第四章溫度測(cè)量方法

1、溫度測(cè)量方法溫度測(cè)量方法熱電偶測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)溫 1 輻射計(jì)法測(cè)溫輻射計(jì)法測(cè)溫2 分光輻射計(jì)法分光輻射計(jì)法3 光散射測(cè)溫法光散射測(cè)溫法4 TDLAS5目目 錄錄第一章第一章 熱電偶測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)溫溫度測(cè)量溫度測(cè)量接觸式測(cè)溫接觸式測(cè)溫非接觸式測(cè)溫非接觸式測(cè)溫聲學(xué)測(cè)溫法聲學(xué)測(cè)溫法輻射計(jì)法輻射計(jì)法 分光輻射計(jì)法分光輻射計(jì)法 譜線(xiàn)反轉(zhuǎn)法譜線(xiàn)反轉(zhuǎn)法輻射吸收法輻射吸收法色溫法色溫法絕對(duì)溫度法絕對(duì)溫度法相對(duì)溫度法相對(duì)溫度法1.1 1.1 測(cè)溫方法的分類(lèi)測(cè)溫方法的分類(lèi)光散射光散射 自發(fā)拉曼散射（自發(fā)拉曼散射（LRSLRS）相干反斯克托斯拉曼光譜（相干反斯克托斯拉曼光譜（CARSCARS）激光誘導(dǎo)熒光（激光誘導(dǎo)熒光（

2、LIFLIF）光學(xué)光學(xué)發(fā)射發(fā)射和吸和吸收收膨脹式溫度計(jì)膨脹式溫度計(jì)熱電偶測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)溫?zé)犭娮铚y(cè)溫?zé)犭娮铚y(cè)溫光纖傳感器測(cè)溫光纖傳感器測(cè)溫測(cè)量方法測(cè)量方法優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)接觸式測(cè)溫接觸式測(cè)溫直觀、可靠直觀、可靠n存在負(fù)載效應(yīng)存在負(fù)載效應(yīng)n受到測(cè)量條件的限制，受到測(cè)量條件的限制，不能充分接觸，使檢測(cè)不能充分接觸，使檢測(cè)元件溫度與被測(cè)對(duì)象溫元件溫度與被測(cè)對(duì)象溫度不一致。度不一致。n熱量傳遞需要一定時(shí)間熱量傳遞需要一定時(shí)間造成測(cè)溫滯后現(xiàn)象。造成測(cè)溫滯后現(xiàn)象。（動(dòng)態(tài)誤差）（動(dòng)態(tài)誤差）非接觸式測(cè)溫非接觸式測(cè)溫檢測(cè)部分與被測(cè)對(duì)象不檢測(cè)部分與被測(cè)對(duì)象不直接接觸，不破壞原有直接接觸，不破壞原有溫度場(chǎng)。通常用來(lái)測(cè)量

3、溫度場(chǎng)。通常用來(lái)測(cè)量10001000以上的移動(dòng)、旋以上的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、或反應(yīng)迅速的高溫轉(zhuǎn)、或反應(yīng)迅速的高溫物體。物體。光路復(fù)雜，設(shè)備昂貴光路復(fù)雜，設(shè)備昂貴1.2 1.2 熱電偶結(jié)構(gòu)及測(cè)溫原理熱電偶結(jié)構(gòu)及測(cè)溫原理1）普通裝配型熱電偶）普通裝配型熱電偶接線(xiàn)盒接線(xiàn)盒引出線(xiàn)套管引出線(xiàn)套管固定螺紋固定螺紋不銹鋼保護(hù)管不銹鋼保護(hù)管熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電偶的結(jié)構(gòu)2 2）鎧裝型熱電偶外形）鎧裝型熱電偶外形法蘭法蘭鎧裝型熱電偶可鎧裝型熱電偶可 長(zhǎng)達(dá)上百米長(zhǎng)達(dá)上百米薄壁金屬薄壁金屬 保護(hù)套管保護(hù)套管（鎧體）（鎧體） BA絕緣絕緣 材料材料鎧裝型熱電偶鎧裝型熱電偶橫截面橫截面特點(diǎn)特點(diǎn)： 響應(yīng)快，時(shí)間常響應(yīng)快，時(shí)間常數(shù)小，可

