測試技術(shù)LIF課件

1、第14周第17周現(xiàn)代熱工測試技術(shù)A流體可視化技術(shù)概論激光診斷技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)研究中的應(yīng)用激光誘導(dǎo)熒光測量技術(shù)LIF什么是LIF激光誘導(dǎo)熒光(LIF)：Laser-induced fluorescence Laser：高能量，傳播能量損失小 Induced：引起，觸發(fā) Fluorescence：熒光信號(hào)，用于瞬態(tài)物質(zhì)的測量激光（Light amplification by stimulated emission of Radiation，LASER）是指窄幅頻率的光輻射線，通過受激輻射放大和必要的反饋共振，產(chǎn) 生準(zhǔn)直、單色、相干光束的過程及儀器。激光是20世紀(jì)以來，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體后，人類的

2、又一 個(gè)重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”。 它的亮度約為太陽光的100億倍。熒光：當(dāng)某種常溫物質(zhì)經(jīng)某種波長的入射光（通常是紫外線或X射線）照射，吸收光能后進(jìn)入激發(fā)態(tài)，并且立即降到低能級(jí) 態(tài)并同時(shí)激發(fā)出光線（通常波長比入射光的波長要長，在可見 光波段）；而且一旦停止入射光，發(fā)光現(xiàn)象也隨之立即消失。 具有這種性質(zhì)的出射光就被稱為熒光。激光誘導(dǎo)熒光光譜利用一束脈沖激光將特定分子（或離子）由電子基態(tài)激發(fā)至激發(fā)態(tài)， 稍后測量分子由電子激發(fā)態(tài)馳豫放出的光子，掃描激發(fā)激光的波長使它通 過分子的吸收譜帶，就可以把熒光強(qiáng)度描繪成激光波長的的函數(shù)，得到激 發(fā)光譜（Excitend spec

3、troscopy）。熒光光譜的作用從熒光的分布，可以探測樣品粒子的種類；從熒光的強(qiáng)弱，可得知粒 子的濃度以及溫度；利用其空間分辨率性還可以測量粒子的空間濃度、溫 度的分布。與普通的熒光光譜技術(shù)相比，具有更高的靈敏度、信噪比和光譜分辨 率等優(yōu)點(diǎn)，而且測量樣品時(shí)無需進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)熱處理，便于在線分析。LIF技術(shù)的原理熒光的特性隨熒光物質(zhì)的種類、環(huán)境溫度、壓力以及周圍物質(zhì)氛圍的不同而呈現(xiàn)出較大的差異。在滿足一定條件時(shí)，通過熒光的強(qiáng)度可以得到包括 濃度，溫度、組分在內(nèi)的多種物理參數(shù)。激光能量越強(qiáng)，熒光強(qiáng)度越大，理論上熒光強(qiáng)度與激發(fā)光強(qiáng)度應(yīng)為線性 關(guān)系。但是處于基態(tài)的分子數(shù)量是有限的，當(dāng)激發(fā)光強(qiáng)到一定程度

4、時(shí)，可能 導(dǎo)致所有可以被激發(fā)的分子都被激發(fā)了，此時(shí)再增強(qiáng)激發(fā)光強(qiáng)度也無充足的 分子可被激發(fā)，熒光強(qiáng)度不會(huì)再線性的增長，這種現(xiàn)象稱為熒光的飽和。在 應(yīng)用中為了獲得較高的精度，一般在激光能量達(dá)不到飽和的線性區(qū)域?qū)嵤?LIF實(shí)驗(yàn)，但是飽和狀態(tài)的LIF受激光能量吸收衰減的影響較小，因此在部分 實(shí)驗(yàn)中也具有一定的優(yōu)勢(shì)，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行選擇。課堂演示實(shí)驗(yàn)Water + Rhodamine 6GSheet OpticslaserNd：YAG Laser波長532nm最大輸出功率(mW)150光斑模式TEM00縱模單工作方式CW發(fā)散角(全角)100:1LIF測量技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)高空間分辨：可達(dá)到微米量級(jí)?？?/p>

