CN104931725A - 正交两分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流场正交两分量同时测量的干涉瑞利散射测速装置，包括激光器、流场交互单元、前向和背向散射光收集单元、参考单元和探测单元；流场交互单元包括沿激光器出射光路依次设置的半波片和聚焦透镜，探测点设置在激光器出射光路上并靠近聚焦透镜的焦点，待测量流场流过探测点，流场方向与激光出射方向倾斜设置；散射光收集单元为与流场方向倾斜设置的透镜组和凹球面反射镜；参考单元包括入射分束镜、反射镜和出射分束镜，探测单元包括沿散射光路设置的法布里-珀罗标准具和ICCD相机。本发明通过分别测量前向散射光和背向散射光的多普勒偏移，获得正交两速度分量的测量，适用于包括燃烧流场在内的大多数诊断流场。
Description
技术领域
本发明涉及是一种流场速度测量装置，尤其是可同时获得正交两速度分量的流场多点测速装置。
背景技术
发动机燃烧流场的实验及测量是发动机研制的重要环节。目前，航空吸气式发动机技术正在向高温、高压强、高马赫数、高湍流等极端燃烧条件方向发展，常规的接触式传感器测量手段已无法满足测试要求，而基于激光和光谱的燃烧流场激光诊断方法成为发动机燃烧流场实验定量测量的重要工具。在发动机燃烧流场诊断参量中，温度和速度是两个最基本的参量，通过流场静温和速度的测量，可以计算流场总温，提供发动机燃烧效率等信息。粒子图像测速(PIV)技术是比较常用的流场速度测量技术，在湍流场测量方面发挥重要作用。但PIV技术属于间接测量，测量时需要添加示踪颗粒物，示踪颗粒物存在本身活性、耐温性、流场跟随性等方面的问题，在高温、高超音速流场中会发生示踪颗粒物的集聚和烧熔，这些因素使得其在极端燃烧条件下的高精度定量测量变得困难。
瑞利散射(RS)技术是基于流场本身分子弹性散射的光学测量方法，它是利用流场分子产生的散射光来测量流场参量。一束激光与流场分子作用后，其瑞利散射光谱则包含了流场的温度、密度和速度等信息。其中，瑞利散射光和入射激光的中心波长的偏移则反映了流场的速度信息。这种偏移是由于多普勒频移效应引起的，散射光的多普勒频移偏移量较小(GHz量级)，需要采用高分辨干涉分光仪器来检测，其中法布里-珀罗标准具因其结构简单、适用方便、高分辨而被采用。通过标准具测量散射光的多普勒频移，再通过多普勒频移与流场速度的关系公式计算得到流场一个方向上的速度分量。
由于散射光的多普勒频移与探测方向有关，要获得完整的速度矢量，必须在两两正交的三个方向上同时探测，相应的就需要三套测量***，相应的增加了实验成本和空间需求。
目前相关的申请专利“用于流场的干涉瑞利散射测速装置”，申请专利号：201310477264.1，其实现效果是一套装置只能测量一个速度分量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在用标准具检测流场散射光多普勒频移的测速装置基础上，发展一套同时测量正交两速度分量的流场多点测速装置，节省测量成本和测量所需空间。
本发明的技术方案为：
正交两分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置，包括激光器、流场交互单元、前向和背向散射光收集单元和探测单元；
激光器为窄线宽的连续或脉冲激光器；
流场交互单元包括沿激光器出射光路依次设置的半波片和聚焦透镜，探测点设置在激光器出射光路上并靠近聚焦透镜的焦点，待测量流场流过探测点，流场方向与激光出射方向倾斜设置；
前向和背向散射光收集单元分为前向散射光收集和后向散射光收集两部分。包括设置在聚焦透镜的焦点两侧的透镜组和凹球面反射镜，与出射光路成90°放置的透镜组，用于将前向散射光收集至ICCD相机内，而对向放置的凹球面反射镜用于反射背向散射光，并与前向散射光一起进入与流场方向倾斜设置的透镜组；
探测单元包括沿散射光路设置的法布里-珀罗标准具和ICCD相机，散射光经过法布里-珀罗标准具入射至ICCD相机，ICCD相机与数据处理用计算机连接。
上述正交两分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置中，还包括参考单元，参考单元包括入射分束镜、反射镜和出射分束镜，入射分束镜设置在流场交互单元的半波片和聚焦透镜之间，与激光入射光呈45°夹角；出射分束镜设置在探测单元的法布里-珀罗标准具前，并与散射光呈45°夹角；入射分束镜将参考光引出经反射镜反射后进入出射分束镜。
上述正交两分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置中，透镜组包括沿散射光路依次设置的短焦非球面透镜、长焦非球面透镜和凸透镜，短焦非球面透镜的焦点与探测点重合，长焦非球面透镜的焦点与凸透镜的焦点重合，凹球面反射镜的焦点与探测点重合。
