航空发动机光学测试方法
航空发动机叶片的型面质量测量方法对比
航空发动机叶片的型面质量测量方法对比作者：李进来源：《中国新技术新产品》2015年第18期摘要：航空工业是一个国家的工业之花，其中航空发动机又是其中的核心。
在航空发动机的制造过程中，叶片又是航空发动机总体三大部分中压气机中较难制造的部分，其制造的精度以及其型面质量都会对发动机的性能造成严重的影响，以及对航空发动机叶片的检测也提出了较为严峻的考验。
现今对于航空发动机叶片型面质量的检测方法众多，不同的检测方法具有不同的适用情况，在航空发动机叶片的检测精度以及测量能力等方面都有着不同的特性。
本文将在对比分析的基础上提出航空发动机叶片型面测量技术的发展趋势。
关键词：航空发动机叶片；型面检测；测量精度中图分类号：TH542 文献标识码：A在航空发动机的制造过程中，叶片是其中较为重要的组件，其型面复杂且尺寸跨度较大，且在运行的过程中会受到较为严重的外力，从而使得其的工作情况较为恶劣。
其中，航空发动机叶片的几何形状与其尺寸对于其工作性能有着重要的影响，而航空发动机叶片的型面质量则对二次流损耗有着十分重要影响，从而影响着发动机的工作性能。
在现今的航空发动机发展过程中，对于发动机的效率提出了更高的要求，从而对航空发动机叶片的型面质量的检测精度与检测效率提出了更高的要求。
本文将对现今航空发动机叶片的型面质量检测所采用的方法进行对比分析。
1 航空发动机叶片的型面质量检测内容及方法航空发动机叶片的型面质量的检测主要是对叶片型面的轮廓的几何尺寸（如叶型厚度、叶型弯扭以及叶片的前后缘位置等）进行检测。
以往采用的主要测量方法主要有：标准样板法、自动绘图测量法以及坐标测量法等。
同时随着科技的发展以及高新技术在航空发动机叶片的型面质量测量中的应用，为航空发动机叶片的型面质量的测量带来了新的方法如机器视觉测量法以及四坐标激光测量法和激光扫描测量法等。
2 航空发动机叶片的型面质量测量方法对比分析2.1 标准样板法。
标准样板法是较早应用于航空发动机叶片的型面质量测量的方法，此种方法采用的原理主要是通过将标准样板与实际需要检测的叶片在相应的检测载面上相互靠近，同时采用照明灯光进行光照照射，并根据样板与待检叶片之间的漏光缝隙的大小来检测航空发动机叶片型面对应型线的误差，采用此种方法最主要的就是需要航空发动机叶片中的理论型线设计并制造相应的型线母板量具。
以光学扫描为基础的航空发动机叶片部件检测技术
2020.18科学技术创新（转下页）以光学扫描为基础的航空发动机叶片部件检测技术吕依儒（中国航发西安航空发动机有限公司，陕西西安710021）我国航空行业在发展的过程中，叶片是该领域中较为重要的零件，尺寸跨度大、数量相对较多，并且性能、叶片尺寸与形状制作精度有较大的影响。
此外，叶片型面在设计的过程中主要是以流体力学原理为基础，直接决定了发动机能量转换效率。
随着科学技术不断发展，应当提升叶片精确度与完整性，这就需要采取有效措施制造符合要求的叶片。
叶片截面测量技术在航空发动机叶片制作的过程中有较为广泛的应用，其应用效果较为显著，可有效弥补接触式测量方法与设备限制，以此为我国航空事业的发展奠定良好的基础。
1叶片的型面结构与测试要求航空发动机在工作的过程中，叶片在其中扮演着较为重要的角色，在此过程中发动机工作特点与功能界定了叶片是最为复杂的零件。
随着发动机技术的不断发展，叶片型面结构也逐渐复杂，在此期间呈现出叶弦变宽、扭曲弯度变大等变化趋势，这在较大程度上极易导致在叶片测量其中存在不同问题。
叶片构成一般情况下有缘板与叶身，其中叶身在叶片中较为重要，主要有进气边、排气边等构成，如果叶片处于工作状态的情况下，气流叶片边缘部分是进气边；叶盆是叶身的压力面，是沿排气边到进气边叶身凹进的一面。
叶片的截面有不同的差异性，一般情况下是有不同曲线组成，检测难度相对比较大。
目前，在对叶片进行测量的过程中，主要是在叶片截面特点参数的基础上进行有效的判断，以此能够有效提升检测期间的准确性，在此过程中测量设备需要满足几下集中需求。
首先，测量精度高。
由于叶背与叶盆等曲率半径相对较大，需要确保一定的测量精度，一般情况下测量精度应当在0.02-0.08mm ；如果进气边与排气边曲率半径相对较小，其测量精度也相对较高，特别是轮廓与形状需要较高的测量精度[1]。
其次，测量速度快，在航空发动机中由于叶片数量与种类相对比较多，需要提升测量速度，以此满足叶片检测需求。
航空发动机烟气的测量方法
航空发动机烟气的测量方法
航空发动机烟气的测量方法主要包括以下几种：
1. 热电偶法：该方法基于热电效应原理，通过测量烟气与参考气体的温差电动势来推算烟气的温度。
这种方法具有测量准确、响应速度快、稳定性好等优点，但需要定期校准和清洁热电偶，以避免因污染和氧化导致测量误差。