5、速時(shí)間響應(yīng)：時(shí)間分辨最高可達(dá)納秒量級(jí)，可對(duì)自由基等瞬態(tài)物質(zhì)壽命進(jìn)行檢測。高靈敏度：探測下限最高可達(dá)106個(gè)粒子/cm3。 干擾?。和ㄟ^激光激發(fā)，而不涉及接觸式的探針等器件，對(duì)等離子體，燃燒等干擾相對(duì)較小。主動(dòng)式檢測：與被檢測體系中電子密度（ne）、電子溫度（Te）關(guān)系不大，主要被測物種濃度相關(guān)。LIF的主要困難對(duì)于一些目前不常檢測的物種，其熒光分離需要一定的光譜基礎(chǔ)。 對(duì)于濃度在ppm級(jí)以下的的物質(zhì)熒光可能較弱。 對(duì)自由基的絕對(duì)濃度測量，需要仔細(xì)的標(biāo)定。 對(duì)染料激光器維護(hù)要求較高。 淬熄現(xiàn)象的評(píng)估、溫度和壓力的影響、示蹤劑分解等影響定量測量精度的因素。尤其是在淬熄、溫度和壓力的影響方面，對(duì)各種

6、示蹤劑熒光特性（熒光量子效率函數(shù)和吸收截面系數(shù)等物理量）的基礎(chǔ)研究尚 缺乏寬范圍和完備的數(shù)據(jù)支持。目前，多數(shù)LIF濃度實(shí)驗(yàn)的精度大多 在95%-80%之間，其中缸內(nèi)燃燒測試由于受到溫度不均勻和其他因素 的干擾，即使經(jīng)過相關(guān)修正，誤差通常也在90%以上。因此在提高LIF 測試精度、拓展LIF測試能力方面還亟待深入研究。LIF系統(tǒng)硬件組成LIF中的核心器件熒光檢測器激光器（光源）各部件相應(yīng)功能光源：提供窄線寬穩(wěn)定的脈沖激光；光學(xué)組件：光路調(diào)整，光路轉(zhuǎn)換，過濾雜散光等作用；熒光探測器：檢測激光誘導(dǎo)熒光強(qiáng)度及分布；同步控制器：控制激光與探測器時(shí)序，以捕捉目標(biāo)物種的熒光；采集軟件：采集數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行

7、處理；標(biāo)定設(shè)備：對(duì)OH等自由基進(jìn)行標(biāo)定，獲得絕對(duì)濃度光源Introduction of laser隨著光學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種工作物質(zhì)、運(yùn)轉(zhuǎn)方式的激光器不斷出現(xiàn)。按工作波段分類：紅外和遠(yuǎn)紅外激光器、可見光激光 器、紫外和真空紫外激光器、X射線激光器。按運(yùn)轉(zhuǎn)方式分類：連續(xù)激光器、脈沖激光器、超短脈 沖激光器。按激光器工作物質(zhì)分類：固體激光器、氣體激光器、 染料激光器和半導(dǎo)體激光器。激光器的分類Solid laser固體激光器是以摻雜離子的絕緣晶體或玻璃作為工作物質(zhì) 的激光器。常采用的固體工作物質(zhì)仍然是紅寶石、藍(lán)寶石、釹玻璃、 摻釹釔鋁石榴石(Nd3:YAG)等三種 。固體激光器的特點(diǎn)：輸出能量大

