基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法，包括使用脉冲激光激发诱导光栅、使用连续激光作为探测光进而产生信号光、确定光栅间距、提取信号光振荡的频率值后计算得出温度值、对信号衰减曲线进行拟合得到时间常数和计算得出热扩散率。本发明专利技术还公开了一种基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的装置，包括激发光单元、探测光单元、信号接收单元。本发明专利技术提供的基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法及装置实现了对燃烧场以及气体环境中温度和热扩散率的高精度、瞬态测量，不仅克服了现有测温手段中存在的弊端，具有抗干扰能力强、复杂环境适应性强等特点，并且能够同步获得气体组分的热扩散率。

【技术实现步骤摘要】
基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法及装置
本专利技术属于气体温度、热扩散率测量领域，具体涉及一种基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法及装置。
技术介绍
在能源、环境、化工、冶炼、航空航天等行业中，气体温度和热扩散率的实时准确测量对生产工艺优化、节能减排和安全生产等具有重要的意义。传统的测温方法包括接触式和非接触式方法。热电偶测温法是一种典型的接触式测量法，得到了广泛应用；然而，热电偶的布置干扰了被测环境的流场，在测量精度上表现也较差；同时在特种高温环境中，热电偶往往需要加装铠装外壳才能够使用；并且，一般的热电偶不具备高频瞬时响应性，无法应用于高速燃烧以及高频变化的温度场。红外辐射测温是一种基于热辐射原理的非接触式方法；但被测表面的发射率、反射率以及环境温度都对测量结果有较大的影响，这些因素直接影响了它的准确性和适用性。拉曼散射测温是一种非接触式光学测温法；一般而言，拉曼散射测温主要与分布式光纤系统结合，应用于大型区域的空间温度场进行检测。它的测温精度和瞬时响应性都有一定限度。相干反斯托克斯拉曼散射是一种基于非线性四波混频原理的非接触式方法，该方法通过拟合光谱线形得出温度值，其高温区测量表现差，高温区信号容易被干扰，信号强度低，波动较大，因此该方法在复杂燃烧场中的应用受到很大限制。激光诱导荧光法是一种以荧光强度来反应温度的非接触式测量方法；该方法用特定组分的浓度来反应温度，例如燃烧过程中产生的OH基；因此这种方法需要精确的标定过程；并且，激光强度、染色剂的浓度、荧光的光谱特性都会对测量产生影响。该方法也仅适用于稳定燃烧场的温度测量，无法满足复杂燃烧场的诊断需要。双色平面激光诱导荧光是激光诱导荧光技术的扩展应用，很大程度上消除了激光强度、染色剂的浓度等因素对结果的影响，并能够适用于高频变化的温度场。但该技术的光学系统存在抗干扰能力差、其实验本体的可视化性能要求高等问题。热扩散率与材料导热系数、比热容和密度三个物性参数相关，综合反应了一种材料的导热性能，是一个重要的热物理参数。对于一些混合气体燃料和材料而言，其导热性能变化较大，相对于单一组分来说更难以确定。传统的热扩散率测量方法一般有热线法、闪光法、光热法。热线法是一种比较传统的测量方法，是一种类热电偶应用原理的热扩散率测量方法。这种方法在测量过程中要求热线材料足够细，而太细的热线由于其传热量低，会使得测量结果不准确；同时，热线测量本身就是一种基于导热过程的方法，存在热线测量本身的误差和迟滞性。激光闪光法、光热法是利用瞬时激光脉冲加热样品，结合外部温度探测器捕获温度信息，然后分析得到热扩散率。这种方法建立在一维非稳态导热理论基础上，该方法需要被测物体厚度足够薄，以满足一维非稳态导热理论假设。但实际导热问题中，其他维度上也存在一定量的热扩散，因此闪光法、光热法测量需要对漏热量进一步修正。同样，该方法也存在温度探测器本身的误差问题和迟滞性问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法及装置，能够在测温过程中，同步得到热扩散率参数，具备高精度、高频瞬时响应特性，具备抗干扰能力强、复杂环境适应性强等特点，可以实时、准确地获取燃烧场以及气体组分环境中的温度信息、气体组分的热扩散率参数，克服了现有测温和热扩散率测量手段中存在的弊端。本专利技术提供如下技术方案：一种基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法，包括以下步骤：(1)由脉冲激光器产生的激发光源被分光镜分为两束激发光，两束激发光经过布置光路后，以角度θ相交于O点位置，在O点位置激发诱导光栅；(2)连续激光器产生探测光，探测光以布拉格角度β入射到两束激发光的相交位置O点，在诱导光栅处发生散射，产生信号光；(3)信号光经过信号采集光路中的滤波镜、聚焦透镜组后，其光电信号被光电倍增管接收，高速采集仪负责记录光电倍增管所接收的信号振幅强度变化；其中，信号光是探测光经过诱导光栅后，其衍射光光强最大时，所对应方向上的光线，它与探测光共轭；(4)对信号光的振幅强度变化曲线进行傅里叶频率分析得到信号光振荡频率fc，结合光栅间距Λ和fc计算目标温度参数T；(5)对信号光的振幅强度变化曲线进行拟合得到信号强度衰减曲线，进而得到其时间常数τ0，并根据时间常数τ0计算气体热扩散率a。在步骤(1)中，所述的分光镜为立方体分光镜。所述步骤(1)中的布置光路包括对称布置的第一反射镜和第二反射镜，两束激发光分别经第一反射镜和第二反射镜反射后以角度θ相交于O点位置，两束激发光在测量点O的光程差为零。