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相干反斯托克斯喇曼光谱单脉冲测量火焰温度

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基于激光的测量技术在燃烧流场诊断中的应用

基于激光的测量技术在燃烧流场诊断中的应用
发动机的研制需要大量地面试车台的模拟试 验来验证工程设计和理论建模的准确性，流动和 燃烧参量（例如，速度、温度、组分浓度等）的高时 空分辨测量是认识和理解发动机湍流与燃烧相互 作用现象和规律的重要手段，精确的实验测量数 据是进行发动机性能评估的基础；另一方面，随着 高性能计算技术的迅速发展，涉及燃烧化学反应 的计 算 流 体 动 力 学 （ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍ ｉｃｓ，ＣＦＤ）高保真模拟已发展成为发动机燃烧室高 效燃烧组织与调控的预测设计方法，但其需要大 量的发动机燃烧室内燃烧流场测量数据的支撑， 从而对网格生成、数值方法、物理模型等 ＣＦＤ中 的关键问题进行系统地验证。
在处于高压、高温等严苛环境的现代燃烧系 统中，基于激光的测量技术既能为燃烧基础研究 提供测量手段，同时也能在实际燃烧装置中，为燃 烧效率最大化、污染最小化提供经验性的解决策 略。此外，激光诊断技术在解决实际燃烧问题如 催化燃烧、火焰抑制、燃烧控制、燃气轮机和内燃 机的燃料注入与混合、材料燃烧合成等方面都具 有重要的作用。
激光燃烧诊断技术是以激光器件、光谱物理、 光电探测、数据图像处理等为基础的非接触式测 量技术，当前已发展成为燃烧实验研究的主要测 量工具之一。与传统的接触式测量手段相比，其 具有如下优势：首先，它是非侵入式测量方法，对 燃烧流场基本没有扰动，测量结果能更好地反映 真实的燃烧过程；其次，测量信息丰富，可获取燃 料雾化、流动速度、燃烧场温度及组分浓度等各种 信息，有利于较全面地了解燃烧过程；第三，它具 有很高的时空分辨力，其时间分辨力可以达到纳 秒甚至飞秒量级，空间分辨力可以达到毫米甚至 微米量级，可为认识和理解发动机湍流与燃烧相 互作用提供信息；第四，能够用于燃烧流场参数的 可视化测量，结合图像处理与图像显示等手段，可 以显现燃烧场的各种变化特性。

动态计量在航天技术 中的应用

动态计量在航天技术 中的应用
ｌ ＿动 态 压 力 测 量
动 态 压 力 测 量 广泛 用 于 航 空 、 航 海 、宇 航 、 防护 工 程 和一 些 基 地 的试 验 ， 用于 工业 过
程的监控 、控制和诊 断 其主要应 用为： （） 研 究 和 开发 。 如 ： 内燃 机 和 液 压 系 统 的研 制 ，发 动 机 的 测 试 ，风 洞 的测 试 ， 原 子 １ 弹爆 炸及 冲击波 的测试等 ； （） 运 行 系 统 的特 性 评 估 。 如 ： 液 压 装 置 压 缩 机 的 失 灵 判 断 和 各 种 诊 断 （ 学 诊 断 ， ２ 医 管道 的波 动、冲击，发动机 的喘振 等） 。 动态压力测 量是 十分 重要 的。如在航 空发动 机、火箭发 动机等 的试验研 究与测试 中， 能否 准确地进行动态压力测量 ，涉及到 发动 机的性 能和人身安全等 问题。 动态压力测量一般采 用电渊法 。 目前采 用两种测量系统 ：模 拟测量 和数字测量 。模拟 测量系统是一种传统 的动态压力测量 系统；近 十几年来兴起 的数 字测量 系统显示 出它的很 多优越性，越 来越广泛地 被人们所 采用。
一
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
、
概
述
当前 ，计量学 和测试技 术 已由静 态测试和校准发 展到 动态测试和校 准，亦即 由对其值
是 恒 定 的 量 的 观 测 发 展 到对 随 时 间 而 变 化 的 量 的观 测 。
般来说 ，动 态测量 系统 由传感器 、中间变换装 置 （ 含数据采集和 变换 ）及 数据记录 和处 理等三部分组 成；而动态测试校准技术则 主要包 括两个方 面的内容 ： 其一 、对动 态参数 的测量技术 。倒如 ：各种 生产 过程 中 自动化设备 和各 种 自动控制系
一

