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)過一次多普勒效應(yīng)，微粒接收到的光頻為,經(jīng)過二次多普勒效應(yīng)，探測(cè)器D處接收到的散射光頻為,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

2、勒頻移。,多普勒頻移為,多普勒頻移與粒子在 方向上的投影速度成正比。,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,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

3、，為,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,商用產(chǎn)品技術(shù)參數(shù),[1] http://www.dantecdynamics.com/docs/products-and-services/general-literature/Laser_Doppler_Anemometry_318.pdf.[2

4、] LDV.pdf.（附件）[3] LDA.text.pdf. （附件）[4] 李秀明. 用于彈丸速度測(cè)量的激光多普勒測(cè)速技術(shù)研究[D]. 天津大學(xué), 2014.[5] 王蒙蒙. 基于激光多普勒測(cè)速方法的聚合物熔體拉伸流動(dòng)行為研究[D]. 華南理工大學(xué), 2013.[6] 張艷艷, 鞏軻, 何淑芳, 等. 激光多普勒測(cè)速技術(shù)進(jìn)展[J]. 激光與紅外, 2010, 40(11): 1157-1162.[7] http://www

5、.protonproducts.com.[8] http://www.elovis.de/de/produkte/produkt_2/uspeed.html.[9] http://www.sunnyoptical.com/001013001/p47.html.[10] http://www.protonproducts.com/products/sl-series/slm-series/.[11] https://www.ono

6、sokki.co.jp/CHN/hp_c/products/keisoku/soundvib/lv3800.htm.[12] http://www.optodyne.com/opnew5/DownloadFile/mcv5000web.pdf.[13] http://www.polytec.com/us/products/speed-and-length-sensors/.,參考文獻(xiàn),激光多普勒測(cè)速,自發(fā)拉曼散射光強(qiáng)很弱，測(cè)量不便。

7、實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著激光功率的提高，由強(qiáng)激光電場(chǎng)誘導(dǎo)的二次以上的高階極化現(xiàn)象越來越顯著。產(chǎn)生了一些新的拉曼散射現(xiàn)象：受激拉曼散射、受激拉曼增益散射與逆拉曼散射、相干斯托克斯拉曼散射與反斯托克斯拉曼散射、拉曼誘導(dǎo)克爾效應(yīng)等。這些新的拉曼散射共同特點(diǎn)是信號(hào)強(qiáng)度大，比自發(fā)拉曼散射光強(qiáng)提高109量級(jí)。用相干拉曼散射進(jìn)行光譜測(cè)量，發(fā)現(xiàn)了一些用自發(fā)拉曼散射無法發(fā)現(xiàn)的光譜信息。,概述,相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)測(cè)溫,1965年，Make

8、r和Terhune首先發(fā)現(xiàn)相干反斯托克斯效應(yīng)(CARS)，使CARS技術(shù)應(yīng)用于高分辨分子振動(dòng)光譜和溫度、濃度測(cè)試的研究。氣相CARS研究的一個(gè)應(yīng)用是對(duì)于燃燒體系中溫度和濃度的測(cè)量。,概述,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)測(cè)溫,CARS是一種特殊的四波混頻效應(yīng)。特點(diǎn)：三束入射光波中，兩束入射光的差頻與待測(cè)介質(zhì)的拉曼躍遷能級(jí)間隔產(chǎn)生共振，從而使三次非線性電極化率得到共振增強(qiáng)，并產(chǎn)生第四束向

9、高頻方向移動(dòng)的相干波信號(hào)，頻移值正好等于介質(zhì)拉曼光譜頻移值。,兩束強(qiáng)單色激光：v1, v2 v1：固定頻率；v2：可調(diào)諧，假設(shè)v1>v2 調(diào)諧v2使v1-v2=Δv Δv ：介質(zhì)內(nèi)某一拉曼散射的頻移值 Δv 與 v3 相互作用，產(chǎn)生相干信號(hào)光束 v4=v3±(v1-v2)=v3±Δv 第四束波的空間方向 k

10、4=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)測(cè)溫,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)。,,,CARS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

11、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：,其中：c光速； 自由空間介質(zhì)的介電常數(shù)；光束相交區(qū)長(zhǎng)度；光束強(qiáng)度,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。,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。,CARS信號(hào)強(qiáng)度與譜特

