nèi)時，能夠?qū)ψ杂苫碾娮討B(tài)進行激發(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，因此實際上可見光和紫外光激發(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)測溫實驗裝置原理圖2) 倍頻器輸出的紫外激光經(jīng)過擴束，由柱面鏡和長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，方便透鏡及光纖對準(zhǔn)測量區(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，對光譜進行成像。 激光誘導(dǎo)熒光(LIF)測溫LIF檢測系統(tǒng)PLIF平面激光誘導(dǎo)熒光火焰燃燒檢測系統(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 碳煙濃度和初級粒徑激光誘導(dǎo)熒光(LIF)測溫公司型號檢測項目特點說明丹麥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或瑞利測溫進行多參數(shù)測量激光誘導(dǎo)熒光測火焰溫度屬于一項技術(shù)，沒有現(xiàn)成產(chǎn)品，需要定制。美國Laser Technology Inc.濃度和速度測量PLIF系統(tǒng)濃度場、溫度場測量與PIV系統(tǒng)無縫集成，滿足速度與濃度同時測量商用產(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)動機燃燒研究中的應(yīng)用D. 國防科學(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): 2911-2919.參考文獻激光誘導(dǎo)熒光(LIF)測溫在激光照射漫射體產(chǎn)生的散斑場中，引入另一相干光束，或者另一不同的散斑場與之干涉，就會產(chǎn)生新的散斑場。當(dāng)漫射表面產(chǎn)生位移、形變、振動時，干涉散斑圖樣隨之變化，根據(jù)這一原理可測定物體變化的情況。 激光散斑測量應(yīng)變原理激光散斑平面外位移測量裝置CCD接收到的光強為其中，d=(u, v, w)表示測量面的變形矢量，因此通過測量相位變化的大小即可得到測量面的變形情況。激光散斑測量應(yīng)變激光散斑面內(nèi)位移測量裝置測量原理與平面外位移測量裝置類似，只是相位變化項略有區(qū)別。因此位移測量的核心是對測量面變形前后的激光散斑的相位項和+的解調(diào)。四步時間相移技術(shù)通過PZT對相位進行調(diào)制，從光強中解調(diào)出相位項。102030404213I =I 1+