仪器分析原理(何金兰版)课后答案

仪器分析原理(何金兰版)课后答案

仪器分析习题与解答第1章1 为什么说光波是一种横波？答: 我们知道，当波的传播方向与其振动方向垂直时，称为横波；光波是一种电磁波, 而电磁波在空间的传播方向与其电场矢量和磁场矢量的振动平面垂直； 所以，光波是一种横波。

2 计算下列辐射的频率，波数及辐射中一个光子的能量（1） 钠线（D 线）589.0nm;（2） 波长为200cm 的射频辐射；（3） 波长为900pm 的X 射线。

解：（1）ν = c/λ =cms cm 100.589100.31710-⋅⨯⨯⨯-=5.09³1014(Hz) ΰ = 1/λ = (589.0×10-7cm)-1 = 1.7×104(cm -1)E = h c/λ =cm s cm s J 100.589100.310626.6171034-⋅⋅⋅⨯⨯⨯⨯⨯--=3.38³10-15(J)3 吸光度与透光率的换算（1） 将吸光度为0.01, 0.30, 1.50换算为透光率；（2） 透光率为10.0%, 75.0%, 85.5%换算为吸光度。

解：(1) ∵A=log(1/T) ∴ logT=－A=－0.01, ∴ T=10-0.01=97.7%∴ logT=－A=－0.30, ∴ T=10-0.30=50.1%∴ logT=－A=－1.50, ∴ T=10-1.50=3.16%(2) A=log(1/T)=log100/10=log10=1.00A=log(1/T)=log100/75=log1.333=0.125A=log(1/T)=log100/85.5=log1.17=0.068 4 填表：频率能 量波 数 光 谱 区 JeV cm -1 3x10101.99³10-23 1.24x10-4 1 微波区2.4³10241.6x10-9 9.98x109 8.05x1013 γ区2.4³10121.6x10-21 0.01 8.05 远红外2.4³1014 4.97x10-193.1 25000 近紫外5在765 nm波长下，水溶液中的某化合物的摩尔吸光系数为1.54×103（L²mol-1²cm-1），该化合物溶液在1 cm的吸收池中的透光率为43.2%。

激光光谱技术在燃烧流场诊断中的应用

激光光谱技术在燃烧流场诊断中的应用

激光光谱技术在燃烧流场诊断中的应用刘晶儒;赵新艳;叶锡生;胡志云;张振荣;关小伟;王晟;陶波;叶景峰;张立荣;黄梅生【摘要】介绍了用于燃烧流场诊断的激光光谱技术的研究进展,叙述了相干反斯托克斯喇曼散射、自发振动喇曼散射、激光诱导荧光、分子滤波瑞利散射、可调谐二极管激光吸收光谱等技术的基本原理及其实验系统.给出并分析了激光光谱技术对预混火焰稳态燃烧场和固体燃剂瞬态燃烧场的温度、主要组分及浓度、流场密度和火焰构造测试的实验结果.实验结果表明,基于激光光谱的燃烧诊断技术不仅能够实现对稳态燃烧场的高精度测量,而且能够应用于复杂的瞬态燃烧场诊断.%The research on laser combustion diagnostic techniques is reviewed. The fundamental principles and experimental systems of Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS), Spontaneous Vibration Raman Scattering (SVRS), Laser-induced Fluorescence (LIF), Molecular Filtered Rayleigh Scattering (FRS), Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) etc. , are presented. The measured main parameters of temperature, species concentration, density and structures in the premixed stable flame and solid fuel combustion are also given. The measured results indicate that laser spectroscopy-based diagnostic techniques can be used in premixed flame for high precision measurements,and are well suitable for the diagnostics of more complex transient combustion.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2011(019)002【总页数】13页(P284-296)【关键词】激光光谱;稳态燃烧场;瞬态燃烧场;光谱诊断【作者】刘晶儒;赵新艳;叶锡生;胡志云;张振荣;关小伟;王晟;陶波;叶景峰;张立荣;黄梅生【作者单位】西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024【正文语种】中文【中图分类】O657.319激光光谱技术诊断燃烧流场的过程本质是激光与物质相互作用。