12、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(CARS)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)度來測(cè)量。溫度信息：三階非線性極化率正比于CARS過程所涉及

13、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)

14、出的532nm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，而泵浦光則通過反射而成為一個(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

15、區(qū)域。4) 從樣品中出射的激光和信號(hào)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(hào)光再經(jīng)過干涉濾波片F(xiàn)，濾除激光。,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

16、(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(1730°C),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)

17、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://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9783527628148.hoc028/pdf.[5] http://www.aerospa

18、celab-journal.org/sites/www.aerospacelab-journal.org/files/Al1-11.pdf.[6] http://www.oplanchina.com/channel_1044.html.[7] Roy S, Gord J R, Patnaik A K. Recent advances in coherent anti-Stokes Raman scattering spectrosc

19、opy: Fundamental developments and applications in reacting flows[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2010, 36(2): 280-306.[8] Bohlin A, et al. Development of two-beam femtosecond/picosecond one-dimensional ro

20、tational coherent anti-Stokes Raman spectroscopy: Time-resolved probing of flame wall interactions[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2015, 35(3): 3723-3730.[9] Slipchenko M N, Cheng J X. Nonlinear Raman Spect

21、roscopy: Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS)[M]. Encyclopedia of Biophysics. Springer Berlin Heidelberg, 2013: 1744-1750.,參考文獻(xiàn),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,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

22、光子，掃描激發(fā)激光的波長(zhǎng)使它通過分子的吸收譜帶，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)?？焖贂r(shí)間響應(yīng)：時(shí)間

23、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^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

24、相互垂直。,激光誘導(dǎo)熒光(LIF)測(cè)溫,LIF檢測(cè)系統(tǒng),激光誘導(dǎo)熒光(LIF)測(cè)溫,LIF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200~600nm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)

25、 倍頻器輸出的紫外激光經(jīng)過擴(kuò)束，由柱面鏡和長(zhǎng)焦透鏡組成的透鏡組整形為截面為0.2×15mm2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 Fluore

26、scence 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,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/

27、english/research/measurement-methods/laser-induced-fluorescence-lif/.[3] http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9783527628148.hoc028/pdf.[4] http://www.dantecdynamics.com/measurement-principles-for-combustion-lif[

28、5] Cho K Y, Satija A, Pourpoint T L, et al. Time-Resolved 3D OH Planar Laser-Induced Fluorescence System for Multiphase Combustion[C]. US National Combustion Meeting. 2013.[6] Leermakers C A J, Musculus M P B. In-cylind

29、er soot precursor growth in a low-temperature combustion diesel engine: Laser-induced fluorescence of polycyclic aromatic hydrocarbons[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2015, 35(3): 3079-3086.[7] Kaiser S A,

30、Schild M, Schulz C. Thermal stratification in an internal combustion engine due to wall heat transfer measured by laser-induced fluorescence[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2013, 34(2): 2911-2919.,參考文獻(xiàn),激光誘導(dǎo)熒

31、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,原理,激光散斑平面外位移測(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，因此通過測(cè)量相位變化Δ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

32、理與平面外位移測(cè)量裝置類似，只是相位變化項(xiàng)Δ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)Φ和Φ+Δ的解調(diào)。,四步時(shí)間相移技術(shù)通過PZT對(duì)相位進(jìn)行調(diào)制，從光強(qiáng)中解調(diào)出相位項(xiàng)。,激光散斑測(cè)量應(yīng)變,商用產(chǎn)品技術(shù)參數(shù),[1] Yang L, Xie X, Zhu L, et al. Review of electronic speckle pattern interferometry (ESPI) for three d

33、imensional displacement measurement[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2014, 27(1): 1-13.[2] Zhu L, Wang Y, Xu N, et al. Real-time monitoring of phase maps of digital shearography[J]. Optical Engineering, 20

34、13, 52(10): 101902-101902.[3] 潘海博. 焊接接頭應(yīng)變集中的激光散斑干涉精確測(cè)量方法研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2013.[4] http://www.dantecdynamics.com/3d-espi-system-q-300[5] http://www.laserndt.com/products/pdf/LTI-5100HD%20Data%20Sheet_1-08.pdf,參考文獻(xiàn),激光散斑測(cè)