测试技术LIF-PPT课件VIP

,第14周第17周,现代热工测试技术A,流体可视化技术概论激光诊断技术在发动机研究中的应用,激光诱导荧光测量技术LIF什么是LIF激光诱导荧光(LIF)：Laser-inducedfluorescenceLaser：高能量，传播能量损失小Induced：引起，触发Fluorescence：荧光信号，用于瞬态物质的测量,激光（LightamplificationbystimulatedemissionofRadiation，LASER）是指窄幅频率的光辐射线，通过受激辐射放大和必要的反馈共振，产生准直、单色、相干光束的过程及仪器。激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体后，人类的又一个重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。它的亮度约为太阳光的100亿倍。,荧光：当某种常温物质经某种波长的入射光（通常是紫外线或X射线）照射，吸收光能后进入激发态，并且立即降到低能级态并同时激发出光线（通常波长比入射光的波长要长，在可见光波段）；而且一旦停止入射光，发光现象也随之立即消失。具有这种性质的出射光就被称为荧光。,激光诱导荧光光谱利用一束脉冲激光将特定分子（或离子）由电子基态激发至激发态，稍后测量分子由电子激发态驰豫放出的光子，扫描激发激光的波长使它通过分子的吸收谱带，就可以把荧光强度描绘成激光波长的的函数，得到激发光谱（Excitendspectroscopy）。,荧光光谱的作用从荧光的分布，可以探测样品粒子的种类；从荧光的强弱，可得知粒子的浓度以及温度；利用其空间分辨率性还可以测量粒子的空间浓度、温度的分布。与普通的荧光光谱技术相比，具有更高的灵敏度、信噪比和光谱分辨率等优点，而且测量样品时无需进行复杂的预热处理，便于在线分析。,LIF技术的原理,荧光的特性随荧光物质的种类、环境温度、压力以及周围物质氛围的不同而呈现出较大的差异。在满足一定条件时，通过荧光的强度可以得到包括浓度，温度、组分在内的多种物理参数。激光能量越强，荧光强度越大，理论上荧光强度与激发光强度应为线性关系。但是处于基态的分子数量是有限的，当激发光强到一定程度时，可能导致所有可以被激发的分子都被激发了，此时再增强激发光强度也无充足的分子可被激发，荧光强度不会再线性的增长，这种现象称为荧光的饱和。在应用中为了获得较高的精度，一般在激光能量达不到饱和的线性区域实施LIF实验，但是饱和状态的LIF受激光能量吸收衰减的影响较小，因此在部分实验中也具有一定的优势，需要根据实验目的进行选择。,课堂演示实验,Water+Rhodamine6G,SheetOptics,laser,Nd：YAGLaser,波长,532nm,最大输出功率(mW),150,光斑模式,TEM00,纵模,单,工作方式,CW,发散角(全角),100:1,LIF测量技术的突出优点,高空间分辨：可达到微米量级。,快速时间响应：时间分辨最高可达纳秒量级，可对自由基等瞬态物质寿命进行检测。高灵敏度：探测下限最高可达106个粒子/cm3。干扰小：通过激光激发，而不涉及接触式的探针等器件，对等离子体，燃烧等干扰相对较小。,主动式检测：与被检测体系中电子密度（ne）、电子温度（Te）关系不大，主要被测物种浓度相关。,LIF的主要困难对于一些目前不常检测的物种，其荧光分离需要一定的光谱基础。对于浓度在ppm级以下的的物质荧光可能较弱。对自由基的绝对浓度测量，需要仔细的标定。对染料激光器维护要求较高。淬熄现象的评估、温度和压力的影响、示踪剂分解等影响定量测量精度的因素。尤其是在淬熄、温度和压力的影响方面，对各种示踪剂荧光特性（荧光量子效率函数和吸收截面系数等物理量）的基础研究尚缺乏宽范围和完备的数据支持。目前，多数LIF浓度实验的精度大多在95%-80%之间，其中缸内燃烧测试由于受到温度不均匀和其他因素的干扰，即使经过相关修正，误差通常也在90%以上。因此在提高LIF测试精度、拓展LIF测试能力方面还亟待深入研究。,LIF系统硬件组成,LIF中的核心器件,荧光检测器,激光器（光源）,各部件相应功能光源：提供窄线宽稳定的脉冲激光；,光学组件：光路调整，光路转换，过滤杂散光等作用；,荧光探测器：检测激光诱导荧光强度及分布；,同步控制器：控制激光与探测器时序，以捕捉目标物种的荧光；,采集软件：采集数据，并对数据进行处理；,标定设备：对OH等自由基进行标定，获得绝对浓度,光源Introductionoflaser,随着光学技术的不断发展，各种工作物质、运转方式的激光器不断出现。