CN102589714A - 一种基于高压气体瑞利-布里渊散射频谱测量温度的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于高压气体瑞利-布里渊散射频谱来反演温度的实验装置。该装置是通过探测不同压强下瑞利-布里渊散射频谱中的布里渊频移量来实现不同压强下声速的测量，从而实现温度反演。355nm的单模激光入射到高压气体中，与气体中的各种气体分子相互作用，散射信号经过F-P扫描干涉仪，被光子探测器接收，可以得到高压气体的瑞利-布里渊散射谱，通过谱函数的分析与计算，实现不同压强下气体温度的精确测量。

Description

一种基于高压气体瑞利-布里渊散射频谱测量温度的装置

技术领域：

本发明涉及一种基于高压气体瑞利-布里渊散射频谱来反演不同压强下气体温度的实验装置。

背景技术：

在工业生产中，普遍使用热电偶、热电阻、玻璃液体温度计等温度传感器测量温度。测量高温、高压气流时，传感器在测量端热平衡时，面对着复杂的传热影响。因此，在测量过程中，温度传感器的温度并不等于气流的实际温度。而高温气体瞬时温度的测量更是温度测量中的难点，主要原因是温度高、压强大，温度变化速度快。

目前测量高温高压气体的常用方法分为接触式和非接触式。用接触式测温法测量时，由于感温元件对温度场的扰动、传感器的热惯性以及测温区域的局限性，因此其测量结果不甚理想。非接触式测温法，特别是光学测温法，由于其测量范围大、响应快、不干扰被测温度场和瞬态响应好等优点，因而在温度场的测量方面具有独特的优越性。

文中提出了一种新型的、通过测量大气布里渊频移实现对高压气体温度实时探测的方法。由于高压气体的布里渊频移与大气温度成一一对应的关系，因此只要准确的测量出高压气体的布里渊频移量即可反演出温度大小。

发明内容：

为了实现高压气体温度的精确测量，我们提出了一种利用高压瑞利-布里渊散射频谱来反演温度的新方法。该方法是通过公式(1)测量高压气体的布里渊频移，来实现声速的测量，理论研究表明，理想气体的温度与声速服从公式(2)，所以可以推导温度与布里渊的频移服从公式(3)：

$\mathrm{\Δ\υ}=\±\frac{2\mathrm{nv}}{\mathrm{\λ}}\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}---\left(1\right)$

$v=\sqrt{\frac{\mathrm{\γ}\·R\·T}{m}}---\left(2\right)$

$T=\frac{{\mathrm{m\λ}}^2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}^2}{{4n}^2\mathrm{\γR}{\sin }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2}}---\left(3\right)$

式(1)中Δυ为介质中的布里渊频移，n为介质折射率，v为介质中的声速，λ为入射的激光波长，θ为散射角，±对应斯托克斯与反斯托克斯光

式(2)中v为介质中的声速，γ为理想气体的比热容比，R为理想气体常数，T为气体温度，m为海平面上空气的分子量

所以，只要实验上确定了频移Δυ，即可根据公式(3)反演出高压气体温度。

本发明提供了一种新测量高压气体温度的实验装置，实现了高压温度的精确测量。

本发明探测***包括：注入式脉冲激光器或连续激光器(1)，355nm的全反镜(2、3、4、13)，滤光***(7)，准直和滤光***(11、12)，狭缝(10、18、21、23)，凸透镜(5、8、11、14、17、19、20、22)，散射池(6)，扫描干涉仪(15)，能量回收池(9)，信号探测装置(16)。

本发明解决技术问题的方案是：激光器(1)输出波长为355nm的竖直偏振的窄带光，由355nm全反镜(2)将95％的光反射到全反镜(3)，5％的光透射到滤光***(7)，经凸透镜(8)后，经过到散射池(6)，用于光路的校正。经过全反镜(3)的光又经过全反镜(4)与聚焦透镜(5)，射入到散射池(6)中，与气体分子相互作用，产生散射信号，最终透过散射池进入能量回收池(9)。装置从90°方向探测散射信号，为了保证散射信号能最大效率的耦合到分光***(15)中，散射信号经过狭缝(10)，准直与滤光***(11、12)，全反镜(13)，被凸透镜(14)聚焦到扫描干涉仪(15)中，最终散射信号被光子探测器(PMT)和计算机进行观测。

本新方法和探测***的技术优势是显而易见的。一、采用高压下的瑞利-布里渊散射频谱来反演不同压强的气体温度，即在得到散射频谱后利用布里渊频移公式，通过计算机程序实时反演温度，是一种新的利用光谱法来测量高压温度的的方法。二、探测***具有很高的可靠性和精确度，主要体现在：1.采用355nm激光在高压下的瑞利-布里渊散射频谱，可以采到明显的布里渊散射峰，实现温度的精确反演。2.采用置于恒温下的扫描式F-P干涉仪作为高分辨率分光***，实现对布里渊频移的精确测量。3.将F-P干涉仪置于恒温箱中，减少了外界环境对其的影响，提高了探测***的可靠性和稳定性。4.散射池置于温度、压力都可调的调节箱中，可以模拟不同压强、温度的气体，实现不同压强下的温度测量。5.散射池采用布儒斯特窗的设计，大大减弱了池内的反射光，增强了散射信号。6.使用光子探测器与光子采集卡探测光谱图像，可以获得高灵敏度、高分辨率的光谱图像。