上述正交两分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置中，法布里-珀罗标准具为固体标准具。
上述正交两分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置中，激光器的出射光束经过探测点后被吸收阱吸收。
上述正交两分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置中，入射分束镜、出射分束镜的透反比为100～1000:1。
上述正交两分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置中，入射分束镜、出射分束镜的透反比为500:1。
上述正交两分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置中，散射光收集方向、激光出射方向和流场方向均在同一个平面，激光出射方向与散射光收集方向夹角为90°。
本发明具有的技术效果如下：
一、申请专利号：201310477264.1的发明专利是一套装置只能获得一个方向上的速度分量。本发明采用一套测量装置同时测量正交两个速度分量。在收集光路中，采用凹球面球反射镜将背向散射光反射并聚焦返回到原探测点，与前向散射光一起收集到检测光路中，经过标准具干涉后成像到ICCD上。数据处理时分别拟合前向和背向散射光的干涉信号，获得两个方向上的多普勒频移，并计算得到正交两个方向上的速度分量；
二、本发明的测量装置可以获得空间多点的速度分布。当探测区域信号为线光源时，在ICCD上表现为满足特定倾角方向的干涉斑。不同干涉斑的频移情况分别反映了探测区域对应空间点的流场速度情况，通过这种光路设计，能够获得流场多点的速度信息；
三、采用该测速装置可节省测量成本和测量所需空间。
附图说明
图1为本发明正交两速度分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置原理图；
图2为本发明流场方向、激光入射方向、前向和背向散射光收集方向布局示意图；
图3为本发明ICCD上获得的干涉环示意图。
附图标记如下：
1—激光器；2—流场交互单元；3—前向和背向散射光收集单元；4—探测单元；5—参考单元；6—半波片：7—聚焦透镜；8—吸光阱；9探测点；10—短焦非球面透镜；11—长焦非球面透镜；12—凸透镜；13—法布里-珀罗标准具；14—入射分束镜；15—反射镜；16出射分束镜；17—ICCD相机；18—计算机；19—ICCD镜头；20—ICCD感光面；21—凹球面反射镜；22—入射激光干涉环；23—前向散射频移光干涉斑；24—背向散射频移光干涉斑；24—前向散射光频移量；24—背向散射光频移量。
具体实施方式
图1为测速装置的***组成图。测速***包括激光器1、流场交互单元2、前向和背向散射光收集单元3、探测单元4和参考单元5组成。
激光器1采用窄线宽连续或脉冲激光器，可采用种子注入锁定的可调谐Nd:YAG激光器，其二倍频532nm激光作为入射光。
流场交互单元2包括半波片6和聚焦透镜7，激光经半波片6调节偏振方向后，经聚焦透镜7聚焦到探测点9附近，探测点9越靠近焦点其获得的信号就越强，出射激光最后由吸收阱8吸收。
前向和背向散射光收集单元3包括与激光入射方向成一定倾斜角度的透镜组和凹球面反射镜21。前向散射光收集单元3采用短焦非球面透镜10收集流场分子的前向散射光，通过长焦非球面透镜11重新聚焦，再经过一个凸透镜12压缩整形为口径较小的平行光，进入法布里-珀罗标准具13中进行检测。与透镜10共焦点对向放置的凹球面反射镜21用来接收背向的散射光并将其反射到前向光路中，与前向接收的散射光一起进入标准具13中。
探测单元4包括ICCD17和计算机18，干涉环通过ICCD镜头19成像到ICCD的感光面20上，图像最后由计算机记录。
参考单元5采用入射分束镜14从入射光源分出一小部分激光，经过反射镜15，再通过出射分束镜16与整形为平行光的散射光耦合到一起，进入法布里-珀罗标准具13中。分束镜的分束比可根据现场情况而定，确保ICCD上散射光斑和参考光干涉环均能清楚显示即可，通常可选择分束镜透反比为100-1000：1，本发明优选500：1。
增加光路单元的优点是，将静止区域参考光引起的干涉环和流场区域的散射光引起的散射斑由ICCD同时记录，通过实时测量二者的相对频移，获得流场速度，消除了激光器输出波长抖动对检测频移的影响，提高了测量精度。
如图2所示，作为一种优选方式，激光束在水平面方向与流场速度方向υ成22.5°斜入射进入流场，与流场相互作用，入射光波矢方向为e0。前向散射光收集波矢方向为es，前向散射光收集方向与激光出射方向和流场方向均在同一个平面，收集方向与入射光方向成90°，其测量的为流场速度的V∥分量，如图2(a)所示。背向散射光收集波矢为es’,背向散射光收集方向与激光出射方向和流场方向均在同一个平面，收集方向与入射光方向成-90°，其测量的为流场速度的V⊥分量，如图2(b)所示。
