正交兩分量同時測量的流場多點干涉瑞利散射測速裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及是一種流場速度測量裝置，尤其是可同時獲得正交兩速度分量的流場多點測速裝置。
【背景技術】
[0002]發(fā)動機燃燒流場的實驗及測量是發(fā)動機研制的重要環(huán)節(jié)。目前，航空吸氣式發(fā)動機技術正在向高溫、高壓強、高馬赫數(shù)、高湍流等極端燃燒條件方向發(fā)展，常規(guī)的接觸式傳感器測量手段已無法滿足測試要求，而基于激光和光譜的燃燒流場激光診斷方法成為發(fā)動機燃燒流場實驗定量測量的重要工具。在發(fā)動機燃燒流場診斷參量中，溫度和速度是兩個最基本的參量，通過流場靜溫和速度的測量，可以計算流場總溫，提供發(fā)動機燃燒效率等信息。粒子圖像測速(PIV)技術是比較常用的流場速度測量技術，在湍流場測量方面發(fā)揮重要作用。但Piv技術屬于間接測量，測量時需要添加示蹤顆粒物，示蹤顆粒物存在本身活性、耐溫性、流場跟隨性等方面的問題，在高溫、高超音速流場中會發(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量變得困難。
[0003]瑞利散射(RS)技術是基于流場本身分子彈性散射的光學測量方法，它是利用流場分子產生的散射光來測量流場參量。一束激光與流場分子作用后，其瑞利散射光譜則包含了流場的溫度、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的偏移則反映了流場的速度信息。這種偏移是由于多普勒頻移效應引起的，散射光的多普勒頻移偏移量較小(GHz量級)，需要采用高分辨干涉分光儀器來檢測，其中法布里-珀羅標準具因其結構簡單、適用方便、高分辨而被采用。通過標準具測量散射光的多普勒頻移，再通過多普勒頻移與流場速度的關系公式計算得到流場一個方向上的速度分量。
[0004]由于散射光的多普勒頻移與探測方向有關，要獲得完整的速度矢量，必須在兩兩正交的三個方向上同時探測，相應的就需要三套測量系統(tǒng)，相應的增加了實驗成本和空間需求。
[0005]目前相關的申請專利“用于流場的干涉瑞利散射測速裝置”，申請專利號:201310477264.1，其實現(xiàn)效果是一套裝置只能測量一個速度分量。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術問題是在用標準具檢測流場散射光多普勒頻移的測速裝置基礎上，發(fā)展一套同時測量正交兩速度分量的流場多點測速裝置，節(jié)省測量成本和測量所需空間。
[0007]本發(fā)明的技術方案為:
[0008]正交兩分量同時測量的流場多點干涉瑞利散射測速裝置，包括激光器、流場交互單元、前向和背向散射光收集單元和探測單元；
[0009]激光器為窄線寬的連續(xù)或脈沖激光器；
[0010]流場交互單元包括沿激光器出射光路依次設置的半波片和聚焦透鏡，探測點設置在激光器出射光路上并靠近聚焦透鏡的焦點，待測量流場流過探測點，流場方向與激光出射方向傾斜設置；
[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。包括設置在聚焦透鏡的焦點兩側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相機內，而對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入與流場方向傾斜設置的透鏡組；
[0012]探測單元包括沿散射光路設置的法布里-珀羅標準具和ICCD相機，散射光經過法布里-珀羅標準具入射至ICXD相機，ICXD相機與數(shù)據(jù)處理用計算機連接。
[0013]上述正交兩分量同時測量的流場多點干涉瑞利散射測速裝置中，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，入射分束鏡設置在流場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；出射分束鏡設置在探測單元的法布里-珀羅標準具前，并與散射光呈45°夾角；入射分束鏡將參考光引出經反射鏡反射后進入出射分束鏡。
[0014]上述正交兩分量同時測量的流場多點干涉瑞利散射測速裝置中，透鏡組包括沿散射光路依次設置的短焦非球面透鏡、長焦非球面透鏡和凸透鏡，短焦非球面透鏡的焦點與探測點重合，長焦非球面透鏡的焦點與凸透鏡的焦點重合，凹球面反射鏡的焦點與探測點重合。
[0015]上述正交兩分量同時測量的流場多點干涉瑞利散射測速裝置中，法布里-珀羅標準具為固體標準具。
[0016]上述正交兩分量同時測量的流場多點干涉瑞利散射測速裝置中，激光器的出射光束經過探測點后被吸收阱吸收。
[0017]上述正交兩分量同時測量的流場多點干涉瑞利散射測速裝置中，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測量的流場多點干涉瑞利散射測速裝置中，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測量的流場多點干涉瑞利散射測速裝置中，散射光收集方向、激光出射方向和流場方向均在同一個平面，激光出射方向與散射光收集方向夾角為90。。
[0020]本發(fā)明具有的技術效果如下:
[0021]一、申請專利號:201310477264.1的發(fā)明專利是一套裝置只能獲得一個方向上的速度分量。本發(fā)明采用一套測量裝置同時測量正交兩個速度分量。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點，與前向散射光一起收集到檢測光路中，經過標準具干涉后成像到ICCD上。數(shù)據(jù)處理時分別擬合前向和背向散射光的干涉信號，獲得兩個方向上的多普勒頻移，并計算得到正交兩個方向上的速度分量；
[0022]二、本發(fā)明的測量裝置可以獲得空間多點的速度分布。當探測區(qū)域信號為線光源時，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區(qū)域對應空間點的流場速度情況，通過這種光路設計，能夠獲得流場多點的速度信息；
[0023]三、采用該測速裝置可節(jié)省測量成本和測量所需空間。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明正交兩速度分量同時測量的流場多點干涉瑞利散射測速裝置原理圖；
[0025]圖2為本發(fā)明流場方向、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]附圖標記如下:
[0028]I一激光器；2—流場交互單元；3—前向和背向散射光收集單元；4一探測單元；5—參考單元；6—半波片:7—聚焦透鏡；8—吸光阱；9探測點；10—短焦非球面透鏡；11一長焦非球面透鏡；12 —凸透鏡；13—法布里-珀羅標準具；14一入射分束鏡；15—反射鏡；16出射分束鏡；17—ICXD相機；18—計算機；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。
【具體實施方式】
[0029]圖1為測速裝置的系統(tǒng)組成圖。測速系統(tǒng)包括激光器1、流場交互單元2、前向和背向散射光收集單元3、探測單元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諧Nd:YAG激光器，其二倍頻532nm激光作為入射光。
[0031]流場交互單元2包