本发明专利技术公开了一种用于流场的干涉瑞利散射测速装置，包括激光器、流场交互单元、散射光收集单元、参考单元和探测单元；流场交互单元包括沿激光器出射光路依次设置的半波片和聚焦透镜，探测点设置在激光器出射光路上并靠近聚焦透镜的焦点，待测量流场流过探测点，流场方向与激光出射方向倾斜设置；散射光收集单元为与流场方向倾斜设置的透镜组；参考单元包括入射分束镜、反射镜和出射分束镜，探测单元包括沿散射光路设置的法布里-珀罗标准具和ICCD相机。本发明专利技术通过同时测量静止参考光干涉环和流场散射光干涉斑之间的相对频移，获得实时频移信号，消除了激光器输出波长抖动对检测频移的影响，适用于包括燃烧流场在内的大多数诊断流场。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种用于流场的干涉瑞利散射测速装置，包括激光器、流场交互单元、散射光收集单元、参考单元和探测单元；流场交互单元包括沿激光器出射光路依次设置的半波片和聚焦透镜，探测点设置在激光器出射光路上并靠近聚焦透镜的焦点，待测量流场流过探测点，流场方向与激光出射方向倾斜设置；散射光收集单元为与流场方向倾斜设置的透镜组；参考单元包括入射分束镜、反射镜和出射分束镜，探测单元包括沿散射光路设置的法布里-珀罗标准具和ICCD相机。本专利技术通过同时测量静止参考光干涉环和流场散射光干涉斑之间的相对频移，获得实时频移信号，消除了激光器输出波长抖动对检测频移的影响，适用于包括燃烧流场在内的大多数诊断流场。【专利说明】用于流场的干涉瑞利散射测速装置
本专利技术涉及是一种流场速度测量装置，尤其是适用于发动机、风洞等高速流场速 度测量的光学测量装置。
技术介绍
采用基于激光的非接触光学诊断技术诊断航空发动机、内燃机等多种发动机的燃 烧流场，获得流场各种参量信息，对发动机的优化设计和仿真模型的验证，燃烧效率和发动 机性能的提升以及污染物排放控制等方面具有十分重要的科学意义和实用价值。在发动机燃烧流场诊断参量中，温度和速度是两个最基本的参量，通过流场静温 和速度的测量，可以计算流场总温，提供发动机燃烧效率等信息。在流场速度测量方面，绝 大多数测量技术，如粒子图像测速(Piv)技术、分子示踪测速(MTV)技术、多普勒全场测速 (DGV)技术等，测量时需要示踪粒子，示踪粒子在本身活性、耐温性、流场跟随性等方面的限 制，会影响这些技术在发动机流场诊断时的适用范围和可靠性。那么，发展一种适用范围较 宽、可信度较高的速度测量技术，对发动机流场的诊断测试具有重要意义。瑞利散射(RS)技术是基于流场本身分子弹性散射的光学测量方法，它是利用流场 分子产生的散射光来测量流场参量。一束激光与流场分子作用后，其瑞利散射光谱则包含 了流场的温度、密度和速度等信息。其中，瑞利散射光和入射激光的中心波长的偏移则反映 了流场的速度信息。这种偏移是由于多普勒频移效应引起的，散射光的多普勒频移偏移量 较小(GHz量级)，需要采用高分辨干涉分光仪器来检测，其中法布里-珀罗标准具因其结构 简单、适用方便、高分辨而被采用。通过标准具测量散射光的多普勒频移，再通过多普勒频 移与流场速度的关系公式计算得到流场一个方向上的速度。法布里-珀罗标准具是一种高分辨干涉分光仪器，可用于塞曼效应、超精细结构、 激光模式、谱线轮廓等多种实验现象的观测研究。早期研究者采用了空气隙的标准具，空气 隙标准具优点是测量精度高，缺点是对环境温度变化和振动非常敏感，限制了工程应用。另外采用标准具进行速度测量时，如果实验前先测量入射激光的输出波长，实验 时单一将散射光引入到标准具中形成干涉环来测量其中心波长，通过两者的差值计算频 移，那么在这一过程中激光器本身输出波长的抖动，会影响频移计算的准确性，给测量结果 带来误差。如何在光路设计上消除入射激光输出波长的抖动对测量的影响，也是工程应用 需要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是在瑞利散射技术基础上，发展一种基于干涉法检测散 射光多普勒频移的测速装置，解决工程应用中的信号弱、振动影响、激光器输出波长抖动等 问题。本专利技术的技术方案为:用于流场的干涉瑞利散射测速装置，包括激光器、流场交互单元、散射光收集单元和探测单元；激光器为窄线宽的连续或脉冲激光器；流场交互单元包括沿激光器出射光路依次设置的半波片和聚焦透镜，探测点设置 在激光器出射光路上并靠近聚焦透镜的焦点，待测量流场流过探测点，流场方向与激光出 射方向倾斜设置；散射光收集单元为与流场方向倾斜设置的透镜组，用于将散射光收集至IC⑶相 机内；探测单元包括沿散射光路设置的法布里-珀罗标准具和ICXD相机，散射光经过法 布里-珀罗标准具入射至IC⑶相机，ICXD相机与数据处理用计算机连接。