用于流場的干涉瑞利散射測速裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于流場的干涉瑞利散射測速裝置，包括激光器、流場交互單元、散射光收集單元、參考單元和探測單元；流場交互單元包括沿激光器出射光路依次設置的半波片和聚焦透鏡，探測點設置在激光器出射光路上并靠近聚焦透鏡的焦點，待測量流場流過探測點，流場方向與激光出射方向傾斜設置；散射光收集單元為與流場方向傾斜設置的透鏡組；參考單元包括入射分束鏡、反射鏡和出射分束鏡，探測單元包括沿散射光路設置的法布里-珀羅標準具和ICCD相機。本發(fā)明通過同時測量靜止參考光干涉環(huán)和流場散射光干涉斑之間的相對頻移，獲得實時頻移信號，消除了激光器輸出波長抖動對檢測頻移的影響，適用于包括燃燒流場在內(nèi)的大多數(shù)診斷流場。
【專利說明】用于流場的干涉瑞利散射測速裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及是一種流場速度測量裝置，尤其是適用于發(fā)動機、風洞等高速流場速 度測量的光學測量裝置。
【背景技術】
[0002]采用基于激光的非接觸光學診斷技術診斷航空發(fā)動機、內(nèi)燃機等多種發(fā)動機的燃 燒流場，獲得流場各種參量信息，對發(fā)動機的優(yōu)化設計和仿真模型的驗證，燃燒效率和發(fā)動 機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學意義和實用價值。
[0003]在發(fā)動機燃燒流場診斷參量中，溫度和速度是兩個最基本的參量，通過流場靜溫 和速度的測量，可以計算流場總溫，提供發(fā)動機燃燒效率等信息。在流場速度測量方面，絕 大多數(shù)測量技術，如粒子圖像測速(Piv)技術、分子示蹤測速(MTV)技術、多普勒全場測速 (DGV)技術等，測量時需要示蹤粒子，示蹤粒子在本身活性、耐溫性、流場跟隨性等方面的限 制，會影響這些技術在發(fā)動機流場診斷時的適用范圍和可靠性。那么，發(fā)展一種適用范圍較 寬、可信度較高的速度測量技術，對發(fā)動機流場的診斷測試具有重要意義。
[0004]瑞利散射(RS)技術是基于流場本身分子彈性散射的光學測量方法，它是利用流場 分子產(chǎn)生的散射光來測量流場參量。一束激光與流場分子作用后，其瑞利散射光譜則包含 了流場的溫度、密度和速度等信息。其中，瑞利散射光和入射激光的中心波長的偏移則反映 了流場的速度信息。這種偏移是由于多普勒頻移效應引起的，散射光的多普勒頻移偏移量 較小(GHz量級)，需要采用高分辨干涉分光儀器來檢測，其中法布里-珀羅標準具因其結構 簡單、適用方便、高分辨而被采用。通過標準具測量散射光的多普勒頻移，再通過多普勒頻 移與流場速度的關系公式計算得到流場一個方向上的速度。
[0005]法布里-珀羅標準具是一種高分辨干涉分光儀器，可用于塞曼效應、超精細結構、 激光模式、譜線輪廓等多種實驗現(xiàn)象的觀測研究。早期研究者采用了空氣隙的標準具，空氣 隙標準具優(yōu)點是測量精度高，缺點是對環(huán)境溫度變化和振動非常敏感，限制了工程應用。
[0006]另外采用標準具進行速度測量時，如果實驗前先測量入射激光的輸出波長，實驗 時單一將散射光引入到標準具中形成干涉環(huán)來測量其中心波長，通過兩者的差值計算頻 移，那么在這一過程中激光器本身輸出波長的抖動，會影響頻移計算的準確性，給測量結果 帶來誤差。如何在光路設計上消除入射激光輸出波長的抖動對測量的影響，也是工程應用 需要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術問題是在瑞利散射技術基礎上，發(fā)展一種基于干涉法檢測散 射光多普勒頻移的測速裝置，解決工程應用中的信號弱、振動影響、激光器輸出波長抖動等 問題。