4、作溫度數(shù)小，可作溫度變化的動(dòng)態(tài)測(cè)量。變化的動(dòng)態(tài)測(cè)量。熱電偶工作原理演示實(shí)驗(yàn)熱電偶工作原理演示實(shí)驗(yàn)熱電極熱電極A A右端稱(chēng)為：右端稱(chēng)為：參考端、參考端、冷端冷端 左端稱(chēng)為：左端稱(chēng)為：工工作端作端、熱端、熱端熱電極熱電極B BAB熱電極熱電極A A左端稱(chēng)為：左端稱(chēng)為：工工作端作端、熱端、熱端熱電極熱電極B BAB右端稱(chēng)為：右端稱(chēng)為：參考端、參考端、冷端冷端 熱電極熱電極A A左端稱(chēng)為：左端稱(chēng)為：工工作端作端、熱端、熱端熱電極熱電極B BAB自由自由電子電子ABeAB（ T T ）T T擴(kuò)散擴(kuò)散BAnn 擴(kuò)散擴(kuò)散電場(chǎng)電場(chǎng))(TEABAB 兩種不同的金屬互相接觸時(shí)，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密兩種不同的

5、金屬互相接觸時(shí)，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬度不同，在兩金屬A和和B的接觸點(diǎn)處會(huì)發(fā)生自由電子的的接觸點(diǎn)處會(huì)發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象擴(kuò)散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬自由電子將從密度大的金屬A擴(kuò)散到密度小的金屬擴(kuò)散到密度小的金屬B，使，使A失去電失去電子帶正電子帶正電，B得到電子帶負(fù)電得到電子帶負(fù)電，從而產(chǎn)生，從而產(chǎn)生接觸電勢(shì)接觸電勢(shì)eAB 。 熱電偶兩結(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的總的熱電偶兩結(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的總的熱電勢(shì)熱電勢(shì)等于熱端接觸電勢(shì)與冷端接觸電勢(shì)等于熱端接觸電勢(shì)與冷端接觸電勢(shì)之差之差： EAB（T，T0）=eAB （ T T ）- - eAB （ T T0 ）名稱(chēng)名稱(chēng)分度分度號(hào)號(hào)名稱(chēng)名稱(chēng)分 度分

6、 度號(hào)號(hào)名稱(chēng)名稱(chēng)分度分度號(hào)號(hào)鉑銠鉑銠10-鉑鉑S銅銅-康銅康銅T鎳鉻鎳鉻-鎳硅鎳硅K鉑銠鉑銠30-鉑鉑銠銠6B鎳 鉻鎳 鉻 - 康康銅銅E 鉑銠鉑銠13-鉑鉑R鐵鐵-康銅康銅J 1.3 1.3 熱電偶的種類(lèi)熱電偶的種類(lèi)K熱電偶的熱電偶的分度表分度表 直接從熱電偶直接從熱電偶的分度表查溫的分度表查溫度與熱電勢(shì)的度與熱電勢(shì)的關(guān)系時(shí)的約束關(guān)系時(shí)的約束條件是：條件是：冷端冷端溫度必須為溫度必須為0 0 C C。1.4 1.4 熱電偶冷端溫度的補(bǔ)償方法熱電偶冷端溫度的補(bǔ)償方法1. 1. 補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)法補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)法u原理：原理：在一定溫度范圍內(nèi)，與配用熱電偶的在一定溫度范圍內(nèi)，與配用熱電偶的熱電特性相同的一對(duì)帶