8、(可達(dá)數(shù)萬焦耳)，峰值功 率高(連續(xù)功率可達(dá)數(shù)千瓦，脈沖峰值功率可達(dá)千兆瓦、幾 十太瓦)，結(jié)構(gòu)緊湊，牢固耐用。廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防、醫(yī)療、科研等方面，例如打孔、 焊接、劃片、微調(diào)、激光測距、雷達(dá)、制導(dǎo)、激光視網(wǎng)膜 凝結(jié)、全息照相、激光存儲(chǔ)、大容量通信等。Nd:YAG Laser突出優(yōu)點(diǎn)：閾值低和具有優(yōu)良的熱學(xué)性質(zhì)，這就使得它適于連續(xù)和高重復(fù)率工作。 Nd3:YAG是目前能在室溫下連續(xù)工作的唯一實(shí)用的固體工作 物質(zhì)，在中小功率脈沖器件中，特別是在高重復(fù)率的脈沖器 件中，目前應(yīng)用Nd3:YAG的量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它固體工作物質(zhì)?？梢哉f， Nd3:YAG從出現(xiàn)至今，大量使用，長盛不衰。Gas laser

9、氣體激光器是以氣體或蒸氣作為工作物質(zhì)的激光器。與其它種類的激光器相比較，氣體激光器的突出優(yōu)點(diǎn):輸出光束的 質(zhì)量好(單色性、相干性、光束方向和穩(wěn)定性等)。因此，在工農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)、國防和科學(xué)研究中，都有廣泛的應(yīng)用。 三種典型氣體激光器：He-Ne激光器：具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、光束質(zhì)量好、工作可靠 和制造容易等優(yōu)點(diǎn)，至今仍然是應(yīng)用最廣泛的一種氣體激光器。主 要譜線是紅光(632.8nm)，黃光(594nm)、綠光(543nm)和橙光(606nm、612nm)CO2 Gas laser二氧化碳(CO2)激光器：是以CO2氣體分子作為工作物質(zhì)的氣體激光器。其激光波長為10.6m和9.6m。優(yōu)點(diǎn)：它既能連

10、續(xù)工作，又能脈沖工作，輸出大，效率高。它的能 量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)(20 25)，連續(xù)輸出功率可達(dá)萬瓦量級(jí)，脈沖輸出 能量可達(dá)萬焦耳，脈沖寬度可壓縮到毫微秒。 被廣泛用于材料加工、通信、雷達(dá)、誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)、外科手術(shù)等方面，還可用于激光引發(fā)熱核反應(yīng)，激光分離同位素以及激光武器等。Ar Gas laser離子(Ar)激光器：以氣態(tài)離子的不同激發(fā)態(tài)之間的激發(fā)躍遷進(jìn)行工作的氣體激光器。Ar激光器的激光譜線很豐富，主要分布在藍(lán)綠光區(qū)，其中，以0.4880m藍(lán)光和0.5145m綠光兩條譜線最強(qiáng)。Ar激光器既可以連續(xù)工作，又可以脈沖狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)。連續(xù)功率一般 為幾瓦到幾十瓦，高者可達(dá)一百多瓦，是目前在可見光區(qū)連續(xù)輸出

11、 功率最高的氣體激光器。 它已廣泛應(yīng)用于全息照相，信息處理，光譜分析及醫(yī)療和工業(yè)加工等許多領(lǐng)域 。Dye laser染料激光器受到人們重視的原因是：輸出激光波長可調(diào)諧，某些染料激光波長可調(diào)寬度達(dá)上百毫微米；激光脈沖寬度可以很窄，目前，由染料激光器產(chǎn)生的超短脈沖寬度 可壓縮至飛秒(1015秒)量級(jí)；染料激光器的輸出功率大，可與固體激光器比擬，但價(jià)格便宜，同 樣的輸出功率，它只是固體激光器的千分之一；染料激光器工作物質(zhì)具有均勻性好等優(yōu)良的光學(xué)質(zhì)量。 它在光化學(xué)、光生物學(xué)、光譜學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、同位素分離、全息照 相和光通信中，正獲得日益廣泛的重要應(yīng)用 。Semiconductor laser半導(dǎo)體激