宽带相干反斯托克斯喇曼散射法诊断固体燃剂燃烧场

宽带相干反斯托克斯喇曼散射法诊断固体燃剂燃烧场

宽带相干反斯托克斯喇曼散射法诊断固体燃剂燃烧场胡志云;张振荣;刘晶儒;关小伟;黄梅生;叶锡生【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2004(016)001【摘要】报道了采用单次脉冲非稳腔空间增强探测-相干反斯托克斯喇曼散射(USED CARS)技术诊断常压下固体燃剂瞬态燃烧场温度和氮气浓度.采用宽带USED CARS技术,在固体燃剂瞬态燃烧场获得了较高信噪比的单次激光脉冲氮气Q支CARS实验谱,用CARS理论计算软件拟合CARS实验谱,给出了固体燃剂瞬态燃烧场温度和氮气浓度在不同高度的分布,固体燃剂燃烧场温度约2 250K、氮气相对浓度16%～20%.【总页数】4页(P19-22)【作者】胡志云;张振荣;刘晶儒;关小伟;黄梅生;叶锡生【作者单位】西北核技术研究所,陕西,西安,710024;西北核技术研究所,陕西,西安,710024;西北核技术研究所,陕西,西安,710024;西北核技术研究所,陕西,西安,710024;西北核技术研究所,陕西,西安,710024;西北核技术研究所,陕西,西安,710024【正文语种】中文【中图分类】TN245【相关文献】1.相干反斯托克斯喇曼散射光谱的理论计算 [J], 冯伟;何伟;商砚冰2.相干反斯托克斯喇曼散射光谱在推进剂火焰温度和浓度测… [J], 冯振芳;高稚允3.相干反斯托克斯拉曼及相干反斯托克斯超拉曼光谱微观极化率张量元的简化方案-C∞v对称性 [J], WANG Yuan;ZHANG Zhen;GUO Yuan4.相干反斯托克斯拉曼及相干反斯托克斯超拉曼光谱微观极化率张量元的简化方案-C3v对称性 [J], 汪源; 张贞; 郭源5.基于混合飞秒/皮秒相干反斯托克斯拉曼散射的动态高温燃烧场温度测量 [J], 田子阳;赵会杰;尉昊赟;李岩因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

第八章拉曼光谱技术 (1)

第八章拉曼光谱技术 (1)

超拉曼散射
双光子荧光
超拉曼散射谱线很弱，一般仅为入射光强度的 10
Pi( 2) ijkE j Ek
13
在理论解释上，超拉曼是由诱导偶极矩的二阶分量产生
六、 表面增强拉曼光谱 当分子吸附在某种金属表面时，共散射截面比不吸附时增大好几个数量级， 例如当吡啶分子吸附于银电极表面时，其散射截面比常态吡啶分子增大了 5—6个数量级。 主要特点表现： 1)表面增强拉曼散射与吸附金属种类有关，目前发现有表面增强效应的 金属有：金、钢、银、锂、钠、钾等，其中以银的增强效应最显著。 2)与吸附金属表面的粗糙度有关，当金属表面具有微观(原子尺度)或亚 微观(纳米尺度)结构时，才有表面增强效应，实验发现，当银的表面粗 糙度为100 nm、铜的表面粗糙度为50nm时，增强效应较大； 3)正常拉曼散射光的强度与激发光频率的四次方成正比，而对表面增强拉 曼散射这一关系并不成立，表现为宽频带的共振关系；选择定则也放宽 了．实验发现，某些只有红外活性的介质，测量到了增强拉曼散射信号；
频率降低的差频光散射称为斯托克斯散射
频率升高的和频光散射称为反斯托克斯散射
CCl4
这里只讨论到线性极化率（相应于弱光场)，这种散射又称为正常拉曼散射， 又由于散射光无相干性，具有自发发射性质，所以也称为自发拉曼散射。
2 量子论观点 拉曼光散射是入射光与物质间“碰撞”发生能量转移的非弹性散射。
N 2 N1 exp(
√采用时间鉴别技术。
14 （拉曼发射很快，约 10 s
，荧光寿命则要长得多， 108 1012 s ）
五、超拉曼散射 当激发光很强时，原子可以同时吸收两个光子乃至多个光子而从低能态 跃迁到高能态。 在拉曼光谱中是也会出现相类似的情况，当入射激光ω0的功率增强时， 在散射光中会出现频率为2 甚至为3 ω0±ωR的分量，称为超拉曼散射