7、有絕緣層的廉金屬導(dǎo)熱電特性相同的一對(duì)帶有絕緣層的廉金屬導(dǎo)線(xiàn)為補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)。線(xiàn)為補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)。補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)回路總熱電勢(shì)為回路總熱電勢(shì)為E=EAB(T,T0)+EAB(T0,T0)E=EAB(T,T0)EAB(T0,T0)=EAB(T0,T0)2. 2. 冰點(diǎn)法冰點(diǎn)法精度高精度高多用于實(shí)驗(yàn)室多用于實(shí)驗(yàn)室3. 3. 校正儀表機(jī)械零點(diǎn)法校正儀表機(jī)械零點(diǎn)法 當(dāng)熱電偶與動(dòng)圈儀表配套使用時(shí)，如果冷端相對(duì)恒當(dāng)熱電偶與動(dòng)圈儀表配套使用時(shí)，如果冷端相對(duì)恒定，測(cè)量精度要求不高，可將儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)到熱定，測(cè)量精度要求不高，可將儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)到熱電偶冷端溫度電偶冷端溫度T Tn n，這就相當(dāng)于在輸入電勢(shì)

8、之前，就有，這就相當(dāng)于在輸入電勢(shì)之前，就有一個(gè)補(bǔ)償電勢(shì)一個(gè)補(bǔ)償電勢(shì)E EABAB( (T Tn n， 0 )0 )，則有：，則有：( ,)(,0)( ,0)ABNABNABET TETET4.4.補(bǔ)償電橋法補(bǔ)償電橋法 利用電橋不平衡原利用電橋不平衡原理，橋臂熱電阻隨理，橋臂熱電阻隨溫度變化，產(chǎn)生補(bǔ)溫度變化，產(chǎn)生補(bǔ)償電壓償電壓V V),(),(),(00TTETTETTENABABNAB),(),(0TTEVTTEABNAB),(0TTEVNAB第二章第二章 輻射計(jì)法測(cè)溫輻射計(jì)法測(cè)溫譜線(xiàn)反轉(zhuǎn)法譜線(xiàn)反轉(zhuǎn)法輻射吸收法輻射吸收法色溫法色溫法輻射計(jì)法輻射計(jì)法 參考（背景）光源（鎢帶燈）參考（背景）光源（

9、鎢帶燈）的的亮亮度度溫溫度為度為T(mén)0，火焰溫度火焰溫度為為T(mén)FT T0 0 T TF F譜鏡上是暗線(xiàn)光譜譜鏡上是暗線(xiàn)光譜 T0 = TF調(diào)整調(diào)整T T0 0 ，使得觀察到的光，使得觀察到的光譜線(xiàn)由亮變暗或者由暗變譜線(xiàn)由亮變暗或者由暗變亮，找到亮，找到“隱沒(méi)隱沒(méi)( (消失消失) )點(diǎn)點(diǎn)” T T0 0 T TF F譜鏡上是亮線(xiàn)光譜譜鏡上是亮線(xiàn)光譜 常在火焰中加入鈉鹽常在火焰中加入鈉鹽納線(xiàn)隱現(xiàn)法納線(xiàn)隱現(xiàn)法需要反復(fù)調(diào)節(jié)參考光源的需要反復(fù)調(diào)節(jié)參考光源的亮度溫度，因此不適應(yīng)瞬亮度溫度，因此不適應(yīng)瞬態(tài)火焰溫度的測(cè)量。態(tài)火焰溫度的測(cè)量。2.1 2.1 譜線(xiàn)隱現(xiàn)（反轉(zhuǎn)）法譜線(xiàn)隱現(xiàn)（反轉(zhuǎn)）法輻射計(jì)法輻射計(jì)法 ，

10、。（色溫高溫計(jì)：維（色溫高溫計(jì)：維恩位移定律）恩位移定律） （亮溫高溫計(jì)：（亮溫高溫計(jì)：普朗克輻射定律）普朗克輻射定律）小于小于真實(shí)溫度。真實(shí)溫度。輻射高溫計(jì)：Stefan-Boltzman輻射定律。mTb維恩位移定律，維恩位移定律，常量常量b2.897810-3米米開(kāi)稱(chēng)開(kāi)稱(chēng)為維恩位移常數(shù)。僅在為維恩位移常數(shù)。僅在與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。 譜線(xiàn)反轉(zhuǎn)法譜線(xiàn)反轉(zhuǎn)法輻射吸收法輻射吸收法色溫法色溫法輻射計(jì)法輻射計(jì)法 2.2 2.2 輻射吸收法輻射吸收法根據(jù)熱輻射理論，任何物體均在不斷地向外界根據(jù)熱輻射理論，任何物體均在不斷地向外界發(fā)射電磁波，其輻射強(qiáng)度與波長(zhǎng)和溫度有關(guān)發(fā)射電磁波，其輻射強(qiáng)度與波