[0008]本發(fā)明的技術方案為:
[0009]用于流場的干涉瑞利散射測速裝置，包括激光器、流場交互單元、散射光收集單元和探測單元；
[0010]激光器為窄線寬的連續(xù)或脈沖激光器；
[0011]流場交互單元包括沿激光器出射光路依次設置的半波片和聚焦透鏡，探測點設置 在激光器出射光路上并靠近聚焦透鏡的焦點，待測量流場流過探測點，流場方向與激光出 射方向傾斜設置；
[0012]散射光收集單元為與流場方向傾斜設置的透鏡組，用于將散射光收集至IC⑶相 機內(nèi)；
[0013]探測單元包括沿散射光路設置的法布里-珀羅標準具和ICXD相機，散射光經(jīng)過法 布里-珀羅標準具入射至IC⑶相機，ICXD相機與數(shù)據(jù)處理用計算機連接。
[0014]上述用于流場的干涉瑞利散射測速裝置中，還包括參考單元，參考單元包括入射 分束鏡、反射鏡和出射分束鏡，入射分束鏡設置在流場交互單元的半波片和聚焦透鏡之間， 與激光入射光呈45°夾角；出射分束鏡設置在探測單元的法布里-珀羅標準具前，并與散 射光呈45°夾角；入射分束鏡將參考光引出經(jīng)反射鏡反射后進入出射分束鏡。
[0015]上述用于流場的干涉瑞利散射測速裝置中，透鏡組包括沿散射光路依次設置的大 F數(shù)非球面透鏡、小F數(shù)非球面透鏡和凹透鏡，大F數(shù)非球面透鏡的焦點與探測點重合，小F 數(shù)非球面透鏡的焦點與凹透鏡的虛焦點重合。
[0016]上述用于流場的干涉瑞利散射測速裝置中，法布里-珀羅標準具為固體標準具。
[0017]上述用于流場的干涉瑞利散射測速裝置中，激光器的出射光束經(jīng)過探測點后被吸 收阱吸收。
[0018]上述用于流場的干涉瑞利散射測速裝置中，入射分束鏡、出射分束鏡的透反比為 100-1000:1。
[0019]上述用于流場的干涉瑞利散射測速裝置中，入射分束鏡、出射分束鏡的透反比為 500:1。
[0020]上述用于流場的干涉瑞利散射測速裝置中，散射光收集方向、激光出射方向和流 場方向均在同一個平面，激光出射方向與流場方向夾角為45° ,散射光收集方向與流場方 向夾角為45°。
[0021]本發(fā)明具有的技術效果如下:
[0022]1、本發(fā)明基于分子散射光原理檢測，適用于大多數(shù)診斷流場，尤其是燃燒流場；
[0023]2、現(xiàn)有瑞利散射技術是在無流場情況下事先測量得到本底干涉環(huán)，并與流場下的 頻移干涉環(huán)進行比較得到頻率信息，而本發(fā)明在實施中增加了參考光路單元，靜止區(qū)域的 參考光和流場區(qū)域的散射光同時耦合進法布里-珀羅標準具，并由ICCD記錄其形成的干涉 環(huán)和干涉斑圖像，通過同時測量干涉環(huán)和干涉斑之間的頻移差，獲得實時頻移信號，進而計 算得到流場速度，從而消除了激光器輸出波長抖動對檢測頻移的影響，提高了測量精度。
[0024]3、本發(fā)明采用大F數(shù)非球面透鏡和小F數(shù)非球面透鏡組成的非球面透鏡組，增加 散射光的接收角度，提高了信號強度；
[0025]4、本發(fā)明采用固體標準具替代空氣隙，提高了系統(tǒng)的抗振性能和環(huán)境適應性；
[0026]5、本發(fā)明采用高靈敏度的ICXD進行圖像記錄，用于弱光檢測，提高信噪比；
[0027]6、采用該測速裝置測量的速度結果，可為發(fā)動機設計及模擬仿真提供參考?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明干涉瑞利散射測速裝置原理圖；
[0029]圖2為本發(fā)明流場方向、激光入射方向、散射光方向布局意圖；