如图3所示，参考光经反射镜15，通过出射分束镜16与整形为平行光的散射光耦合到一起，进入法布里-珀罗标准具13中形成多个干涉环，而散射光则形成靠近干涉环的干涉斑，最后同时通过ICCD镜头19成像到ICCD感光面20上，由计算机18记录和处理。根据多普勒效应原理，当流场流速为零时，干涉斑的中心则位于干涉环顶点的圆圈线上，并随着流场流速的增大向圆圈线的外部偏移，故通过测量其中一只干涉斑中心和干涉环顶点圆圈线的偏移量，就可得到该干涉环对应的入射激光和散射光的频移量Δν，进而通过理论计算得到流经该处的流场流速，不同干涉斑的频移反映了空间不同点的速度情况。通过微调凹面反射镜的俯仰，将背向散射光形成的干涉斑24与前向散射光形成的干涉斑23在垂直方向上调开，那么两行干涉斑就分别记录了前向散射光的多普勒频移25和背向散射光的多普勒频移26，分别测量前向散射光和背向散射光形成干涉斑的多普勒频移，就可以获得流场探测点的正交两各速度分量V∥和V⊥。
Claims (8)
1.正交两分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置，其特征在于：包括激光器(1)、流场交互单元(2)、前向和背向散射光收集单元(3)和探测单元(4)；
所述的激光器(1)为窄线宽的连续或脉冲激光器；
所述的流场交互单元(2)包括沿激光器出射光路依次设置的半波片(6)和聚焦透镜(7)，所述的探测点(9)设置在激光器(2)出射光路上并靠近聚焦透镜(7)的焦点，所述的待测量流场流过探测点(9)，所述的流场方向与激光出射方向倾斜设置；
所述的前向和背向散射光收集单元(3)包括设置在聚焦透镜(7)的焦点两侧的透镜组和凹球面反射镜(21)，所述的透镜组用于将流场前向散射光收集至ICCD相机内，所述的凹球面反射镜(21)用于将流场背向散射光反射并通过前向透镜组与前向散射光一起收集至ICCD相机内；
所述的探测单元(3)包括沿散射光路设置的法布里-珀罗标准具(13)和ICCD相机(17)，散射光经过法布里-珀罗标准具(13)入射至ICCD相机(17)，所述的ICCD相机(17)与数据处理用计算机(18)连接。
2.根据权利要求1所述的正交两分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置，其特征在于：还包括参考单元(5)，所述的参考单元(5)包括入射分束镜(14)、反射镜(15)和出射分束镜(16)，所述的入射分束镜(14)设置在流场交互单元(2)的半波片(6)和聚焦透镜(7)之间，与激光入射光呈45°夹角；所述的出射分束镜(16)设置在探测单元(3)的法布里-珀罗标准具(13)前，并与散射光呈45°夹角；所述入射分束镜(14)将参考光引出经反射镜(15)反射后进入出射分束镜(16)。
3.根据权利要求1所述的正交两分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置，其特征在于：所述的透镜组包括沿散射光路依次设置的短焦非球面透镜(10)、长焦非球面透镜(11)、凸透镜(12)及凹球面反射镜(21)，所述短焦非球面透镜(10)的焦点与探测点(9)重合，所述长焦非球面透镜(11)的焦点与凸透镜(12)的焦点重合，所述凹球面反射镜的焦点与探测点(9)重合。
4.根据权利要求1或2所述的正交两分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置，其特征在于：所述的法布里-珀罗标准具(13)为固体标准具。
5.根据权利要求1所述的正交两分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置，其特征在于：所述的激光器(1)的出射光束经过探测点(9)后被吸收阱(8)吸收。
6.根据权利要求2所述的正交两分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置，其特征在于：所述的入射分束镜(14)、出射分束镜(16)的透反比为100～1000:1。
7.根据权利要求2所述的正交两分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置，其特征在于：所述的入射分束镜(14)、出射分束镜(16)的透反比为500:1。
8.根据权利要求1所述的正交两分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置，其特征在于：所述散射光收集方向、激光出射方向和流场方向均在同一个平面，激光出射方向与散射光收集方向夹角为90°。
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