11、長(zhǎng)和溫度有關(guān)?；鹧娴陌l(fā)射率火焰的發(fā)射率取決于輻射取決于輻射體的材料性質(zhì)、表面狀況、體的材料性質(zhì)、表面狀況、溫度、波長(zhǎng)等因素，測(cè)量精溫度、波長(zhǎng)等因素，測(cè)量精度受到很大的影響。度受到很大的影響。 FLIRFLIR紅外熱成像儀紅外熱成像儀)/exp(),(251TCCTI譜線(xiàn)反轉(zhuǎn)法譜線(xiàn)反轉(zhuǎn)法輻射吸收法輻射吸收法色溫法色溫法輻射計(jì)法輻射計(jì)法 2.2 2.2 輻射吸收法輻射吸收法1 1、架好相機(jī)、架好相機(jī)2 2、連接相機(jī)、連接相機(jī)3 3、設(shè)定測(cè)量系數(shù)、設(shè)定測(cè)量系數(shù)4 4、顯影、顯影2.2 2.2 輻射吸收法輻射吸收法5 5、對(duì)焦、對(duì)焦6 6、采集、采集（F5F5）2.2 2.2 輻射吸收法輻射吸收法譜線(xiàn)

12、反轉(zhuǎn)法譜線(xiàn)反轉(zhuǎn)法輻射吸收法輻射吸收法色溫法色溫法輻射計(jì)法輻射計(jì)法 2.3 2.3 色溫法色溫法常用雙色溫法，也稱(chēng)為常用雙色溫法，也稱(chēng)為雙色法雙色法)/exp(),(251TCCTI普朗克定律普朗克定律：兩個(gè)不同波長(zhǎng)的亮度之比兩個(gè)不同波長(zhǎng)的亮度之比)/exp()/exp(225121252121TCTCII優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需參考光源，從而有利于簡(jiǎn)化實(shí)用中的光路布置。：無(wú)需參考光源，從而有利于簡(jiǎn)化實(shí)用中的光路布置。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：測(cè)量的精度取決于假定的：測(cè)量的精度取決于假定的( ,)FT 表達(dá)式的準(zhǔn)確度。表達(dá)式的準(zhǔn)確度。2.3 2.3 色溫法色溫法多用三色法：紅、藍(lán)、多用三色法：紅、藍(lán)、綠，利用綠，利用CC

13、DCCD圖像處理圖像處理技術(shù)重建溫度場(chǎng)技術(shù)重建溫度場(chǎng)色溫法在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用色溫法在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用絕對(duì)溫度法：僅對(duì)絕對(duì)溫度法：僅對(duì)單一的譜線(xiàn)單一的譜線(xiàn)或譜帶進(jìn)行或譜帶進(jìn)行絕對(duì)輻射量絕對(duì)輻射量測(cè)量。測(cè)量。3.1 3.1 絕對(duì)溫度法絕對(duì)溫度法第三章第三章 分光輻射計(jì)法分光輻射計(jì)法采用該法的采用該法的前提前提是是被測(cè)火焰處于熱平衡狀態(tài)，無(wú)自吸收作用被測(cè)火焰處于熱平衡狀態(tài)，無(wú)自吸收作用；需知道各原子常數(shù)，計(jì)算粒子密度；需知道各原子常數(shù)，計(jì)算粒子密度；保證測(cè)溫時(shí)所用的乳劑種類(lèi)、顯影條件與標(biāo)定時(shí)完全一樣。保證測(cè)溫時(shí)所用的乳劑種類(lèi)、顯影條件與標(biāo)定時(shí)完全一樣。在實(shí)際應(yīng)用中是在實(shí)際應(yīng)用中是比較難實(shí)現(xiàn)比較難實(shí)現(xiàn)的。