12、光器：以半導(dǎo)體材料作為激光工作物質(zhì)的激光器。它具有超小型、高效率、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜以及可以高速工 作等一系列優(yōu)點(diǎn)。 它是目前光通信領(lǐng)域內(nèi)使用的最重要光源，并且在CD、VCD、 DVD播放機(jī)、計(jì)算機(jī)光盤驅(qū)動(dòng)器、激光打印機(jī)、全息照相、激光準(zhǔn)直、測距、及醫(yī)療等許多方面都獲得了重要應(yīng)用。Other lasers準(zhǔn)分子激光器：如ArF，193nm，用于光刻機(jī)。 自由電子激光器：工作物質(zhì)是自由電子束，利用電子加速器 。A輸出的激光波長可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧，原則上可從厘米波一直調(diào)諧到真空紫外。可以獲得極高的光功率輸出。 將在激光分離同位素、激光核聚變、光化學(xué)、激光光譜和激光武 器等方面有著重大的應(yīng)用

13、前景。目前，自由電子激光器仍處于試 驗(yàn)階段。AA化學(xué)激光器：將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成激光 、輸出的激光波長豐富 、高功率、高能量激光輸出 。光纖激光器。氣體激光固體激光半導(dǎo)體激光種類激光波長功率發(fā)光形式其他He-Ne 氦-氖激光 Ar 氬離子激光 Cu 銅蒸汽激光Nd：YAG 激光 紅寶石激光 玻璃激光Al Ga As 激光Ga In P As 激光632nm, 1.15m50mW連續(xù)通過 AOM 可控制激光514 nm, 488 nm520W連續(xù)通過 AOM 可控制激光510 nm, 578 nm100W脈沖 =1040ns,f =520kHz1.06m(532 nm)1000W脈沖、連續(xù) =10

14、ns,f =30Hz694 nm1000W脈沖 =1ms,f =1Hz1.06m100KW脈沖 =0.1ns683 nm50mW連續(xù)體型小、重量輕620 nm50mW連續(xù)體型小、重量輕平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)PLIF （Planar Laser Induced Fluorescence）流場照明系統(tǒng)：要保證激光片光源光強(qiáng)可以使示蹤粒子能被清晰拍攝記錄。一般片光源厚度小于2mm以保證只記錄一層片光內(nèi)運(yùn)動(dòng)的粒子。 當(dāng)測量流體表面流速的時(shí)候，可以采用激光柱狀光；但如果對(duì) 流體內(nèi)部二維流場測量時(shí)，則要采用激光片狀光源，用適當(dāng)?shù)?光學(xué)元件（柱面鏡 + 球面鏡，柱面鏡使光束在某方向發(fā)散，球 面鏡則用于控制片光

15、的厚度）把激光光束轉(zhuǎn)變?yōu)槠庠?。兩個(gè) 脈沖片光源之間的時(shí)間間隔可以調(diào)節(jié)，具體設(shè)置應(yīng)基于被測量 速度來選擇。光學(xué)通路要求片光源和照相機(jī)之間相互垂直。球透鏡光腰柱透鏡緊湊透鏡組合設(shè)計(jì)采用柱透鏡和球透鏡的 組合提供片光源厚度和擴(kuò) 展角度的控制以下將分別從液體濃度測量、火焰自由基濃度測量以及溫度測量三個(gè)方面舉例介紹LIF在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。濃度粒徑速度溫度LIF濃度場測量技術(shù)激光熒光染料，如羅丹明B、羅丹明6G、熒光素鈉等物質(zhì)的水溶解液，在氬離子激光照射下，受激發(fā)出熒光，熒光的光強(qiáng)主要受入射光光強(qiáng)和熒光物質(zhì)濃度的影響。燃燒過程中的中間產(chǎn)物的濃度分布特性，即火焰自由基的濃度分 布，如羥基OH，碳?xì)銫H

16、，氮氧化物NO。在低濃度時(shí)，熒光光強(qiáng)與濃度成線性關(guān)系。 熒光光強(qiáng)濃度特性校正曲線：不同濃度、激光器功率下，熒光光強(qiáng)的實(shí)測校正曲線。提供信息：-燃料激光誘導(dǎo)熒光成像、空燃比分布、粒子索特平均直徑SMD分布。-火焰前鋒面可視化成像-火焰自由基分布（OH，NO，CH等）-火焰結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性-火焰和碳煙的溫度-碳煙濃度和初級(jí)粒徑對(duì)于LIF的信號(hào)來說，可以用Beerlambert定律來描述：e=2.718281828其中：If為熒光信號(hào)強(qiáng)度；為熒光物質(zhì)的量子吸收率（Quantum Efficiency）；I0為入射光光線；為熒光物質(zhì)的摩爾吸收系數(shù)（Molar Absorptionc為熒光物質(zhì)濃度h為光學(xué)通

