[發明專利]用于流場的干涉瑞利散射測速裝置

有效

• 申請號: 201310477264.1
• 申請日: 2013-10-12
• 公開（公告）號: CN103558412A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 邵珺;胡志云;葉景峰;張振榮;李國華;黃梅生
• 申請（專利權）人: 西北核技術研究所
• 主分類號: G01P5/26
• 分類號: G01P5/26
• 代理公司: 西安文盛專利代理有限公司 61100
• 代理人: 李中群

技術領域

本發明涉及是一種流場速度測量裝置，尤其是適用于發動機、風洞等高速流場速度測量的光學測量裝置。

背景技術

采用基于激光的非接觸光學診斷技術診斷航空發動機、內燃機等多種發動機的燃燒流場，獲得流場各種參量信息，對發動機的優化設計和仿真模型的驗證，燃燒效率和發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。

在發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，提供發動機燃燒效率等信息。在流場速度測量方面，絕大多數測量技術，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動機流場診斷時的適用范圍和可靠性。那么，發展一種適用范圍較寬、可信度較高的速度測量技術，對發動機流場的診斷測試具有重要意義。

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。

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，空氣隙標準具優點是測量精度高，缺點是對環境溫度變化和振動非常敏感，限制了工程應用。

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。

發明內容

本發明要解決的技術問題是在瑞利散射技術基礎上，發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。

本發明的技術方案為：

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；

激光器為窄線寬的連續或脈沖激光器；

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，用于將散射光收集至ICCD相機內；

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，散射光經過法布里-珀羅標準具入射至ICCD相機，ICCD相機與數據處理用計算機連接。

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反射鏡反射后進入出射分束鏡。

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數非球面透鏡、小F數非球面透鏡和凹透鏡，大F數非球面透鏡的焦點與探測點重合，小F數非球面透鏡的焦點與凹透鏡的虛焦點重合。

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。

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過探測點后被吸收阱吸收。

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。

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。

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°。

本發明具有的技術效果如下：