附图说明：

附图1给出了高压气体的瑞利-布里渊散射频谱的探测装置原理图。

附图2给出了装置中滤光***的原理图。

附图3给出装置中散射信号的滤光及光斑直径整合原理图。

附图4给出了光子探测器采集的实验光谱图。

具体实施方式

实施例1：

如附图1所示，该装置包括：注入式脉冲激光器或连续激光器(1)，355nm的全反镜(2、3、4、13)，滤光***(7)，准直和滤光***(12)，狭缝(10、18、21、23)，凸透镜(5、8、11、14、17、19、20、22)，散射池(6)，扫描干涉仪(15)，能量回收池(9)，信号探测装置(16)。

激光器(1)输出波长为355nm的竖直偏振的窄带光，经355nm全反镜(2)将95％的光反射到全反镜(3)，5％的光透射到滤光***(7)，经凸透镜(8)后，射入散射池(6)中，用于光路的校正。经过全反镜(3)的光经过全反镜(4)及聚焦透镜(5)，射入到散射池(6)中，与气体分子相互作用，产生散射信号，最终透过散射池进入能量回收池(9)。装置从90°方向探测散射信号，为了保证散射信号能最大效率的耦合到分光***(15)中，散射信号经过滤光狭缝(10)，准直与滤光***(11、12)，全反镜(13)，被凸透镜(14)聚焦到扫描干涉仪(15)中，最终散射信号被信号探测装置(16)和计算机进行观测。

实施例2：

如附图2所示，滤光***(7)包括：凸透镜(17、19)和狭缝(18)

为了在实验中校准实验装置，将5％的光设为参考光，而为了保证激光束的质量，5％的激光通过凸透镜17(f₁₇＝10cm)，狭缝18(D₁₈＝50um)，凸透镜19(f₁₉＝10cm)所组成的空间滤波***进行滤波，目的是为了消除光束的空间起伏，使其截面上的场强分布均匀化。

实施例3：

如附图3所示，滤光与光斑直径整合***(12)包括：凸透镜(20、22)和狭缝(21、23)。

为了在实验中探测到微弱的散射信号，实现布里渊散射信号的探测，必须将散射信号尽可能的耦合到高分辨的分光***(15)中，所以在分光***前设计了狭缝10、透镜11(D₁₀＝0.1mm，f₁₁＝75mm)和滤光与光斑直径整合***(12)，信号首先通过狭缝10(D₁₀＝0.1mm)减小空间发散角，由透镜11(f＝75mm)进行准直，然后被透镜20(f₂₀＝50mm)聚焦到狭缝21(D₂₁＝50um)上进行空间滤波，最后由透镜22(f₂₂＝50mm)再次准直，为了将光斑直径限制在扫描干涉仪可以接受的范围内，将其通过狭缝23(D₂₃＝1.5mm)进行光斑直径校正，最终让光斑可以最大限度的耦合到F-P中。

附图4是用附图1和附图2及附图3组成的探测***进行高压下气体瑞利-布里渊频谱测量时，光子探测器采集到的光谱图。如附图4所示，只要测量到布里渊散射信号，就可根据布里渊频移公式反演出不同高压下的气体温度。

Claims (4)

1.一种基于高压瑞利-布里渊散射频谱来反演气体温度的装置，该装置包括注入式脉冲激光器或连续激光器(1)，355nm的全反镜(2、3、4、13)，滤光***(7)，准直和滤光***(12)，狭缝(10、18、21、23)，凸透镜(5、8、11、14、17、19、20、22)，散射池(6)，扫描干涉仪(15)，能量回收池(9)，信号探测装置(16)。

激光器(1)输出波长为355nm的竖直偏振的窄带光，经355nm全反镜(2)将95％的光反射到全反镜(3)，5％的光透射到滤光***(7)，经凸透镜(8)后，射入散射池(6)中，用于光路的校正。经过全反镜(3)的光经过全反镜(4)及聚焦透镜(5)，射入到散射池(6)中，与气体分子相互作用，产生散射信号，最终透过散射池进入能量回收池(9)。装置从90°方向探测散射信号，为了保证散射信号能最大效率的耦合到分光***(15)中，散射信号经过滤光狭缝(10)，准直与滤光***(11、12)，全反镜(13)，被凸透镜(14)聚焦到扫描干涉仪(15)中，最终散射信号被信号探测装置(16)和计算机进行观测。

2.如权利要求1所述的基于高压瑞利-布里渊散射频谱来反演气体温度的装置，其特征在于：散射池(6)的设计，一、采用布儒斯特窗，可以大大减小散射池的反射光；二、能通过外部温度、压力的调节来模拟不同温度和压强的气体，实现不同压强下高温气体的测量。

3.如权利要求1所述的基于高压瑞利-布里渊散射频谱来反演气体温度的装置，其特征在于：f-p扫描干涉仪的放置和参数的选择，实现了微弱散射信号的探测，一、将f-p置于温度可控的恒温箱中，可以保证f-p使用的稳定性和可靠性；二、f-p的主要参数为：自由光谱范围30GHZ，F-P的镜面反射率为99％，中心波长355nm，带宽230MHZ，精细度130.

4.如权利要求1所述的基于高压瑞利-布里渊散射频谱来反演温度的装置，其特征在于：探测光路中50um狭缝(21)的选择，实现空间滤波，滤除散射信号中的杂散光，使散射信号的探测成为可能。

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