[0030]圖3為本發(fā)明ICXD上獲得的干涉環(huán)示意圖。
[0031]附圖標記如下:
[0032]I一激光器；2—流場交互單元；3—散射光收集單元；4一探測單元；5—參考單元； 6—半波片:7—聚焦透鏡；8—吸光阱；9探測點；10—大F數(shù)非球面透鏡；11一小F數(shù)非球 面透鏡；12—凹透鏡；13—法布里-拍羅標準具；14一入射分束鏡；15—反射鏡；16出射分 束鏡；17 — ICXD相機；18—計算機；19一ICXD鏡頭；20 — ICXD感光面；21—入射激光干涉 環(huán)；22—散射頻移光干涉斑；23—頻移量。
【具體實施方式】
[0033]圖1為測速裝置的系統(tǒng)組成圖。測速系統(tǒng)包括激光器1、流場交互單元2、散射光 收集單元3、探測單元4和參考單元5組成。
[0034]激光器I采用窄線寬連續(xù)或脈沖激光器，可采用種子注入鎖定的可調(diào)諧Nd:YAG激 光器，其二倍頻532nm激光作為入射光。
[0035]流場交互單元2包括半波片6和聚焦透鏡7，激光經(jīng)半波片6調(diào)節(jié)偏振方向后，經(jīng) 聚焦透鏡7聚焦到探測點9附近，探測點9越靠近焦點其獲得的信號就越強，出射激光最后 由吸收阱8吸收。
[0036]散射光收集單元3與激光入射方向成一定傾斜角度的透鏡組，散射光收集單元3 采用短焦大F數(shù)非球面透鏡10收集大視角流場分子的散射光，通過長焦小F數(shù)非球面透鏡 11重新聚焦，再經(jīng)過一個凹透鏡12壓縮整形為口徑較小的平行光，進入法布里-珀羅標準 具13中進行檢測。其中大F數(shù)非球面透鏡10用來增加接收角度，小F數(shù)非球面透鏡11和 凹透鏡12對散射光進行縮束，整形好的平行光進入法布里-珀羅標準具13形成干涉條紋， 這種透鏡組合可以增加散射光的接收角度，提高了信號強度。
[0037]探測單元4包括ICXD17和計算機18，干涉環(huán)通過ICXD鏡頭19成像到ICXD的感
光面20上，圖像最后由計算機記錄。
[0038]參考單元5采用入射分束鏡14從入射光源分出一小部分激光，經(jīng)過反射鏡15，再 通過出射分束鏡16與整形為平行光的散射光耦合到一起，進入法布里-珀羅標準具13中。 分束鏡的分束比可根據(jù)現(xiàn)場情況而定，確保ICCD上散射光斑和參考光干涉環(huán)均能清楚顯 示即可，通?？蛇x擇分束鏡透反比為100-1000:1，本發(fā)明優(yōu)選500:1。
[0039]增加光路單元的優(yōu)點是，將靜止區(qū)域參考光引起的干涉環(huán)和流場區(qū)域的散射光引 起的散射斑由ICCD同時記錄，通過實時測量二者的相對頻移，獲得流場速度，消除了激光 器輸出波長抖動對檢測頻移的影響，提高了測量精度。
[0040]如圖2所不,作為一種優(yōu)選方式,激光束在水平面方向與流場速度方向u成45° 斜入射進入流場，與流場相互作用，入射光波矢方向為ed,散射光收集波矢方向為es,散射 光收集方向與激光出射方向和流場方向均在同一個平面，收集方向與流場方向成45°。在 實際應用中散射光收集方向與激光出射方向根據(jù)需要設置，只要保證出射方向、流場方法 和散射光收集方向不是兩兩垂直即可滿足要求。[0041] 如圖3所示，參考光經(jīng)反射鏡15，通過出射分束鏡16與整形為平行光的散射光耦合到一起，進入法布里-珀羅標準具13中形成多個干涉環(huán)，而散射光則形成靠近干涉環(huán)的干涉斑，最后同時通過ICXD鏡頭19成像到ICXD感光面20上，由計算機18記錄和處理。根據(jù)瑞利散射測速原理，當流場流速為零時，干涉斑的中心則位于干涉環(huán)頂點的圓圈線上，并隨著流場流速的增大向圓圈線的外部偏移，故通過測量其中一只干涉斑中心和干涉環(huán)頂點圓圈線的偏移量，就可得到該干涉環(huán)對應的入射激光和散射光的頻移量△ V，進而通過理論計算得到流經(jīng)該處的流場流速。
