正交兩分量同時(shí)測(cè)量的流場(chǎng)多點(diǎn)干涉瑞利散射測(cè)速裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及是一種流場(chǎng)速度測(cè)量裝置，尤其是可同時(shí)獲得正交兩速度分量的流場(chǎng)多點(diǎn)測(cè)速裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)及測(cè)量是發(fā)動(dòng)機(jī)研制的重要環(huán)節(jié)。目前，航空吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)正在向高溫、高壓強(qiáng)、高馬赫數(shù)、高湍流等極端燃燒條件方向發(fā)展，常規(guī)的接觸式傳感器測(cè)量手段已無(wú)法滿足測(cè)試要求，而基于激光和光譜的燃燒流場(chǎng)激光診斷方法成為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)定量測(cè)量的重要工具。在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場(chǎng)診斷參量中，溫度和速度是兩個(gè)最基本的參量，通過(guò)流場(chǎng)靜溫和速度的測(cè)量，可以計(jì)算流場(chǎng)總溫，提供發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率等信息。粒子圖像測(cè)速(PIV)技術(shù)是比較常用的流場(chǎng)速度測(cè)量技術(shù)，在湍流場(chǎng)測(cè)量方面發(fā)揮重要作用。但Piv技術(shù)屬于間接測(cè)量，測(cè)量時(shí)需要添加示蹤顆粒物，示蹤顆粒物存在本身活性、耐溫性、流場(chǎng)跟隨性等方面的問(wèn)題，在高溫、高超音速流場(chǎng)中會(huì)發(fā)生示蹤顆粒物的集聚和燒熔，這些因素使得其在極端燃燒條件下的高精度定量測(cè)量變得困難。
[0003]瑞利散射(RS)技術(shù)是基于流場(chǎng)本身分子彈性散射的光學(xué)測(cè)量方法，它是利用流場(chǎng)分子產(chǎn)生的散射光來(lái)測(cè)量流場(chǎng)參量。一束激光與流場(chǎng)分子作用后，其瑞利散射光譜則包含了流場(chǎng)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(zhǎng)的偏移則反映了流場(chǎng)的速度信息。這種偏移是由于多普勒頻移效應(yīng)引起的，散射光的多普勒頻移偏移量較小(GHz量級(jí))，需要采用高分辨干涉分光儀器來(lái)檢測(cè)，其中法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用方便、高分辨而被采用。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)具測(cè)量散射光的多普勒頻移，再通過(guò)多普勒頻移與流場(chǎng)速度的關(guān)系公式計(jì)算得到流場(chǎng)一個(gè)方向上的速度分量。
[0004]由于散射光的多普勒頻移與探測(cè)方向有關(guān)，要獲得完整的速度矢量，必須在兩兩正交的三個(gè)方向上同時(shí)探測(cè)，相應(yīng)的就需要三套測(cè)量系統(tǒng)，相應(yīng)的增加了實(shí)驗(yàn)成本和空間需求。
[0005]目前相關(guān)的申請(qǐng)專利“用于流場(chǎng)的干涉瑞利散射測(cè)速裝置”，申請(qǐng)專利號(hào):201310477264.1，其實(shí)現(xiàn)效果是一套裝置只能測(cè)量一個(gè)速度分量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是在用標(biāo)準(zhǔn)具檢測(cè)流場(chǎng)散射光多普勒頻移的測(cè)速裝置基礎(chǔ)上，發(fā)展一套同時(shí)測(cè)量正交兩速度分量的流場(chǎng)多點(diǎn)測(cè)速裝置，節(jié)省測(cè)量成本和測(cè)量所需空間。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0008]正交兩分量同時(shí)測(cè)量的流場(chǎng)多點(diǎn)干涉瑞利散射測(cè)速裝置，包括激光器、流場(chǎng)交互單元、前向和背向散射光收集單元和探測(cè)單元；
[0009]激光器為窄線寬的連續(xù)或脈沖激光器；
[0010]流場(chǎng)交互單元包括沿激光器出射光路依次設(shè)置的半波片和聚焦透鏡，探測(cè)點(diǎn)設(shè)置在激光器出射光路上并靠近聚焦透鏡的焦點(diǎn)，待測(cè)量流場(chǎng)流過(guò)探測(cè)點(diǎn)，流場(chǎng)方向與激光出射方向傾斜設(shè)置；
[0011]前向和背向散射光收集單元分為前向散射光收集和后向散射光收集兩部分。包括設(shè)置在聚焦透鏡的焦點(diǎn)兩側(cè)的透鏡組和凹球面反射鏡，與出射光路成90°放置的透鏡組，用于將前向散射光收集至ICCD相機(jī)內(nèi)，而對(duì)向放置的凹球面反射鏡用于反射背向散射光，并與前向散射光一起進(jìn)入與流場(chǎng)方向傾斜設(shè)置的透鏡組；