按工作波段分类：红外和远红外激光器、可见光激光器、紫外和真空紫外激光器、X射线激光器。按运转方式分类：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器。按激光器工作物质分类：固体激光器、气体激光器、染料激光器和半导体激光器。,激光器的分类,Solidlaser固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为工作物质的激光器。常采用的固体工作物质仍然是红宝石、蓝宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石(Nd3:YAG)等三种。固体激光器的特点：输出能量大(可达数万焦耳)，峰值功率高(连续功率可达数千瓦，脉冲峰值功率可达千兆瓦、几十太瓦)，结构紧凑，牢固耐用。广泛应用于工业、国防、医疗、科研等方面，例如打孔、焊接、划片、微调、激光测距、雷达、制导、激光视网膜凝结、全息照相、激光存储、大容量通信等。,Nd:YAGLaser,突出优点：阈值低和具有优良的热学性质，这就使得它适于连续和高重复率工作。Nd3:YAG是目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体工作物质，在中小功率脉冲器件中，特别是在高重复率的脉冲器件中，目前应用Nd3:YAG的量，远远超过其它固体工作物质。可以说，Nd3:YAG从出现至今，大量使用，长盛不衰。,Gaslaser,气体激光器是以气体或蒸气作为工作物质的激光器。与其它种类的激光器相比较，气体激光器的突出优点:输出光束的质量好(单色性、相干性、光束方向和稳定性等)。因此，在工农业生产、国防和科学研究中，都有广泛的应用。三种典型气体激光器：He-Ne激光器：具有结构简单、使用方便、光束质量好、工作可靠和制造容易等优点，至今仍然是应用最广泛的一种气体激光器。主要谱线是红光(632.8nm)，黄光(594nm)、绿光(543nm)和橙光(606nm、612nm),CO2Gaslaser,二氧化碳(CO2)激光器：是以CO2气体分子作为工作物质的气体激光器。其激光波长为10.6m和9.6m。优点：它既能连续工作，又能脉冲工作，输出大，效率高。它的能量转换效率高达(2025)，连续输出功率可达万瓦量级，脉冲输出能量可达万焦耳，脉冲宽度可压缩到毫微秒。被广泛用于材料加工、通信、雷达、诱发化学反应、外科手术等方面，还可用于激光引发热核反应，激光分离同位素以及激光武器等。,ArGaslaser,离子(Ar)激光器：以气态离子的不同激发态之间的激发跃迁进行工作的气体激光器。Ar激光器的激光谱线很丰富，主要分布在蓝绿光区，其中，以0.4880m蓝光和0.5145m绿光两条谱线最强。Ar激光器既可以连续工作，又可以脉冲状态运转。连续功率一般为几瓦到几十瓦，高者可达一百多瓦，是目前在可见光区连续输出功率最高的气体激光器。它已广泛应用于全息照相，信息处理，光谱分析及医疗和工业加工等许多领域。,Dyelaser,染料激光器受到人们重视的原因是：输出激光波长可调谐，某些染料激光波长可调宽度达上百毫微米；激光脉冲宽度可以很窄，目前，由染料激光器产生的超短脉冲宽度可压缩至飞秒(1015秒)量级；染料激光器的输出功率大，可与固体激光器比拟，但价格便宜，同样的输出功率，它只是固体激光器的千分之一；染料激光器工作物质具有均匀性好等优良的光学质量。它在光化学、光生物学、光谱学、化学动力学、同位素分离、全息照相和光通信中，正获得日益广泛的重要应用。,Semiconductorlaser,半导体激光器：以半导体材料作为激光工作物质的激光器。它具有超小型、高效率、结构简单、价格便宜以及可以高速工作等一系列优点。它是目前光通信领域内使用的最重要光源，并且在CD、VCD、DVD播放机、计算机光盘驱动器、激光打印机、全息照相、激光准直、测距、及医疗等许多方面都获得了重要应用。,Otherlasers准分子激光器：如ArF，193nm，用于光刻机。自由电子激光器：工作物质是自由电子束，利用电子加速器。,A,输出的激光波长可在相当宽的范围内连续调谐，原则上可从厘米波一直调谐到真空紫外。可以获得极高的光功率输出。将在激光分离同位素、激光核聚变、光化学、激光光谱和激光武器等方面有着重大的应用前景。目前，自由电子激光器仍处于试验阶段。,AA,化学激光器：将化学能直接转换成激光、输出的激光波长丰富、高功率、高能量激光输出。光纤激光器。