[發明專利]一種CARS測溫方法和裝置

有效

• 申請號: 202110439167.8
• 申請日: 2021-04-22
• 公開（公告）號: CN113155311B
• 公開（公告）日: 2023-04-11
• 發明（設計）人: 宋云飛;于國洋;楊延強
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院流體物理研究所
• 主分類號: G01K11/324
• 分類號: G01K11/324
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 林菲菲

本發明公開了一種CARS測溫方法和裝置，本發明的方法根據氮氣時域曲線隨溫度的變化規律，找到兩個對溫度變化敏感的特定延遲時間，利用這兩個延遲時間的信號強度比進行測溫；在測試數據解析環節采用了基于振動相干原理的簡易方法，大大簡化了從測試數據中提取溫度信息的計算難度；在具體應用時，首先，獲得兩個特定延遲時間的信號強度比隨溫度變化的定標曲線，然后，通過實際測量得到這兩個特定延遲時間的信號強度，并計算得到兩個實測信號強度比，之后，根據實測信號強度比從定標曲線中直接讀出對應的溫度值。本發明具有信號強度大，測量準確度高、測試數據處理簡單、測溫速度快的優點。

技術領域

本發明涉及高溫火焰溫度測量技術領域，具體涉及一種CARS測溫方法和裝置。

背景技術

高溫火焰的溫度測量在航空發動機、冶金爐等大型燃燒設備的工作狀態診斷中發揮重要作用。對于2000K以上的超高溫火焰，傳統的接觸式測溫方法通常難以有效發揮作用，而光學測溫技術因具有非接觸的特點在超高溫火焰溫度測量方面具有獨特優勢。

CARS(相干反斯托克斯拉曼散射)技術是一種非線性相干光譜技術，在火焰溫度測量方面已有多種實用的技術方案。在CARS測溫技術中，需要選定一種溫度探針分子，通過CARS光譜獲取探針分子在振動和轉動能級上的布居分布狀態，進而根據熱力學定律計算出被測體系的溫度。在空氣支持燃燒的火焰中，氮氣(N₂)大量存在且一般不參與燃燒化學反應，因此是一種理想的、同時也是CARS測溫技術中普遍采用的溫度探針分子。目前，基于CARS的測溫技術在具體的實施方案上大體可以區分為兩類：頻譜測溫方法和時域測溫方法。其中，頻譜測溫法研究較為深入，應用較多，是相對成熟的技術；而時域測溫法的研究和應用比較稀少，屬于新興技術。

頻譜CARS測溫技術：CARS的頻譜(即通常意義上的CARS光譜)反映了信號光強隨發射波長的變化，光譜中與探針分子振轉能級共振的位置出現譜峰，譜峰的強度反映了對應能級上的布居情況，因此通過對頻譜的擬合可以得到體系溫度。頻譜測溫技術要求能夠分辨探針分子的轉動能級分布，因此要求測試系統有較高的光譜分辨率，一般使用納秒脈沖激光作為光源。目前頻譜CARS測溫技術有諸多具體的方案，不同方案之間的區別主要體現在激發光的相位匹配方式或偏振方向不同，從而達到提高信號光量子產率、或抑制非共振電子背底的目的，最終實現測溫精度的提高。近年來還出現了多物種探測的頻譜測溫方案，在測試系統的光路中集成了多個不同波長的激光，能夠同時激發兩種或三種不同的探針分子，在測量溫度的同時，還能夠獲得火焰組分相對濃度的信息。

時域CARS測溫技術：時域CARS記錄信號光強隨延遲時間的變化，該變化過程通常被稱為分子某振動模式的動力學曲線或時域曲線。分布在各個振/轉能級上的分子具有不同的振/轉動周期，時域CARS直接探測到的是所有能級各自振/轉過程的相干疊加，表現為一條形狀復雜的動力學曲線，通過對該曲線進行擬合同樣可以獲得體系的布居情況和溫度。氣體分子的轉動周期一般為幾十皮秒，因此時域CARS一般使用飛秒或皮秒脈寬的超短脈沖激光作為光源。利用時域CARS技術進行測溫需要逐點掃描信號強度隨延遲時間的變化，得到完整或局部的動力學曲線，數據采集時間較長，因此一般只用來進行穩態的溫度測量，對于湍流燃燒或溫度劇烈變化的情況則難以適用。針對這一問題，國外技術人員已經開發出了一種基于啁啾脈沖展寬探測的時域測溫技術，無需掃描，通過單脈沖探測即可獲得局部的動力學曲線，結合高速探測器，原理上能夠實現動態測溫。

現有的頻譜CARS測溫技術多使用納秒脈沖激光作為光源，雖然納秒激光具有較高的單脈沖能量，但功率密度相對較低(相對超短脈沖激光)。而CARS作為一種三階非線性光學現象，其信號產率直接依賴于激發光的功率密度。因此頻譜探測技術中的CARS信號強度通常較弱，在復雜的燃燒環境下易受干擾。此外，頻譜CARS的光譜中同時包含非共振電子背底的貢獻，非共振電子背底來源于材料中電子對光電場的瞬時響應，不僅是溫度探針分子，火焰中的其它物種都會產生非共振電子背底信號。因此非共振電子背底會嚴重影響測溫精度，且本質上難以消除。通過對激發光偏振方向的控制可以從一定程度上抑制非共振電子背底，但與此同時，CARS信號的強度也會被進一步衰減。