14、的。3.2 3.2 相對(duì)溫度法相對(duì)溫度法相對(duì)強(qiáng)度測(cè)溫法是相對(duì)強(qiáng)度測(cè)溫法是基于若干譜線(xiàn)和譜帶的相對(duì)輻射基于若干譜線(xiàn)和譜帶的相對(duì)輻射進(jìn)行測(cè)進(jìn)行測(cè)量，由此可確定分子內(nèi)部能級(jí)的總體分布以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)、量，由此可確定分子內(nèi)部能級(jí)的總體分布以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)或電子溫度。振動(dòng)或電子溫度。 )exp(2121212121kTEEgAgA112221121)(ln12gAgAkEETkrIIlglglg21無(wú)需標(biāo)定，只要知道兩個(gè)透過(guò)率即無(wú)需標(biāo)定，只要知道兩個(gè)透過(guò)率即可以求得兩條譜線(xiàn)的相對(duì)強(qiáng)度可以求得兩條譜線(xiàn)的相對(duì)強(qiáng)度 4.1 4.1 激光拉曼光譜基本原理激光拉曼光譜基本原理E0基態(tài)， E1振動(dòng)激發(fā)態(tài)； E0

15、+ h 0 ， E1 + h 0 激發(fā)虛態(tài)；獲得能量后，躍遷到激發(fā)虛態(tài). h E0E1V=1V=0h 0h 0h 0H（ 0 + ）E1 + h 0E0 + h 0h( 0 - )第四章第四章 光散射測(cè)溫法光散射測(cè)溫法RamanRaman散射的兩種躍遷散射的兩種躍遷能量差：能量差： E=hE=h( ( 0 0 - - ) )產(chǎn)生產(chǎn)生stokesstokes線(xiàn)線(xiàn)；強(qiáng)；基；強(qiáng)；基態(tài)分子多；態(tài)分子多； E=hE=h( ( 0 0 + + ) )產(chǎn)生產(chǎn)生反反stokesstokes線(xiàn)線(xiàn)；弱；弱；RamanRaman位移：位移：RamanRaman散射光與入射光散射光與入射光頻率差頻率差；ANTI-ST

16、OKES 0 - RayleighSTOKES 0 + 0h( 0 + )E0E1V=1V=0E1 + h 0E2 + h 0 h h 0h( 0 - )4.1 4.1 激光拉曼光譜基本原理激光拉曼光譜基本原理RamanRaman散射的產(chǎn)生：光電場(chǎng)散射的產(chǎn)生：光電場(chǎng)E E 中，分子產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極矩中，分子產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極矩 = = E E， 分子極化率；分子極化率；4.2 4.2 線(xiàn)性（自發(fā)）激光拉曼散射（線(xiàn)性（自發(fā)）激光拉曼散射（LRSLRS）散射組分在特定振動(dòng)散射組分在特定振動(dòng)- -轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)狀態(tài)下的拉曼譜線(xiàn)強(qiáng)度為：轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)狀態(tài)下的拉曼譜線(xiàn)強(qiáng)度為：),(),()/(),(,0TFJvnddICJv

17、IJvg常數(shù)常數(shù) 入射激入射激光功率光功率微分散射微分散射橫截面橫截面立體角立體角 分子的分子的數(shù)密度數(shù)密度與溫度有關(guān)的與溫度有關(guān)的修正因子，由修正因子，由譜線(xiàn)分布和譜譜線(xiàn)分布和譜分辨率決定分辨率決定為求溫度，有兩種方法：為求溫度，有兩種方法：應(yīng)用斯托克斯和反斯托克斯譜線(xiàn)強(qiáng)度比，僅用于溫度應(yīng)用斯托克斯和反斯托克斯譜線(xiàn)強(qiáng)度比，僅用于溫度 800K以上的測(cè)量；以上的測(cè)量；譜線(xiàn)擬合法。譜線(xiàn)擬合法。ITFTFITTrrr),(),(T Tr r：參考溫度：參考溫度I Ir r： 斯托克斯拉曼譜線(xiàn)積分強(qiáng)度斯托克斯拉曼譜線(xiàn)積分強(qiáng)度激光光源：激光光源：He-NeHe-Ne激光器，波長(zhǎng)激光器，波長(zhǎng)632.8n