相干反斯托克斯拉曼光谱学效应

介质内某一拉曼散射的频移值对应拉曼散射始终能级间的间隔相互作用产生相干信号光束?第四束波的空间方向?通过差频共振激励器来的介质内的频率为的相干电极化波使得介质等价于一种三维动态光栅从而有可能对频率为3的探测光束发生衍射作的具有不同空间取向的两束信号光波比较强固定频率?气体
相干反斯托克斯拉曼(CARS) 相干反斯托克斯拉曼(CARS) 光谱学效应
实验装置原理图
• 两入射光采用聚焦后的交叉入射方式
实验例子
优点
• • • • 提供较高的信号光强或亮度 信号光束具有空间定向性，易于与入射光分离 信号光束具有空间定向性， 易于消除可能存在着样品荧光辐射背底影响 聚焦入射可提供较高的分辨率
谢谢
CARS原理 CARS原理
• CARS是一种特殊的四波混频效应。 CARS是一种特殊的四波混频效应。 是一种特殊的四波混频效应 • 特点：三束入射光波中，两束入射光的差频与 特点：三束入射光波中， 待测介质的拉曼跃迁能级间隔产生共振， 待测介质的拉曼跃迁能级间隔产生共振，从而 使三次非线性电极化率得到共振增强， 使三次非线性电极化率得到共振增强，并产生 第四束向高频方向移动的相干波信号， 第四束向高频方向移动的相干波信号，频移值 正好等于介质拉曼光谱频移值。 正好等于介质拉曼光谱频移值
2010级光学工程 级光学工程 商祥年
2010-12-23
目录
• 概述 • 原理 • 实验应用
效应概述
• 基于两作用光束的差频与样品拉曼散射频移 相共振的四波混频效应； 相共振的四波混频效应；
实验装置
• 两束不同频率的激光束入射到待测样品中， 两束不同频率的激光束入射到待测样品中， 并且至少其中一束光的频率是可调谐的； 并且至少其中一束光的频率是可调谐的； • 上述两束入射光频率之差可以调谐到与样品 本身的拉曼跃迁频率发生共振； 本身的拉曼跃迁频率发生共振； • 有关样品光谱学的信息是通过对特定的信息 光束获得的， 光束获得的，这一信息光束可以是通过样品 后的一束入射激光， 后的一束入射激光，也可以是通过多波混频 作用而产生的新的相干辐射光束

基于光谱测量的燃烧诊断技术_庄逢辰

2002年8月第13卷第4期装备指挥技术学院学报J o urnal of the Academ y o f Equipment Co mmand &Technolog y Aug ust 2002V o l.13　No.4　收稿日期:2002-01-15作者简介:李麦亮(1971-),男,博士研究生;庄逢辰(1932-),男,教授,博士生导师,中国科学院院士.基于光谱测量的燃烧诊断技术李麦亮　赵永学　耿　辉　周　进　王振国(国防科技大学航天与材料工程学院,长沙410073)庄逢辰(装备指挥技术学院试验工程系,北京101416) 摘 要:分别介绍了基于发射光谱、相干反斯托克斯喇曼光谱(CARS)和激光诱导荧光光谱(LIF )的燃烧诊断技术的原理、方法、发展现状以及一些具体应用结果,并展望了它们在燃烧科学研究和工程实践中的应用前景。

关　键　词:发射光谱;相干反斯托克斯喇曼光谱;激光诱导荧光;燃烧诊断中图分类号:O 656文献标识码:A 文章编号:CN 11-3987/G3(2002)04-0032-05 21世纪新一代航天运载工具以及各种高性能、低污染、大流强、小尺寸燃烧装置的发展,对燃烧科学研究提出了越来越高的要求。

燃烧诊断是提高燃烧研究水平,推动与燃烧相关的各种先进火箭技术、高超声速飞行器推进技术和能源利用技术发展的重要基础技术,因此长期以来燃烧诊断技术的研究和应用一直受到特别重视。

发达国家如美国、德国、法国和日本的一些先进实验室,特别是与燃烧科学关系密切的推进、动力研究实验室,都在积极采用光学测量技术对燃烧流场进行测量和研究[1～5]。

近几年我国也在这方面开展了研究[6～9]。

在所有可以应用于燃烧诊断的光谱技术中,尤以发射光谱、相干反斯托克斯喇曼光谱(CARS)和激光诱导荧光(LIF)等几种技术研究较多,与以热电偶、气体成份分析仪等为代表的传统手段相比,光谱技术灵敏度高,时间和空间分辨率高,不干扰流场,并且对燃烧场恶劣的测量环境适应性强,测量信息丰富,甚至可以测量燃烧研究甚为关心的各种自由基,这是以前无法做到的。

燃烧理论与基础 12第十二章 燃烧诊断技术


三、红外辐射及颜色定量测量技术


热辐射是物体因本身的温度而以电磁波形式 向外发射能量的物理现象。 辐射测温仪按工作原理可分为“亮度测温仪 ”和“辐射比测温仪”两大类。辐射比测温 仪可分为双色和多色测温仪。

