本发明专利技术公开了一种可消除振动干扰的流场流速测量装置，包括标记激光器、显示激光器、ICCD相机和延迟发生器；标记激光器的输出激光经整形为线状光束，显示激光器的输出激光经整形为片状光束，标记激光的线状光束处于显示激光片状光束的所在的平面内，显示激光的片状光束处于待测流场内，ICCD相机正对片状光束成像，延迟发生器的三路延时输出端分别接标记激光器、显示激光器和ICCD相机。本发明专利技术在流场流动过程中拍摄标记激光瑞利散射光信号作为标记线一个时刻的图像，可以有效地减小分子标记速度测量技术中强振动对测量精度的影响，对目前常用的装置改动不大，且对流场没有特殊要求，适用性好。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种可消除振动干扰的流场流速测量装置，包括标记激光器、显示激光器、ICCD相机和延迟发生器；标记激光器的输出激光经整形为线状光束，显示激光器的输出激光经整形为片状光束，标记激光的线状光束处于显示激光片状光束的所在的平面内，显示激光的片状光束处于待测流场内，ICCD相机正对片状光束成像，延迟发生器的三路延时输出端分别接标记激光器、显示激光器和ICCD相机。本专利技术在流场流动过程中拍摄标记激光瑞利散射光信号作为标记线一个时刻的图像，可以有效地减小分子标记速度测量技术中强振动对测量精度的影响，对目前常用的装置改动不大，且对流场没有特殊要求，适用性好。【专利说明】
本专利技术属于流场速度测量相关
，特别是一种适用于强振动环境的分子标记速度技术中避免振动干扰的流场流速测量装置及方法。
技术介绍
在对流场特性的研究中，精确的速度测量对了解流场结构、流场动力学分析及数值计算模型修正具有重要意义。非接触的光学测量技术对流场无干扰、时空分辨率高，是目前常用的流场速度测量方法。光学的速度测量方法有激光多普勒测速技术(laser Dopplervelocimetry, LDV),粒子成像速度测量技术(particle image velocimetry, PIV)等。 分子标记速度测量技术(molecular tagging velocimetry, MTV)是直接探测流场某些分子速度的一种速度测量技术，它利用纳秒级脉冲激光与流场中特定分子的相互作用改变分子特性，在沿激光束的直线上产生可区别于流场其它位置，且具有一定寿命的标记分子，然后通过显示技术(激光诱导荧光等)对这些标记分子进行显示，在^和t2两个时刻拍摄标记分子的位置，得到标记分子的移动距离d，进而通过V = d/(trt2)计算得到流场速度V，其速度测量原理如图1所示。由于不需要在流场中撒入大质量的粒子，没有流场跟随性问题，因此分子标记技术能够得到高精度的速度测量结果。产生分子标记的方法有多种，比如利用波长193nm的ArF准分子激光解离流场中的水(H2O)分子可以沿激光束产生羟基(OH)，这些OH的存在寿命通常大于几十微妙，它们即为流场的标记分子。在OH的存在时间内，利用平面激光诱导羟基荧光(OH-PLIF)技术对它们进行显示，即可实现对流场的速度测量通常情况下，显示过程中h和t2的间隔要求不大于几个微秒，对于利用平面激光诱导荧光技术进行显示的标记分子，荧光持续时间短(几十纳秒)，显示所需的激光能量较强，因此要实现&和〖2两个时刻同时显示，所需的实验系统比较复杂。为了简化实验装置，较常使用的方法是，在实验前对静止的流场进行标记分子拍摄，记录静止状态标记分子位置作为A时刻的标记分子位置；在实验过程中，通过调整标记激光和显示激光之间的时间间隔td，记录标记分子在流场中t2 = 时刻的位置，在实验环境相对稳定的情况下，能够得到精确的速度测量结果。但是在流量较大的流场环境中(比如航空航天发动机试验台流场)，流动带来的强烈振动会引起设备的位移，若仍以静止状态下流场的标记图像作为h时刻图像会带来较大的测量误差。鉴于&和〖2的间隔通常为微秒级别，远小于机械振动周期(一般机械振动频率小于5000Hz)，因此只要在流动过程中能够同时拍摄tl和t2时刻标记分子图像，即可有效降低振动对测量结果的干扰。显然，再增加一套显示系统是可行的，但会显著增加设备的复杂程度。在先技术(Amber N.Perkins, Dual-Pulse Hydroxyl Tagging Velocimetry (HTV) inJet Engine Exhausts.AIAA2009-5108)通过一台可快速开关两次的相机依次记录标记激光诱导流场中的煤油荧光U1时刻)和显示激光诱导的标记分子荧光(t2时刻)来实现对振动干扰的抑制，为了使得标记分子荧光图像清晰，在相机镜头前加装可通过分子荧光带通滤光片。