18、m632.8nm； ArAr激光器：激光器： 波長(zhǎng)波長(zhǎng)514.5nm514.5nm， 488.0nm 488.0nm； 散射強(qiáng)度散射強(qiáng)度 1/1/ 4 4 單色器：?jiǎn)紊鳎?光柵，多單色器；光柵，多單色器； 檢測(cè)器：檢測(cè)器： 光電倍增管，光電倍增管， 光子計(jì)數(shù)器；光子計(jì)數(shù)器；4.2 4.2 線(xiàn)性（自發(fā)）激光拉曼散射（線(xiàn)性（自發(fā)）激光拉曼散射（LRSLRS）激光拉曼光譜儀實(shí)驗(yàn)設(shè)備激光拉曼光譜儀實(shí)驗(yàn)設(shè)備：M2L2L1SS1P1P2laserM1調(diào)節(jié)外光路使入射激光束垂調(diào)節(jié)外光路使入射激光束垂直地通過(guò)樣品池的中心直地通過(guò)樣品池的中心調(diào)節(jié)匯聚透鏡調(diào)節(jié)匯聚透鏡L L1 1的位置，使聚焦激的位置，使聚焦激

19、光束的腰部正好處于樣品池的中心光束的腰部正好處于樣品池的中心調(diào)節(jié)樣品架的位置，使調(diào)節(jié)樣品架的位置，使激光束處于樣品正中央激光束處于樣品正中央調(diào)節(jié)反射鏡調(diào)節(jié)反射鏡M M1 1使反射使反射光束與入射光束重合光束與入射光束重合調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)M M2 2使通過(guò)使通過(guò)M M2 2反射成反射成像與直接成像二者重合像與直接成像二者重合反復(fù)調(diào)節(jié)聚光鏡反復(fù)調(diào)節(jié)聚光鏡L L2 2的位置，使的位置，使樣品中激光束通過(guò)聚光鏡樣品中激光束通過(guò)聚光鏡L L2 2清清晰地成像于單色儀入射狹縫上晰地成像于單色儀入射狹縫上激光拉曼光譜儀光路調(diào)節(jié)：激光拉曼光譜儀光路調(diào)節(jié)：4.2 4.2 線(xiàn)性（自發(fā)）激光拉曼散射（線(xiàn)性（自發(fā)）激光拉曼散

20、射（LRSLRS）4.2 4.2 線(xiàn)性（自發(fā)）激光拉曼散射（線(xiàn)性（自發(fā)）激光拉曼散射（LRSLRS）LRSII型激光拉曼/熒光光譜儀4.3 4.3 相干反斯托克斯拉曼散射（相干反斯托克斯拉曼散射（CARSCARS）當(dāng)幾束激光按一定的角度要求在燃燒場(chǎng)中聚焦時(shí)，在聚當(dāng)幾束激光按一定的角度要求在燃燒場(chǎng)中聚焦時(shí)，在聚焦區(qū)域會(huì)產(chǎn)生一束類(lèi)似于弱激光的焦區(qū)域會(huì)產(chǎn)生一束類(lèi)似于弱激光的CARSCARS信號(hào)。一般用信號(hào)。一般用2 2束束頻率相同的泵浦激光頻率相同的泵浦激光和和一束頻率在泵浦光的斯托克斯光一束頻率在泵浦光的斯托克斯光位置的激光位置的激光三波混頻三波混頻。 頻率為頻率為VpVp的泵浦束和頻率為的泵浦束