所述步骤(1)中的角度θ为2-4°，使之诱导的光栅衍射效率较高。由于两束激发光具备同频率、同相位的干涉条件，因此会在相交位置O点发生干涉；通过调整光路中反射镜组的放置角度和位置，来确定两束激发光的相交角度，使两束激发光被反射镜反射之后以特定的角度θ相交于O点。其中，调整光路中连续激光器的位置使得探测光以角度β通过激发光相交位置O点。所述步骤(2)中布拉格角度β满足：λprobe＝2Λsinβ其中，Λ为光栅的间距，λprobe为探测光的波长；其中，λpump为激发光波长，θ为两束激发光夹角。所述步骤(4)中，目标温度参数T的计算公式为：其中，绝热系数γ、气体常数Rg均为被测气体组分的物性参数；在测量过程中。针对不同的工况，对γ、Rg进行修正，将γ、Rg进一步表示成与温度(T)、压力(P)以及组分浓度(Xg)相关的修正量γ(T,P,Xg)、Rg(T,P,Xg)，并用已知准确的热力学线性方程对其进行取值，提高测量精度。所述步骤(5)中，信号强度衰减曲线的时间常数τ0等于信号强度衰减至峰值强度的1/e时所对应的时间长度。其中，信号光的振幅强度变化中信号观测时间尺度应为500μs以上，以减小数据拟合误差，提高测量精确度。所述步骤(5)中，气体热扩散率a的计算公式为：其中，Λ为光栅间距；τ0为时间常数。本专利技术还提供一种用于上述方法的装置，包括：激发光单元，包括用于产生激发光的脉冲激光器和布置光路，其中布置光路包括立方体分光镜、用于调整光路的第一反射镜和第二反射镜；探测光单元，包括用于产生探测光的连续激光器；信号接收单元，包括滤波镜、聚焦透镜组、光电倍增管和高速采集仪；脉冲激光器产生的激发光源被立方体分光镜分为两束激发光后依次经过第一反射镜和第二反射镜，以2°-4°相交于O点位置，在O点位置激发诱导光栅后入射到光陷中被弃置；连续激光器产生一束连续探测光，以布拉格角度β经过激发光相交O点位置，在诱导光栅处发生散射，产生信号光，之后入射到光陷中被弃置；信号光经过滤波镜、聚焦透镜组后，被光电倍增管接收，然后光电倍增管将光电信号传输至高速采集仪。所述脉冲激光器波长为266nm到1024nm之间、脉冲时间为5ns到100ns、脉冲能量的选用参考范围为30mJ到200mJ，用于产生诱导光栅的激发光。所述立方体分光镜的分光比为50％:50％，用于将激发光分成能量一致的两束激发光。所述第一反射镜和第二反射镜对称布置，使反射后的两束激发光在测量点的光程差为零。所述连续激光器波长为300nm到760nm，输出功率为50mW到500mW，用于在诱导光栅处发生散射产生信号光。所述滤波镜的带通波段应与所选连续激光器波长配合，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法，包括以下步骤：(1)由脉冲激光器产生的激发光源被分光镜分为两束激发光，两束激发光经过布置光路后，以角度θ相交于O点位置，在O点位置激发诱导光栅；(2)连续激光器产生探测光，探测光以布拉格角度β入射到两束激发光的相交位置O点，在诱导光栅处发生散射，产生信号光；(3)信号光经过信号采集光路中的滤波镜、聚焦透镜组后，其光电信号被光电倍增管接收，高速采集仪记录振幅强度变化的信号；(4)对信号光的振幅强度变化曲线进行傅里叶频率分析得到信号光振荡频率fc，结合光栅间距Λ和fc计算目标温度参数T；(5)对信号光的振幅强度变化曲线进行数据拟合得到信号强度衰减曲线，进而得到其时间常数τ0，并根据时间常数τ0计算气体热扩散率a。

【技术特征摘要】
1.一种基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法，包括以下步骤：(1)由脉冲激光器产生的激发光源被分光镜分为两束激发光，两束激发光经过布置光路后，以角度θ相交于O点位置，在O点位置激发诱导光栅；(2)连续激光器产生探测光，探测光以布拉格角度β入射到两束激发光的相交位置O点，在诱导光栅处发生散射，产生信号光；(3)信号光经过信号采集光路中的滤波镜、聚焦透镜组后，其光电信号被光电倍增管接收，高速采集仪记录振幅强度变化的信号；(4)对信号光的振幅强度变化曲线进行傅里叶频率分析得到信号光振荡频率fc，结合光栅间距Λ和fc计算目标温度参数T；(5)对信号光的振幅强度变化曲线进行数据拟合得到信号强度衰减曲线，进而得到其时间常数τ0，并根据时间常数τ0计算气体热扩散率a。2.根据权利要求1所述的基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的布置光路包括对称布置的第一反射镜和第二反射镜，两束激发光分别经第一反射镜和第二反射镜反射后以角度θ相交于O点位置。3.根据权利要求2所述的基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的角度θ为2°-4°。4.根据权利要求1所述的基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法，其特征在于，所述步骤(2)中布拉格角度β满足：λprobe＝2Λsinβ其中，Λ为光栅的间距，λprobe为探测光的波长；其中，λpump为激发光波长，θ为两束激发光夹角。5.根据权利要求1所述的基于激光诱导光栅测量气体温...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴迎春，吴学成，陈玲红，邱坤赞，高翔，岑可法，林志明，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33