火焰辐射频谱分析方法也属于红外辐射测 温范围。火焰频谱分析试验装置由光探头 、光电转换器、放大滤波电路、A/D转换和 计算机组成。其中光电转换（光电管）和 放大滤波电路均安装在光探头内。在滤波 电路中滤除了信号的高频噪声。火焰信号 频谱估计采用通用的周期图窗函数快速 FFT法。
第三节 数字图像处理方法

数字图像测量火焰温度主要的依据是热辐 射理论和三色法测量温度理论，包括普朗 克黑体辐射定律、维恩公式、斯蒂芬-波尔 兹曼定律和三色法测温公式等，利用BP神 经网络算法、最小二乘法和改进输入的神 经网络算法进行运算。该技术属于光学测 温技术范畴。

基于数字图像处理技术的温度测量系统主 要有火焰图像获取系统和图像采集处理系 统两部分组成。其中图像获取系统包括彩 色CCD摄像机；图像采集处理系统主要是 由一台包括图像采集卡和专用图像测温软 件的多媒体计算机构成。

从激光器发出的相干单色光用分光板分为 两束，一束光经扩束后用来照明被摄物体 ，此称物体光（O光）；另一束光经扩束直 接照射到高分辨率的全息底片上，此称参 考光（R光）。当来自物体的散射光即物体 光在全息底片上与参考光相遇就进行位相 比较，其结果是产生干涉条纹。干涉条纹 经曝光记录在底片上，这就完整的记录了 被摄物体形状和位相，存储了物体景物的 三维信息系。通过干涉条纹确定温度。

实时全息干涉法：首先记录一张位相物体 未变化时物光波标准波面的全息图。经显 影、定影处理后，将该全息图准确复位于 光路中的原来位置。然后，用位相物体变 化后的被测试物光与参考光同时照射全息 图，使直接透过全息图的测试物光波与全 息图所再现的原始物光波相互干涉，从而 获得实时全息干涉图。依据该干涉图上条 纹的变化情况确定被测物理量。

相干反斯托克斯拉曼原理

相互作用长度。
4
CARS原理
CARS显微成像技术利用待测样品分子所固有的分子振动光谱
信号作为显微成像的对比度，能够在无需引入外源标记的条件下
快速获取分子的空间分布图像以及分子之间相互作用的功能信息。
CARS信号强度高，具有强的方向性，另一方面，CARS信号的波长
相对于激发光蓝移，因此CARS显微成像技术能够在高荧光背景条
高的信噪比。调节在探测器前安装的偏振片消除
偏振方向与共振信号不同的非共振背景噪声。
7
相位控制和整形的方法通过对飞秒宽度的 和 进行相位整形，在不同的
光谱成分的相干叠加中引入一个相位失配量，从而达到抑制非共振背景噪
声的目的。
8
外差干涉方法利用共振和非共振部分的本质差异，即共振是复数量，
包含实部
这种方式受到来自溶剂的和样品自身较强的非共振背景噪声的干扰，因此，F-CARS适用于获
取能够产生较大共振信号的特定分子振动图像。图(b)和(c)所示的背向探测CARS和相向激发
CARS显微镜在光路中引入了相位失配量，因此可以有效地减少非共振背景噪声的干扰，大大
改善了图像的对比度。
11
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微光谱仪
2 ሿ是 0， ，其中 是收集透镜的圆锥角，在后向(-z)探测方式
中是 − ， 是入射角，表示探测位置。
10
CARS显微成像技术的实现
图中P为偏振片；OL为物镜；S为样品；F为滤波片；D为双色镜。
前向探测CARS显微镜，能够以较小的光功率激发待测样品，产生较强的CARS信号。但是
相干反斯托克斯拉曼成像
(CARS)
1
CARS原理
CARS过程是一个四波混频的非线性光学过程，在这一过程中包含
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相干反斯托克斯喇曼光谱单脉冲测量火焰温度由于反斯托克斯喇曼光谱(CRDS)可以提供高精度的单脉冲测量，因此，该技术可用于对火焰温度进行精确测量。

CRDS被用来测量大气火焰中的气体温度，这在内燃机燃烧诊断中尤其重要。

CRDS可以利用其高灵敏度和响应非常快的特性来监测火焰中的气体温度。

CRDS 可以测量火焰温度到超过3000 K。

CRDS可以在测量多种火焰的温度时处于优势地位。

例如，CRDS可以在燃气炉火焰中得出更准确的温度读数，而其他技术可能无法。

此外，CRDS可以快速准确地测量低热量，高热量和瞬态火焰的温度变化。

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