[0012]探測(cè)單元包括沿散射光路設(shè)置的法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具和ICCD相機(jī)，散射光經(jīng)過(guò)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具入射至ICXD相機(jī)，ICXD相機(jī)與數(shù)據(jù)處理用計(jì)算機(jī)連接。
[0013]上述正交兩分量同時(shí)測(cè)量的流場(chǎng)多點(diǎn)干涉瑞利散射測(cè)速裝置中，還包括參考單兀，參考單兀包括入射分束鏡、反射鏡和出射分束鏡，入射分束鏡設(shè)置在流場(chǎng)交互單兀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(shè)置在探測(cè)單元的法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具前，并與散射光呈45°夾角；入射分束鏡將參考光引出經(jīng)反射鏡反射后進(jìn)入出射分束鏡。
[0014]上述正交兩分量同時(shí)測(cè)量的流場(chǎng)多點(diǎn)干涉瑞利散射測(cè)速裝置中，透鏡組包括沿散射光路依次設(shè)置的短焦非球面透鏡、長(zhǎng)焦非球面透鏡和凸透鏡，短焦非球面透鏡的焦點(diǎn)與探測(cè)點(diǎn)重合，長(zhǎng)焦非球面透鏡的焦點(diǎn)與凸透鏡的焦點(diǎn)重合，凹球面反射鏡的焦點(diǎn)與探測(cè)點(diǎn)重合。
[0015]上述正交兩分量同時(shí)測(cè)量的流場(chǎng)多點(diǎn)干涉瑞利散射測(cè)速裝置中，法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具為固體標(biāo)準(zhǔn)具。
[0016]上述正交兩分量同時(shí)測(cè)量的流場(chǎng)多點(diǎn)干涉瑞利散射測(cè)速裝置中，激光器的出射光束經(jīng)過(guò)探測(cè)點(diǎn)后被吸收阱吸收。
[0017]上述正交兩分量同時(shí)測(cè)量的流場(chǎng)多點(diǎn)干涉瑞利散射測(cè)速裝置中，入射分束鏡、出射分束鏡的透反比為100?1000:1。
[0018]上述正交兩分量同時(shí)測(cè)量的流場(chǎng)多點(diǎn)干涉瑞利散射測(cè)速裝置中，入射分束鏡、出射分束鏡的透反比為500:1。
[0019]上述正交兩分量同時(shí)測(cè)量的流場(chǎng)多點(diǎn)干涉瑞利散射測(cè)速裝置中，散射光收集方向、激光出射方向和流場(chǎng)方向均在同一個(gè)平面，激光出射方向與散射光收集方向夾角為90。。
[0020]本發(fā)明具有的技術(shù)效果如下:
[0021]一、申請(qǐng)專利號(hào):201310477264.1的發(fā)明專利是一套裝置只能獲得一個(gè)方向上的速度分量。本發(fā)明采用一套測(cè)量裝置同時(shí)測(cè)量正交兩個(gè)速度分量。在收集光路中，采用凹球面球反射鏡將背向散射光反射并聚焦返回到原探測(cè)點(diǎn)，與前向散射光一起收集到檢測(cè)光路中，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)具干涉后成像到ICCD上。數(shù)據(jù)處理時(shí)分別擬合前向和背向散射光的干涉信號(hào)，獲得兩個(gè)方向上的多普勒頻移，并計(jì)算得到正交兩個(gè)方向上的速度分量；
[0022]二、本發(fā)明的測(cè)量裝置可以獲得空間多點(diǎn)的速度分布。當(dāng)探測(cè)區(qū)域信號(hào)為線光源時(shí)，在ICCD上表現(xiàn)為滿足特定傾角方向的干涉斑。不同干涉斑的頻移情況分別反映了探測(cè)區(qū)域?qū)?yīng)空間點(diǎn)的流場(chǎng)速度情況，通過(guò)這種光路設(shè)計(jì)，能夠獲得流場(chǎng)多點(diǎn)的速度信息；
[0023]三、采用該測(cè)速裝置可節(jié)省測(cè)量成本和測(cè)量所需空間。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本發(fā)明正交兩速度分量同時(shí)測(cè)量的流場(chǎng)多點(diǎn)干涉瑞利散射測(cè)速裝置原理圖；
[0025]圖2為本發(fā)明流場(chǎng)方向、激光入射方向、前向和背向散射光收集方向布局示意圖；
[0026]圖3為本發(fā)明ICXD上獲得的干涉環(huán)不意圖。
[0027]附圖標(biāo)記如下:
[0028]I一激光器；2—流場(chǎng)交互單元；3—前向和背向散射光收集單元；4一探測(cè)單元；5—參考單元；6—半波片:7—聚焦透鏡；8—吸光阱；9探測(cè)點(diǎn)；10—短焦非球面透鏡；11一長(zhǎng)焦非球面透鏡；12 —凸透鏡；13—法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具；14一入射分束鏡；15—反射鏡；16出射分束鏡；17—ICXD相機(jī)；18—計(jì)算機(jī)；19一ICXD鏡頭；20—ICXD感光面；21—凹球面反射鏡；22—入射激光干涉環(huán)；23—前向散射頻移光干涉斑；24—背向散射頻移光干涉斑；24—前向散射光頻移量；24—背向散射光頻移量。
【具體實(shí)施方式】
[0029]圖1為測(cè)速裝置的系統(tǒng)組成圖。測(cè)速系統(tǒng)包括激光器1、流場(chǎng)交互單元2、前向和背向散射光收集單元3、探測(cè)單元4和參考單元5組成。
[0030]激光器I采用窄線寬連續(xù)或脈沖激光器，可采用種子注入鎖定的可調(diào)諧Nd:YAG激光器，其二倍頻532nm激光作為入射光。
[0031]流場(chǎng)交互單元2包