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(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,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,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

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,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(jìn)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

3、，為,激光多普勒測速,采用Bragg Cell對光頻進(jìn)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,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. 用于彈丸速度測量的激光多普勒測速技術(shù)研究[D]. 天津大學(xué), 2014.[5] 王蒙蒙. 基于激光多普勒測速方法的聚合物熔體拉伸流動行為研究[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),激光多普勒測速,自發(fā)拉曼散射光強很弱，測量不便。

7、實驗研究發(fā)現(xiàn)，隨著激光功率的提高，由強激光電場誘導(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是信號強度大，比自發(fā)拉曼散射光強提高109量級。用相干拉曼散射進(jìn)行光譜測量，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光譜和溫度、濃度測試的研究。氣相CARS研究的一個應(yīng)用是對于燃燒體系中溫度和濃度的測量。,概述,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)測溫,CARS是一種特殊的四波混頻效應(yīng)。特點：三束入射光波中，兩束入射光的差頻與待測介質(zhì)的拉曼躍遷能級間隔產(chǎn)生共振，從而使三次非線性電極化率得到共振增強，并產(chǎn)生第四束向

9、高頻方向移動的相干波信號，頻移值正好等于介質(zhì)拉曼光譜頻移值。,兩束強單色激光：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)測溫,原理,相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)測溫,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。,,,CARS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

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才可實現(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)長度；光束強度,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。,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。,CARS信號強度與譜特

12、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(dá)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(CARS)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

13、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)

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

15、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(jìn)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

16、(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(1730°C),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. 激光光譜診斷技術(shù)及其在發(fā)動機燃燒研究中的應(yīng)用[D]. 國

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. 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://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

22、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(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理，便于在線分析。,激光誘導(dǎo)熒光(LIF)測溫,高空間分辨：可達(dá)到微米量級?？焖贂r間響應(yīng)：時間

23、分辨最高可達(dá)納秒量級，可對自由基等瞬態(tài)物質(zhì)壽命進(jìn)行檢測。高靈敏度：探測下限最高可達(dá)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

24、相互垂直。,激光誘導(dǎo)熒光(LIF)測溫,LIF檢測系統(tǒng),激光誘導(dǎo)熒光(LIF)測溫,LIF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(jìn)入染料激光器。當(dāng)激發(fā)光源波長落在200~600nm范圍內(nèi)時，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)

25、 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0.2×15mm2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，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(jìn)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 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粒徑,激光誘導(dǎo)熒光(LIF)測溫,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/

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Δ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

32、理與平面外位移測量裝置類似，只是相位變化項Δ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Φ和Φ+Δ的解調(diào)。,四步時間相移技術(shù)通過PZT對相位進(jìn)行調(diào)制，從光強中解調(diào)出相位項。,激光散斑測量應(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