21、和頻率為VsVs的探測(cè)束借助的探測(cè)束借助幾何匹配技術(shù)被幾何匹配技術(shù)被“混合混合”。激光通過(guò)三階非線(xiàn)性。激光通過(guò)三階非線(xiàn)性極化率同介質(zhì)相互作用，產(chǎn)生震蕩偏振，并發(fā)出極化率同介質(zhì)相互作用，產(chǎn)生震蕩偏振，并發(fā)出CARSCARS信號(hào)，其頻率為泵浦頻率與拉曼頻移之和。信號(hào)，其頻率為泵浦頻率與拉曼頻移之和。 CARS CARS測(cè)量原理測(cè)量原理泵浦光束：固定頻率的激光器的光束泵浦光束：固定頻率的激光器的光束斯托克斯光束：可調(diào)頻率激光器的光束斯托克斯光束：可調(diào)頻率激光器的光束聚焦于采樣區(qū)，兩頻率之差等于采樣區(qū)聚焦于采樣區(qū)，兩頻率之差等于采樣區(qū)內(nèi)某種氣體成分的拉曼頻移。兩束光與內(nèi)某種氣體成分的拉曼頻移。兩束光與

22、氣體的相互作用會(huì)產(chǎn)生一相干的反斯托氣體的相互作用會(huì)產(chǎn)生一相干的反斯托克斯拉曼光束。克斯拉曼光束。Fig.2.CARS energy level diagram, showing how multiple laser beams (2 pumps and 1 Stokes) can generate fourth CARS beam.Fig.8.The pump and Stokes beams are mixed in a phase matching arrangement, such as the BoxCARS configuration shown here. Collinear CA

23、RS in nondispersive mediaPhase matching 2: Beam patterns:Fig.5.Collinear CARSBox-CARSBoxCARS CARS CARS測(cè)量密度原理測(cè)量密度原理當(dāng)相位完全匹配時(shí)，當(dāng)相位完全匹配時(shí)，CARSCARS信號(hào)的功率與激光器和分子數(shù)密度成非線(xiàn)性關(guān)系：信號(hào)的功率與激光器和分子數(shù)密度成非線(xiàn)性關(guān)系：22)3(22122323)4(zxPPcvPP Pi i：頻率：頻率vivi下的激光功率下的激光功率z z ：介質(zhì)中亮光相交區(qū)在光軸方向上的長(zhǎng)度：介質(zhì)中亮光相交區(qū)在光軸方向上的長(zhǎng)度x x（3 3）：氣體介質(zhì)的三階非線(xiàn)性極化率（或稱(chēng)

24、磁化率）：氣體介質(zhì)的三階非線(xiàn)性極化率（或稱(chēng)磁化率）nrrxxx)3(共振部分，取決于光束的頻率，代表了共振部分，取決于光束的頻率，代表了被研究組分的拉曼激發(fā)躍遷，通過(guò)玻耳被研究組分的拉曼激發(fā)躍遷，通過(guò)玻耳茲曼分布之差可提取溫度信息。茲曼分布之差可提取溫度信息。非共振部分，基本是常數(shù)，與激光頻率無(wú)關(guān)非共振部分，基本是常數(shù)，與激光頻率無(wú)關(guān)x xr r是分子數(shù)量密度和振是分子數(shù)量密度和振- -轉(zhuǎn)能級(jí)間粒子束轉(zhuǎn)能級(jí)間粒子束布居之差的函數(shù)，通過(guò)布居之差的函數(shù)，通過(guò)光譜輪廓光譜輪廓進(jìn)行擬進(jìn)行擬合可得到合可得到溫度場(chǎng)信息溫度場(chǎng)信息；對(duì)；對(duì)光譜強(qiáng)度光譜強(qiáng)度進(jìn)行進(jìn)行分析可得到分析可得到密度信息密度信息。 CARS CARS測(cè)量溫度原理測(cè)量溫度原理常用的測(cè)溫介質(zhì)組分是簡(jiǎn)單的雙原子氣體，特別是常用的測(cè)溫介質(zhì)組分是簡(jiǎn)單的雙原子氣體，特別是N N2 2和和H H2 2。N N2 2是空氣參加燃是空氣參加燃燒的系統(tǒng)中的一種主要成分，它的譜線(xiàn)常數(shù)是已知的，物理模型也很好建立，燒的系統(tǒng)中的一種主要成分，它的譜線(xiàn)常數(shù)是已知的，物理模型也很好建立，易于計(jì)算；它又有易于被易于計(jì)算；它又有易于被CARSCARS診斷的診斷的Q Q支，故常被選作