相干反斯托克斯喇曼光谱单脉冲测量火焰温度
基于激光的测量技术在燃烧流场诊断中的应用
在处于高压、高温等严苛环境的现代燃烧系 统中，基于激光的测量技术既能为燃烧基础研究 提供测量手段，同时也能在实际燃烧装置中，为燃 烧效率最大化、污染最小化提供经验性的解决策 略。此外，激光诊断技术在解决实际燃烧问题如 催化燃烧、火焰抑制、燃烧控制、燃气轮机和内燃 机的燃料注入与混合、材料燃烧合成等方面都具 有重要的作用。
激光燃烧诊断技术是以激光器件、光谱物理、 光电探测、数据图像处理等为基础的非接触式测 量技术，当前已发展成为燃烧实验研究的主要测 量工具之一。与传统的接触式测量手段相比，其 具有如下优势：首先，它是非侵入式测量方法，对 燃烧流场基本没有扰动，测量结果能更好地反映 真实的燃烧过程；其次，测量信息丰富，可获取燃 料雾化、流动速度、燃烧场温度及组分浓度等各种 信息，有利于较全面地了解燃烧过程；第三，它具 有很高的时空分辨力，其时间分辨力可以达到纳 秒甚至飞秒量级，空间分辨力可以达到毫米甚至 微米量级，可为认识和理解发动机湍流与燃烧相 互作用提供信息；第四，能够用于燃烧流场参数的 可视化测量，结合图像处理与图像显示等手段，可 以显现燃烧场的各种变化特性。
动态计量在航天技术 中的应用
动 态 压 力 测 量 广泛 用 于 航 空 、 航 海 、宇 航 、 防护 工 程 和一 些 基 地 的试 验 ， 用于 工业 过
程的监控 、控制和诊 断 其主要应 用为： （） 研 究 和 开发 。 如 ： 内燃 机 和 液 压 系 统 的研 制 ，发 动 机 的 测 试 ，风 洞 的测 试 ， 原 子 １ 弹爆 炸及 冲击波 的测试等 ； （） 运 行 系 统 的特 性 评 估 。 如 ： 液 压 装 置 压 缩 机 的 失 灵 判 断 和 各 种 诊 断 （ 学 诊 断 ， ２ 医 管道 的波 动、冲击，发动机 的喘振 等） 。 动态压力测 量是 十分 重要 的。如在航 空发动 机、火箭发 动机等 的试验研 究与测试 中， 能否 准确地进行动态压力测量 ，涉及到 发动 机的性 能和人身安全等 问题。 动态压力测量一般采 用电渊法 。 目前采 用两种测量系统 ：模 拟测量 和数字测量 。模拟 测量系统是一种传统 的动态压力测量 系统；近 十几年来兴起 的数 字测量 系统显示 出它的很 多优越性，越 来越广泛地 被人们所 采用。
一
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
、
概
述
当前 ，计量学 和测试技 术 已由静 态测试和校准发 展到 动态测试和校 准，亦即 由对其值
是 恒 定 的 量 的 观 测 发 展 到对 随 时 间 而 变 化 的 量 的观 测 。
般来说 ，动 态测量 系统 由传感器 、中间变换装 置 （ 含数据采集和 变换 ）及 数据记录 和处 理等三部分组 成；而动态测试校准技术则 主要包 括两个方 面的内容 ： 其一 、对动 态参数 的测量技术 。倒如 ：各种 生产 过程 中 自动化设备 和各 种 自动控制系
一
仪器分析原理(何金兰版)课后答案
仪器分析习题与解答第1章1 为什么说光波是一种横波？答: 我们知道，当波的传播方向与其振动方向垂直时，称为横波；光波是一种电磁波, 而电磁波在空间的传播方向与其电场矢量和磁场矢量的振动平面垂直； 所以，光波是一种横波。
2 计算下列辐射的频率，波数及辐射中一个光子的能量（1） 钠线（D 线）589.0nm;（2） 波长为200cm 的射频辐射；（3） 波长为900pm 的X 射线。
解：（1）ν = c/λ =cms cm 100.589100.31710-⋅⨯⨯⨯-=5.09³1014(Hz) ΰ = 1/λ = (589.0×10-7cm)-1 = 1.7×104(cm -1)E = h c/λ =cm s cm s J 100.589100.310626.6171034-⋅⋅⋅⨯⨯⨯⨯⨯--=3.38³10-15(J)3 吸光度与透光率的换算（1） 将吸光度为0.01, 0.30, 1.50换算为透光率；（2） 透光率为10.0%, 75.0%, 85.5%换算为吸光度。
