CN102889959A - 一种基于瑞利-布里渊散射频谱特性测量气体压力的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于气体瑞利-布里渊散射频谱来测量气体压力的新方法和实验装置。该方法是通过探测不同温度下瑞利-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，从而实现压力的测量。355nm，532nm和1064nm的单模激光射入到散射池气体中，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，实现不同温度下气体压力的精确测量。

Description

一种基于瑞利-布里渊散射频谱特性测量气体压力的装置

技术领域：

本发明涉及一种基于气体瑞利-布里渊散射的频谱测量气体压力的装置。

技术背景：

在工业生产中，普遍使用压力表，压力传感器，水银大气压力计，绝压传感器的大气压力计等气压传感器测量气体压力。测量高压、高温气流时，气压传感器在测量时面对着较多的影响。因此，在测量过程中，气压传感器的压力并不能很好的测量实际压力。而高压气体瞬时的测量更是压力测量中的难点，主要原因是，温度高，压力大，温度变化快。

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。用接触式测量压力时，由于感压元件对压力场的扰动、传感器的惯性以及测压区域的局限性，因此其测量结果不甚理想。非接触式测压法，特别是光学测压法，由于其测量范围大、响应快、不干扰被测量压力场和瞬态响应好等优点，因而在压力场的测量方面具有独特的优越性。

文中提到了一种新型的、通过测量大气布里渊频移实现对高温气体的压力实时测量的方法。由于高温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温气体的布里渊频移量即可得到压力的大小。

发明内容：

为了实现高温气体压力的精确测量，我们提出了一种利用瑞利-布里渊散射频谱测量压力的方法。该方法是通过公式(1)，测量一定温度下的布里渊频移，来实现声速的测量，理论表明，理想气体的温度与声速服从公式(2)，所以可以推到温度与布里渊的频移服从公式(3)：

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

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

$p=\frac{{\mathrm{ml}}^2{\mathrm{Dv}}^{2}N}{{4N}^2\mathrm{gsi}{n}^2\frac{q}{2}{\mathrm{VN}}_A}---\left(3\right)$

式(1)中Δv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为入射激光波长，θ为散射角，±为对应的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，R为理想气体常数，T为气体温度，m为空气的分子量。

因此，只要实验上确定了频移Δv，即可根据公式(3)得到气体的压力。公式(3)中的V为气体体积，N为分子数，N_A为阿伏伽德罗常数。

本发明提供了一种新测量气体压力的实验装置，实现了在高温的气体压力的测量。

本发明探测***包括：注入式脉冲激光器，包括355nm，532nm，1064nm的三种波长激光器(1)，凸透镜(2，4，6，10，12，15，17)，准直和滤光***(11)，偏振片(5)，狭缝(3，9，16，18)，散射池(7)，扫描干涉仪(13)，能量回收池(8)，信号探测装置(14)。

本发明解决的技术问题方案是：激光器(1)输出波长为355nm，532nm和1064nm的竖直偏振的窄带光，经过凸透镜(2)进行汇聚，再经过狭缝(3)滤波，到达凸透镜(4)进行准直，经过偏振片(5)，再到凸透镜(6)，到达散射池(7)中，与气体分子相互作用，产生信号，最终透过散射池进入能量回收池(8)。装置从180°探测气体池(7)中产生的散射信号，为了保证散射信号能最大效率的耦合到分光***(13)中，散射信号经过凸透镜(6)进行准直，经过二分之一玻片(15)，再通过偏振片(5)，经过滤光狭缝(9)，准直和滤波***(10，11)，被凸透镜(12)汇聚到扫描干涉仪(13)中，最终散射信号被散射信号探测装置(14)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、采用瑞利-布里渊散射频谱来计算气体的压力，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得到气体压力，是一种新的利用光谱法来测量压力的方法。二、探测***具有很高的可靠性和精确度，主要体现在：1.采用355nm，532nm和1064nm激光可以得到明显的布里渊散射峰，实现压力的精确计算。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影响，提高了探测***的可靠性和稳定性。4.散射池置于温度和压力都可以调节的调节箱中，可以模拟不同压力，温度的气体，实现不同温度下的压力测量。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给出了瑞利-布里渊散射频谱特性的探测装置原理图。

附图2给出了装置中的准直和滤波***的原理图。

附图3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(1)，凸透镜(2，4，6，10，12，15，17)，准直和滤光***(11)，偏振片(5)，狭缝(3，9，16，18)，散射池(7)，扫描干涉仪(13)，能量回收池(8)，信号探测装置(14)。