,气体激光,固体激光,半导体激光,种类激光波长功率发光形式其他,He-Ne氦-氖激光Ar氩离子激光Cu铜蒸汽激光Nd：YAG激光红宝石激光玻璃激光AlGaAs激光GaInPAs激光,632nm,1.15m50mW连续通过AOM可控制激光514nm,488nm520W连续通过AOM可控制激光510nm,578nm100W脉冲=1040ns,f=520kHz1.06m(532nm)1000W脉冲、连续=10ns,f=30Hz694nm1000W脉冲=1ms,f=1Hz1.06m100KW脉冲=0.1ns683nm50mW连续体型小、重量轻620nm50mW连续体型小、重量轻,平面激光诱导荧光技术PLIF（PlanarLaserInducedFluorescence）流场照明系统：,要保证激光片光源光强可以使示踪粒子能被清晰拍摄记录。一般片光源厚度小于2mm以保证只记录一层片光内运动的粒子。当测量流体表面流速的时候，可以采用激光柱状光；但如果对流体内部二维流场测量时，则要采用激光片状光源，用适当的光学元件（柱面镜+球面镜，柱面镜使光束在某方向发散，球面镜则用于控制片光的厚度）把激光光束转变为片光源。两个脉冲片光源之间的时间间隔可以调节，具体设置应基于被测量速度来选择。光学通路要求片光源和照相机之间相互垂直。,球透镜,光腰,柱透镜,紧凑透镜组合设计采用柱透镜和球透镜的组合提供片光源厚度和扩展角度的控制,以下将分别从液体浓度测量、火焰自由基浓度测量以及温度测量三个方面举例介绍LIF在发动机领域内的应用。,浓度,粒径,速度,温度,LIF浓度场测量技术,激光荧光染料，如罗丹明B、罗丹明6G、荧光素钠等物质的水溶解液，在氩离子激光照射下，受激发出荧光，荧光的光强主要受入射光光强和荧光物质浓度的影响。燃烧过程中的中间产物的浓度分布特性，即火焰自由基的浓度分布，如羟基OH，碳氢CH，氮氧化物NO。在低浓度时，荧光光强与浓度成线性关系。荧光光强浓度特性校正曲线：不同浓度、激光器功率下，荧光光,强的实测校正曲线。提供信息：-燃料激光诱导荧光成像、空燃比分布、粒子索特平均直径SMD分布。-火焰前锋面可视化成像-火焰自由基分布（OH，NO，CH等）-火焰结构和稳定性-火焰和碳烟的温度-碳烟浓度和初级粒径,对于LIF的信号来说，可以用Beerlambert定律来描述：,e=2.718281828,其中：If为荧光信号强度；为荧光物质的量子吸收率（QuantumEfficiency）；I0为入射光光线；,为荧光物质的摩尔吸收系数（MolarAbsorptionc为荧光物质浓度h为光学通路长度或厚度，即光程,Coefficient）,其中：AD为受光系统的装置光学定数；Am为反射率的补正系数。,因为和都与荧光物质的本身物性有关，因此可以将这两个参数用温度T和波长的函数来表示，即*=F(T,)，F随波长和温度的影响而变化。而光学系统的参数即AD和Am也是在一个实验室光学系统搭建完成之后就已经决定了的，因此可以将AD和Am用K来表示。这样，公式就可以进一步简化为,在高能量激光条件下，荧光激发达到饱和条件，在饱和激光能量的作用下（超过100mJ/Pulse）激光能量的变化和不均匀、荧光产生效率和激光在光程内产生的能力损失（即由于吸收导致的通过率降低）对于荧光产生的影响基本保持不变，并不会随着这些参数的变化而变化，因此公式可以进一步简化为：,但是对于喷雾场气相浓度的量化过程而言，当温度超过500K时，喷雾的气相部分荧光强度会快速降低，人们认为导致这种现象的原因是温度升高造成对荧光吸收效率的急剧升高，而600K则是一个拐点。环境温度对于荧光强度的影响呈现先上升后下降的区别。,实际上，对于LIF技术来说，KF的标定是一个非常复杂的过程。在LIF技术被使用的初期，人们通过将实验系统设置好之后，通常将K取为一个常数，但是随着技术的发展，研究人员将K系数变成了一个函数，由于光学系统及荧光剂物性的差别，每个实验室的K系数函数都是不同的。,入射光波长与激发波长的Tradeoff,RhodemineB,532nm,Rhodemine6G,能够作为燃油荧光添加剂的先决条件,常用示踪剂特性,柴油的激发曲线,近年来LIF技术应用于缸内混合气研究简况,对上表所述的研究进行总结可得出PLIF实验研究具有以下特点：,（1）紫外波段高能脉冲极光世界常用的激光，其中Nd:Yag激光器和准分子激光器燃油分布测试中是主流；燃料激光器等较昂贵的激光器多用于对燃烧组分进行测量；（2）在针对燃料的测量中，酮类、小分子芳香烃是常用的示踪剂；（3）定量研究多采用异辛烷或正庚烷等纯净物作为汽油的替代物，采用十二烷或十六烷作为柴油的替代物，从而避免汽油或柴油中部分物质荧光特性复杂带来的影响。,LIF火焰测量技术通过光学的非