解：(1) ∵A=log(1/T) ∴ logT=－A=－0.01, ∴ T=10-0.01=97.7%∴ logT=－A=－0.30, ∴ T=10-0.30=50.1%∴ logT=－A=－1.50, ∴ T=10-1.50=3.16%(2) A=log(1/T)=log100/10=log10=1.00A=log(1/T)=log100/75=log1.333=0.125A=log(1/T)=log100/85.5=log1.17=0.068 4 填表：频率能 量波 数 光 谱 区 JeV cm -1 3x10101.99³10-23 1.24x10-4 1 微波区2.4³10241.6x10-9 9.98x109 8.05x1013 γ区2.4³10121.6x10-21 0.01 8.05 远红外2.4³1014 4.97x10-193.1 25000 近紫外5在765 nm波长下，水溶液中的某化合物的摩尔吸光系数为1.54×103（L²mol-1²cm-1），该化合物溶液在1 cm的吸收池中的透光率为43.2%。
激光光谱技术在燃烧流场诊断中的应用
激光光谱技术在燃烧流场诊断中的应用刘晶儒;赵新艳;叶锡生;胡志云;张振荣;关小伟;王晟;陶波;叶景峰;张立荣;黄梅生【摘要】介绍了用于燃烧流场诊断的激光光谱技术的研究进展,叙述了相干反斯托克斯喇曼散射、自发振动喇曼散射、激光诱导荧光、分子滤波瑞利散射、可调谐二极管激光吸收光谱等技术的基本原理及其实验系统.给出并分析了激光光谱技术对预混火焰稳态燃烧场和固体燃剂瞬态燃烧场的温度、主要组分及浓度、流场密度和火焰构造测试的实验结果.实验结果表明,基于激光光谱的燃烧诊断技术不仅能够实现对稳态燃烧场的高精度测量,而且能够应用于复杂的瞬态燃烧场诊断.%The research on laser combustion diagnostic techniques is reviewed. The fundamental principles and experimental systems of Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS), Spontaneous Vibration Raman Scattering (SVRS), Laser-induced Fluorescence (LIF), Molecular Filtered Rayleigh Scattering (FRS), Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) etc. , are presented. The measured main parameters of temperature, species concentration, density and structures in the premixed stable flame and solid fuel combustion are also given. The measured results indicate that laser spectroscopy-based diagnostic techniques can be used in premixed flame for high precision measurements,and are well suitable for the diagnostics of more complex transient combustion.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2011(019)002【总页数】13页(P284-296)【关键词】激光光谱;稳态燃烧场;瞬态燃烧场;光谱诊断【作者】刘晶儒;赵新艳;叶锡生;胡志云;张振荣;关小伟;王晟;陶波;叶景峰;张立荣;黄梅生【作者单位】西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024【正文语种】中文【中图分类】O657.319激光光谱技术诊断燃烧流场的过程本质是激光与物质相互作用。
宽带相干反斯托克斯喇曼散射法诊断固体燃剂燃烧场