但由于标记分子荧光和流场中的煤油荧光在光谱上不重合，在保证t2时刻分子荧光图像清晰的同时，使得时刻煤油荧光图像信噪比大大降低。而且，不是所有的流场都存在煤油分子，这种方法适用范围较小。在先技术(Jennifer A.1nman, Laser-1nducedFluorescence Velocity Measurements in Supersonic Underexpanded Impinging Jets.AIAA2010-1438)针对开放流场，设计了穿越整个流场的标记线进行流场测量，使得标记线的两端处于静止的流场中，而标记线中心部分处于流动流场中，以一副图像中处于静止流场和流动流场的标记分子的位置分别作为\和t2时刻的位置，也有效地降低了振动的干扰，但这种方法也仅适用于开放流场中，对于有约束的内流场无法使用。
技术实现思路
本专利技术的目的是在不显著增加设备复杂程度的基础上提供一种。由于标记激光在与流场中的分子作用时不仅能够起到标记的作用，同时也会产生瑞利散射，因此本专利技术的思路是在流动过程中同时拍摄标记激光的瑞利散射和标记分子荧光分别作为标记分子h时刻和t2时刻图像，此时h对应于标记激光的出光时刻，t2对应于显示激光的出光时刻，^-^控制在微秒量级，可有效消除振动对测量的影响。实现方法是利用一台可快速开关两次的相机(两次开关的时间间隔为微妙量级)，在相机镜头前加装一个可透过标记激光瑞利散射和标记分子荧光，而不透过其它强背景干扰光的滤光片。利用时间延迟装置控制相机快门在A时刻开关一次，此时拍摄测量区域的标记激光瑞利散射光作为标记分子h时刻图像；控制相机快门在t2时刻开关一次，由于比激光脉冲时间大得多，标记激光的瑞利散射光已经消失，且滤光片阻止了显示激光散射光的通过，因此拍摄到的是测量区域标记分子的荧光图像，即为标记分子t2时刻图像。由于两个时刻图像是在流动过程中很短的时间间隔拍摄的、无强干扰的真实标记线图像，因此利用它们计算标记线的移动距离，可以得到精确的速度测量结果。除了通常的分子标记技术中所需的标记激光器、显示激光器系统、光学器件、时间延迟装置、拍摄相机、标记分子荧光带通滤光片等设备，本专利技术需将拍摄相机改进为可快速开关两次的相机，将标记分子荧光带通滤光片改进为可透过标记激光瑞利散射和标记分子荧光，而不透过其它强背景干扰光的滤光片。本专利技术的具体技术方案为:一种可消除振动干扰的流场流速测量装置，包括标记激光器、显示激光器、ICXD相机和延迟发生器；所述的标记激光器的输出激光经整形为标记线状激光束，所述显示激光器的输出激光经整形为片状显示激光束，所述的标记线状激光束处于片状显示激光束的所在的平面内，所述的片状显示激光束处于待测流场内，所述标记线状激光束的方向与流场的流速方向的夹角大于0°，所述的IC⑶相机正对片状显示激光束成像；所述的延迟发生器的三路延时输出端分别接标记激光器、显示激光器和ICCD相机。上述可消除振动干扰的流场流速测量装置中，标记激光器为与流场中特定分子作用使之可作为流场标记分子的激光器，即是可将H2O解离为OH并进行标记的激光器，或者是将NO2解离为NO并进行标记的激光器。 上述可消除振动干扰的流场流速测量装置中，标记激光器为输出波长1本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种可消除振动干扰的流场流速测量装置，其特征在于：包括标记激光器(7)、显示激光器(12)、ICCD相机(15)和延迟发生器(13)；所述的标记激光器(7)的输出激光经整形为标记线状激光束(1)，所述显示激光器(12)的输出激光经整形为片状显示激光束(2)，所述的标记线状激光束(1)处于片状显示激光束(2)的所在的平面内，所述的片状显示激光束(2)处于待测流场(4)内，所述标记线状激光束的方向与流场的流速方向的夹角大于0°，所述的ICCD相机(15)正对片状显示激光束(2)成像；所述的延迟发生器的三路延时输出端分别接标记激光器(7)、显示激光器(12)和ICCD相机(15)。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：叶景峰，王晟，邵珺，张振荣，李国华，胡志云，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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