激光器(1)输出波长为355nm，532nm和1064nm的竖直偏振的窄带光，经过凸透镜(2)进行汇聚，再经过狭缝(3)滤波，到达凸透镜(4)进行准直，经过偏振片(5)，入能量回收池(8)。装置从180°探测气体池(7)中产生的散射信号，为了保证散射信号能最大效率的耦合到分光***(13)中，散射信号经过凸透镜(6)进行准直，通过偏振片(5)，经过滤光狭缝(9)，准直和滤波***(10，11)，被凸透镜(12)汇聚到扫描干涉仪(13)中，最终散射信号被散射信号探测装臂(14)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(15，17)和狭缝(16，18)。

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率的分光***(11)中，所以在分光***设计了狭缝狭缝9、透镜10(D₁₀＝0.1mm，f₁₁＝80mm)和滤光与光斑直径整合***(11)，信号首先通过狭缝9(D₁₀＝0.1mm)减小空间发散角，有透镜10(f＝80mm)进行准直，然后被透镜15(fl5＝50mm)聚焦到狭缝16(D16＝100um)进行空间滤波，最后由透镜17(fl7＝50mm)再次准直，为了使得光斑直径限制在扫描仪可以接受的范围内，将其通过狭缝18(D18＝2mm)进行光斑直径校正，最终让光斑可以最大限度耦合到f-p内。

附图3是使用附图1和附图2组成的探测***进行瑞利-布里渊频谱测量得到的，光子探测器采集到的光谱图。如附图3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得到气体压力。

Claims (6)

1.一种基于瑞利-布里渊散射频谱测量气体压力的装置，该装置包括注入式脉冲激光器(1)，凸透镜(2，4，6，10，12，15，17)，准直和滤光***(11)，偏振片(5)，狭缝(3，9，16，18)，散射池(7)，扫描干涉仪(13)，能量回收池(8)，信号探测装置(14)。

激光器(1)输出波长为355nm，532nm和1064nm的竖直偏振的窄带光，经过凸透镜(2)进行汇聚，再经过狭缝(3)滤波，到达凸透镜(4)进行准直，经过偏振片(5)，再到凸透镜(6)，到达散射池(7)中，与气体分子相互作用，产生信号，最终透过散射池进入能量回收池(8)。装置从180°探测气体池(7)中产生的散射信号，为了保证散射信号能最大效率的耦合到分光***(13)中，散射信号经过凸透镜(6)进行准直，通过偏振片(5)，经过滤光狭缝(9)，准直和滤波***(10，11)，被凸透镜(12)准直到扫描干涉仪(13)中，最终产生的散射信号被散射信号探测装置(14)和通过计算机进行图像和数据的观测与记录。

本实验方法具有很高的光谱分辨率，探测精度高等很多优点，在实际生活中具有高强的应用价值，为以后此类方法探测奠定了一定的基础。

2.如权利要求1所述的基于瑞利-布里渊散射频谱测量气体压力的装置，其特征在于：散射池(7)的设计，一、能通过调节外部压力，温度来模拟不同温度和压强的气体，实现不同温度下不同压力的测量，采用布儒斯特窗，可以大大减小散射池的反射光，减少杂散光的干扰才能得到明显的散射信号

3.如权利要求1所述的基于瑞利-布里渊散射频谱测量气体压力的装置，其特征在于：探测光路中100um狭缝(16)的选择，实现空间滤波，滤除散射信号的杂散光，散射信号的探测才能够实现。

4.如权利要求1所述的基于瑞利-布里渊散射频谱测量气体压力的装置，其特征在于：f-p扫描干涉仪的放置和参数的选择，实现了微弱信号的探测，一、将f-p置于温度可控的恒温箱中，可保证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的前后镀膜的两个镜面反射率都为99％，中心波长为355nm，532nm和1064nm等，带宽为130MHZ，精细度为130。

5.如权利要求1所述的基于瑞利-布里渊散射频谱测量气体压力的装置，其中一个关键在于狭缝(16)的选择，狭缝的大小直接影响探测到的信号的强弱和噪声的强度。

6.如权利要求1所述的基于瑞利-布里渊散射频谱测量气体压力的装置，在进行肉眼观察不到的1064nm光的实验时，先用绿光进行光路的校准，使得光路的状态在最佳的状态时在进行1064nm光进行探测。

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