宽带相干反斯托克斯喇曼散射法诊断固体燃剂燃烧场胡志云;张振荣;刘晶儒;关小伟;黄梅生;叶锡生【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2004(016)001【摘要】报道了采用单次脉冲非稳腔空间增强探测-相干反斯托克斯喇曼散射(USED CARS)技术诊断常压下固体燃剂瞬态燃烧场温度和氮气浓度.采用宽带USED CARS技术,在固体燃剂瞬态燃烧场获得了较高信噪比的单次激光脉冲氮气Q支CARS实验谱,用CARS理论计算软件拟合CARS实验谱,给出了固体燃剂瞬态燃烧场温度和氮气浓度在不同高度的分布,固体燃剂燃烧场温度约2 250K、氮气相对浓度16%～20%.【总页数】4页(P19-22)【作者】胡志云;张振荣;刘晶儒;关小伟;黄梅生;叶锡生【作者单位】西北核技术研究所,陕西,西安,710024;西北核技术研究所,陕西,西安,710024;西北核技术研究所,陕西,西安,710024;西北核技术研究所,陕西,西安,710024;西北核技术研究所,陕西,西安,710024;西北核技术研究所,陕西,西安,710024【正文语种】中文【中图分类】TN245【相关文献】1.相干反斯托克斯喇曼散射光谱的理论计算 [J], 冯伟;何伟;商砚冰2.相干反斯托克斯喇曼散射光谱在推进剂火焰温度和浓度测… [J], 冯振芳;高稚允3.相干反斯托克斯拉曼及相干反斯托克斯超拉曼光谱微观极化率张量元的简化方案-C∞v对称性 [J], WANG Yuan;ZHANG Zhen;GUO Yuan4.相干反斯托克斯拉曼及相干反斯托克斯超拉曼光谱微观极化率张量元的简化方案-C3v对称性 [J], 汪源; 张贞; 郭源5.基于混合飞秒/皮秒相干反斯托克斯拉曼散射的动态高温燃烧场温度测量 [J], 田子阳;赵会杰;尉昊赟;李岩因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
第八章拉曼光谱技术 (1)
超拉曼散射
双光子荧光
超拉曼散射谱线很弱，一般仅为入射光强度的 10
Pi( 2) ijkE j Ek
13
在理论解释上，超拉曼是由诱导偶极矩的二阶分量产生
六、 表面增强拉曼光谱 当分子吸附在某种金属表面时，共散射截面比不吸附时增大好几个数量级， 例如当吡啶分子吸附于银电极表面时，其散射截面比常态吡啶分子增大了 5—6个数量级。 主要特点表现： 1)表面增强拉曼散射与吸附金属种类有关，目前发现有表面增强效应的 金属有：金、钢、银、锂、钠、钾等，其中以银的增强效应最显著。 2)与吸附金属表面的粗糙度有关，当金属表面具有微观(原子尺度)或亚 微观(纳米尺度)结构时，才有表面增强效应，实验发现，当银的表面粗 糙度为100 nm、铜的表面粗糙度为50nm时，增强效应较大； 3)正常拉曼散射光的强度与激发光频率的四次方成正比，而对表面增强拉 曼散射这一关系并不成立，表现为宽频带的共振关系；选择定则也放宽 了．实验发现，某些只有红外活性的介质，测量到了增强拉曼散射信号；
频率降低的差频光散射称为斯托克斯散射
频率升高的和频光散射称为反斯托克斯散射
CCl4
这里只讨论到线性极化率（相应于弱光场)，这种散射又称为正常拉曼散射， 又由于散射光无相干性，具有自发发射性质，所以也称为自发拉曼散射。
2 量子论观点 拉曼光散射是入射光与物质间“碰撞”发生能量转移的非弹性散射。
N 2 N1 exp(
√采用时间鉴别技术。
14 （拉曼发射很快，约 10 s
，荧光寿命则要长得多， 108 1012 s ）
五、超拉曼散射 当激发光很强时，原子可以同时吸收两个光子乃至多个光子而从低能态 跃迁到高能态。 在拉曼光谱中是也会出现相类似的情况，当入射激光ω0的功率增强时， 在散射光中会出现频率为2 甚至为3 ω0±ωR的分量，称为超拉曼散射
相干反斯托克斯拉曼光谱学效应
相干反斯托克斯拉曼(CARS) 相干反斯托克斯拉曼(CARS) 光谱学效应
实验装置原理图
• 两入射光采用聚焦后的交叉入射方式
实验例子
优点
• • • • 提供较高的信号光强或亮度 信号光束具有空间定向性，易于与入射光分离 信号光束具有空间定向性， 易于消除可能存在着样品荧光辐射背底影响 聚焦入射可提供较高的分辨率
谢谢
CARS原理 CARS原理