【權利要求】
1.用于流場的干涉瑞利散射測速裝置，其特征在于:包括激光器(I)、流場交互單元 (2 )、散射光收集單元(3 )和探測單元(4 );所述的激光器(I)為窄線寬的連續(xù)或脈沖激光器；所述的流場交互單元(2)包括沿激光器出射光路依次設置的半波片(6)和聚焦透鏡(7)，所述的探測點(9)設置在激光器(2)出射光路上并靠近聚焦透鏡(7)的焦點，所述的待 測量流場流過探測點(9 )，所述的流場方向與激光出射方向傾斜設置；所述的散射光收集單元(3)為與流場方向傾斜設置的透鏡組，用于將散射光收集至 ICCD相機內(nèi)；所述的探測單元(3)包括沿散射光路設置的法布里-珀羅標準具(13)和IC⑶相機(17)，散射光經(jīng)過法布里-珀羅標準具(13)入射至ICXD相機(17)，所述的ICXD相機(17) 與數(shù)據(jù)處理用計算機(18 )連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于流場的干涉瑞利散射測速裝置，其特征在于:還包括參 考單元(5)，所述的參考單元(5)包括入射分束鏡(14)、反射鏡(15)和出射分束鏡(16)，所 述的入射分束鏡(14)設置在流場交互單元(2)的半波片(6)和聚焦透鏡(7)之間，與激光 入射光呈45°夾角；所述的出射分束鏡(16)設置在探測單元(3)的法布里-珀羅標準具(13)前，并與散射光呈45°夾角；所述入射分束鏡(14)將參考光引出經(jīng)反射鏡(15)反射 后進入出射分束鏡(16)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的用于流場的干涉瑞利散射測速裝置，其特征在于:所述 的透鏡組包括沿散射光路依次設置的大F數(shù)非球面透鏡(10)、小F數(shù)非球面透鏡(11)和凹 透鏡(12)，所述大F數(shù)非球面透鏡(10)的焦點與探測點(9)重合，所述小F數(shù)非球面透鏡(11)的焦點與凹透鏡(12)的虛焦點重合。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的用于流場的干涉瑞利散射測速裝置，其特征在于:所述 的法布里-珀羅標準具(13)為固體標準具。
5.根據(jù)權利要求1所述的用于流場的干涉瑞利散射測速裝置，其特征在于:所述的激 光器(I)的出射光束經(jīng)過探測點(9 )后被吸收阱(8 )吸收。
6.根據(jù)權利要求2所述的用于流場的干涉瑞利散射測速裝置，其特征在于:所述的入 射分束鏡(14)、出射分束鏡(16)的透反比為100-1000:1。
7.根據(jù)權利要求2所述的用于流場的干涉瑞利散射測速裝置，其特征在于:所述的入 射分束鏡(14)、出射分束鏡(16)的透反比為500:1。
8.根據(jù)權利要求1所述的用于流場的干涉瑞利散射測速裝置，其特征在于:所述散射 光收集方向、激光出射方向和流場方向均在同一個平面，激光出射方向與流場方向夾角為 45°，散射光收集方向與流場方向夾角為45°。
【文檔編號】G01P5/26GK103558412SQ201310477264
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月12日 優(yōu)先權日:2013年10月12日
【發(fā)明者】邵珺, 胡志云, 葉景峰, 張振榮, 李國華, 黃梅生 申請人:西北核技術研究所