上述用于流场的干涉瑞利散射测速装置中，还包括参考单元，参考单元包括入射 分束镜、反射镜和出射分束镜，入射分束镜设置在流场交互单元的半波片和聚焦透镜之间， 与激光入射光呈45°夹角；出射分束镜设置在探测单元的法布里-珀罗标准具前，并与散 射光呈45°夹角；入射分束镜将参考光引出经反射镜反射后进入出射分束镜。上述用于流场的干涉瑞利散射测速装置中，透镜组包括沿散射光路依次设置的大 F数非球面透镜、小F数非球面透镜和凹透镜，大F数非球面透镜的焦点与探测点重合，小F 数非球面透镜的焦点与凹透镜的虚焦点重合。上述用于流场的干涉瑞利散射测速装置中，法布里-珀罗标准具为固体标准具。上述用于流场的干涉瑞利散射测速装置中，激光器的出射光束经过探测点后被吸 收阱吸收。上述用于流场的干涉瑞利散射测速装置中，入射分束镜、出射分束镜的透反比为 100-1000:1。上述用于流场的干涉瑞利散射测速装置中，入射分束镜、出射分束镜的透反比为 500:1。上述用于流场的干涉瑞利散射测速装置中，散射光收集方向、激光出射方向和流 场方向均在同一个平面，激光出射方向与流场方向夹角为45° ,散射光收集方向与流场方 向夹角为45°。本专利技术具有的技术效果如下:1、本专利技术基于分子散射光原理检测，适用于大多数诊断流场，尤其是燃烧流场；2、现有瑞利散射技术是在无流场情况下事先测量得到本底干涉环，并与流场下的 频移干涉环进行比较得到频率信息，而本专利技术在实施中增加了参考光路单元，静止区域的 参考光和流场区域的散射光同时耦合进法布里-珀罗标准具，并由ICCD记录其形成的干涉 环和干涉斑图像，通过同时测量干涉环和干涉斑之间的频移差，获得实时频移信号，进而计 算得到流场速度，从而消除了激光器输出波长抖动对检测频移的影响，提高了测量精度。3、本专利技术采用大F数非球面透镜和小F数非球面透镜组成的非球面透镜组，增加 散射光的接收角度，提高了信号强度；4、本专利技术采用固体标准具替代空气隙，提高了系统的抗振性能和环境适应性；5、本专利技术采用高灵敏度的ICXD进行图像记录，用于弱光检测，提高信噪比；6、采用该测速装置测量的速度结果，可为发动机设计及模拟仿真提供参考。【专利附图】【附图说明】图1为本专利技术干涉瑞利散射测速装置原理图；图2为本专利技术流场方向、激光入射方向、散射光方向布局意图；图3为本专利技术ICXD上获得的干涉环示意图。附图标记如下:I一激光器；2—流场交互单元；3—散射光收集单元；4一探测单元；5—参考单元； 6—半波片:7—聚焦透镜；8—吸光阱；9探测点；10—大F数非球面透镜；11一小F数非球 面透镜；12—凹透镜；13—法布里-拍罗标准具；14一入射分束镜；15—反射镜；16出射分 束镜；17 — ICXD相机；18—计算机；19一ICXD镜头；20 — ICXD感光面；21—入射激光干涉 环；22—散射频移光干涉斑；23—频移量。【具体实施方式】图1为测速装置的系统组成图。测速系统包括激光器1、流场交互单元2、散射光 收集单元3、探测单元4和参考单元5组成。激光器I采用窄线宽连续或脉冲激光器，可采用种子注入锁定的可调谐Nd:YAG激 光器，其二倍频532nm激光作为入射光。流场交互单元2包括半波片6和聚焦透镜7，激光经半波片6调节偏振方向后，经本文档来自技高网...
【技术保护点】
用于流场的干涉瑞利散射测速装置，其特征在于：包括激光器（1）、流场交互单元（2）、散射光收集单元（3）和探测单元（4）；所述的激光器（1）为窄线宽的连续或脉冲激光器；所述的流场交互单元（2）包括沿激光器出射光路依次设置的半波片（6）和聚焦透镜（7），所述的探测点（9）设置在激光器（2）出射光路上并靠近聚焦透镜（7）的焦点，所述的待测量流场流过探测点（9），所述的流场方向与激光出射方向倾斜设置；所述的散射光收集单元（3）为与流场方向倾斜设置的透镜组，用于将散射光收集至ICCD相机内；所述的探测单元（3）包括沿散射光路设置的法布里?珀罗标准具（13）和ICCD相机（17），散射光经过法布里?珀罗标准具（13）入射至ICCD相机（17），所述的ICCD相机（17）与数据处理用计算机（18）连接。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：邵珺，胡志云，叶景峰，张振荣，李国华，黄梅生，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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