• CARS是一种特殊的四波混频效应。 CARS是一种特殊的四波混频效应。 是一种特殊的四波混频效应 • 特点：三束入射光波中，两束入射光的差频与 特点：三束入射光波中， 待测介质的拉曼跃迁能级间隔产生共振， 待测介质的拉曼跃迁能级间隔产生共振，从而 使三次非线性电极化率得到共振增强， 使三次非线性电极化率得到共振增强，并产生 第四束向高频方向移动的相干波信号， 第四束向高频方向移动的相干波信号，频移值 正好等于介质拉曼光谱频移值。 正好等于介质拉曼光谱频移值
2010级光学工程 级光学工程 商祥年
2010-12-23
目录
• 概述 • 原理 • 实验应用
效应概述
• 基于两作用光束的差频与样品拉曼散射频移 相共振的四波混频效应； 相共振的四波混频效应；
实验装置
• 两束不同频率的激光束入射到待测样品中， 两束不同频率的激光束入射到待测样品中， 并且至少其中一束光的频率是可调谐的； 并且至少其中一束光的频率是可调谐的； • 上述两束入射光频率之差可以调谐到与样品 本身的拉曼跃迁频率发生共振； 本身的拉曼跃迁频率发生共振； • 有关样品光谱学的信息是通过对特定的信息 光束获得的， 光束获得的，这一信息光束可以是通过样品 后的一束入射激光， 后的一束入射激光，也可以是通过多波混频 作用而产生的新的相干辐射光束
基于光谱测量的燃烧诊断技术_庄逢辰
2002年8月第13卷第4期装备指挥技术学院学报J o urnal of the Academ y o f Equipment Co mmand &Technolog y Aug ust 2002V o l.13 No.4 收稿日期:2002-01-15作者简介:李麦亮(1971-),男,博士研究生;庄逢辰(1932-),男,教授,博士生导师,中国科学院院士.基于光谱测量的燃烧诊断技术李麦亮 赵永学 耿 辉 周 进 王振国(国防科技大学航天与材料工程学院,长沙410073)庄逢辰(装备指挥技术学院试验工程系,北京101416) 摘 要:分别介绍了基于发射光谱、相干反斯托克斯喇曼光谱(CARS)和激光诱导荧光光谱(LIF )的燃烧诊断技术的原理、方法、发展现状以及一些具体应用结果,并展望了它们在燃烧科学研究和工程实践中的应用前景。
关 键 词:发射光谱;相干反斯托克斯喇曼光谱;激光诱导荧光;燃烧诊断中图分类号:O 656文献标识码:A 文章编号:CN 11-3987/G3(2002)04-0032-05 21世纪新一代航天运载工具以及各种高性能、低污染、大流强、小尺寸燃烧装置的发展,对燃烧科学研究提出了越来越高的要求。
燃烧诊断是提高燃烧研究水平,推动与燃烧相关的各种先进火箭技术、高超声速飞行器推进技术和能源利用技术发展的重要基础技术,因此长期以来燃烧诊断技术的研究和应用一直受到特别重视。
发达国家如美国、德国、法国和日本的一些先进实验室,特别是与燃烧科学关系密切的推进、动力研究实验室,都在积极采用光学测量技术对燃烧流场进行测量和研究[1～5]。
近几年我国也在这方面开展了研究[6～9]。
在所有可以应用于燃烧诊断的光谱技术中,尤以发射光谱、相干反斯托克斯喇曼光谱(CARS)和激光诱导荧光(LIF)等几种技术研究较多,与以热电偶、气体成份分析仪等为代表的传统手段相比,光谱技术灵敏度高,时间和空间分辨率高,不干扰流场,并且对燃烧场恶劣的测量环境适应性强,测量信息丰富,甚至可以测量燃烧研究甚为关心的各种自由基,这是以前无法做到的。
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相干反斯托克斯喇曼光谱单脉冲测量火焰温度由于反斯托克斯喇曼光谱(CRDS)可以提供高精度的单脉冲测量，因此，该技术可用于对火焰温度进行精确测量。
CRDS被用来测量大气火焰中的气体温度，这在内燃机燃烧诊断中尤其重要。
CRDS可以利用其高灵敏度和响应非常快的特性来监测火焰中的气体温度。
CRDS 可以测量火焰温度到超过3000 K。
CRDS可以在测量多种火焰的温度时处于优势地位。
例如，CRDS可以在燃气炉火焰中得出更准确的温度读数，而其他技术可能无法。
此外，CRDS可以快速准确地测量低热量，高热量和瞬态火焰的温度变化。
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