17、路長度或厚度，即光程Coefficient）其中：AD為受光系統(tǒng)的裝置光學(xué)定數(shù)；Am為反射率的補(bǔ)正系數(shù)。因?yàn)楹投寂c熒光物質(zhì)的本身物性有關(guān)，因此可以將這兩個(gè)參數(shù)用溫度T和波長的函數(shù)來表示，即*=F(T, )，F(xiàn)隨波長和溫度的影響而變化。 而光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)即AD和Am也是在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室光學(xué)系統(tǒng)搭建完成之后就已 經(jīng)決定了的，因此可以將AD和Am用K來表示。 這樣，公式就可以進(jìn)一步簡化為在高能量激光條件下，熒光激發(fā)達(dá)到飽和條件，在飽和激光能量的作用下（超過100mJ/Pulse）激光能量的變化和不均勻、熒光產(chǎn)生效率和激光在光程 內(nèi)產(chǎn)生的能力損失（即由于吸收導(dǎo)致的通過率降低）對(duì)于熒光產(chǎn)生的影響基 本保持不

18、變，并不會(huì)隨著這些參數(shù)的變化而變化，因此公式可以進(jìn)一步簡化 為：但是對(duì)于噴霧場氣相濃度的量化過程而言，當(dāng)溫度超過500K時(shí)，噴霧的氣相部分熒光強(qiáng)度會(huì)快速降低，人們認(rèn)為導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是溫度升高造 成對(duì)熒光吸收效率的急劇升高，而600K則是一個(gè)拐點(diǎn)。環(huán)境溫度對(duì)于熒光強(qiáng) 度的影響呈現(xiàn)先上升后下降的區(qū)別。實(shí)際上，對(duì)于LIF技術(shù)來說，KF的標(biāo)定是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。在LIF技術(shù)被使用的初期，人們通過將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置好之后，通常將K取為一個(gè)常數(shù)，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，研究人員將K系數(shù)變成 了一個(gè)函數(shù)，由于光學(xué)系統(tǒng)及熒光劑物性的差別，每個(gè)實(shí)驗(yàn)室的K 系數(shù)函數(shù)都是不同的。入射光波長與激發(fā)波長的Tradeoff

19、Rhodemine B532nmRhodemine 6G能夠作為燃油熒光添加劑的先決條件常用示蹤劑特性柴油的激發(fā)曲線近年來LIF技術(shù)應(yīng)用于缸內(nèi)混合氣研究簡況對(duì)上表所述的研究進(jìn)行總結(jié)可得出PLIF實(shí)驗(yàn)研究具有以下特點(diǎn)：（1）紫外波段高能脈沖極光世界常用的激光，其中Nd:Yag激光器和準(zhǔn)分子激光器燃油分布測試中是主流；燃料激光器等較昂貴的激光器多用于對(duì) 燃燒組分進(jìn)行測量；（2）在針對(duì)燃料的測量中，酮類、小分子芳香烴是常用的示蹤劑；（3）定量研究多采用異辛烷或正庚烷等純凈物作為汽油的替代物，采用 十二烷或十六烷作為柴油的替代物，從而避免汽油或柴油中部分物質(zhì)熒光 特性復(fù)雜帶來的影響。LIF火焰測量技術(shù)通過光學(xué)的非接觸的方法對(duì) 火焰中的溫度、組份及自由 基進(jìn)行測量是研究火焰燃燒 機(jī)理重要手段，目前能夠測量： 溫度高濃度組份N2, O2,CO, H2, 和 H