2. 光学法：光学法是基于光的吸收、散射和干涉等原理来测量烟气参数的方法。
例如，红外光谱法可以用于测量烟气中的CO、CO2、H2O等组分浓度。
光学法具有非接触、无干扰、测量范围广等优点，但容易受到烟气中颗粒物和光学元件污染的影响，需要定期清洁和维护。
3. 电化学法：该方法利用电化学反应来测量烟气中的某些组分，如O2、NOx等。
电化学法具有测量准确、响应速度快、成本低等优点，但需要定
期更换电化学元件，以避免因老化或污染导致测量误差。
4. 激光雷达法：该方法利用激光雷达技术来测量烟气中的颗粒物浓度和粒径分布。
激光雷达法具有测量范围广、精度高、非接触等优点，但需要复杂的光学系统和数据处理技术，成本较高。
在实际应用中，根据具体的测量需求和条件，可以选择适合的测量方法。
航空发动机性能测试与评估技术研究
航空发动机性能测试与评估技术研究随着现代航空业的不断发展，航空发动机作为飞机的核心部件，其性能的稳定性和可靠性已成为保证航空飞行的关键之一。
因此，航空发动机性能测试与评估技术的研究也受到越来越多的关注。
本文将探讨航空发动机性能测试与评估技术的研究现状和未来发展趋势。
一、航空发动机性能测试的重要性航空发动机是整个飞机系统中最为重要的部件之一。
它是飞机的“心脏”，直接关系到飞机的安全性、经济效益和舒适性。
因此，对航空发动机的性能进行全面评估和测试，能够为飞机运行提供强有力的支持。
同时，航空发动机的性能测试也可以为研发更加高效、可靠的发动机提供有力的数据支持。
二、航空发动机性能测试的方法目前，航空发动机的性能测试方法主要包括以下几种：1.台架试验法：这种测试方法是将发动机装到地面试验架上，通过对其进行一系列的测试，来评估其性能。
这种测试方法比较直观、实用，被广泛应用于民用和军用发动机的测试。
2.飞行试验法：这种测试方法是将发动机装到实际的飞机上进行测试。
由于它能够直接模拟发动机在实际飞行中的工作状态，因此更加精确地评估发动机的性能。
但是由于飞行试验的条件比较苛刻，所以实施成本也比较高。
3.仿真试验法：这种测试方法是利用计算机模拟发动机在不同工作环境下的工作情况。
虽然它不能完全模拟出实际情况，但这种方法具有灵活性高、成本低的特点，被广泛应用于发动机的性能测试。
三、航空发动机性能评估的技术目前，航空发动机性能评估的技术主要包括以下几种：1.质量控制技术：它是航空发动机制造、组装质量控制的重要手段。
通过对发动机各部分的尺寸、重量、形状等参数进行精确测量和检测，来保证发动机的性能和质量。
2.故障分析技术：它是对发动机产生故障的原因进行分析的一种技术。
通过对发动机工作条件的监测和统计，可以快速、准确地确定故障产生的原因，采取科学有效的措施进行修复。
3.性能预测技术：它是通过对发动机进行各项实验和测试，得出其性能参数的变化趋势，进一步根据这些趋势进行预测和分析，从而提前实现对发动机性能的优化和改进。
航空发动机光学测试方法PPT文档37页
45、法律的制定是为了保证每一个人 自由发 挥自己 的才能 ，而不 是为了 束缚他 的才能 。—— 罗伯斯 庇尔
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
航空发动机光学试方法
41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊 44、人类受制于法律，法律受制于情 理。— —托·富 勒
发动机光学测试介绍-北京科领动力科技有限公司-201602
基于可视化的测试服务
喷雾测试对比 缸内喷雾、混合气形成过程解析 缸内缸内燃烧过程解析
基于可视化研究开发的专业培训
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容弹系统示意图
容弹系统示意图
容弹系统三维效果图
容弹系统三维效果图
容弹控制界面
容弹试验平台上的可测试的项目
宏观/微观 喷雾特性测试 （阴影法，纹影法，激光诱导荧光 LIF） 高压喷射下燃烧过程的高速摄影 燃料的碳烟生成特性
（激光诱导炽光 LII，双色法，消光法）
喷雾扩散火焰的火焰浮起长度
测试实例1：喷雾微观特性研究
使用PDPA可以获得喷雾场中指定位置在某一时间的粒径分布和速度矢量 测试不同的时间和位置即可获得所有喷雾/单束在时间和空间尺度上粒径分布与 变化情况
测试实例2： Y-Z截面油滴速度和直径随时间的变化
X Z Y
测试实例3： X-Y截面油滴速度和直径随时间的变化
发动机光学测试介绍
北京科领动力科技有限公司 2016年2月
高温高压定容燃烧弹 燃油喷雾PDPA测试平台
可视化光学发动机
高温高压定容燃烧弹
单孔喷油器容弹概况与主要参数
通过内部加热和封闭加压，可实现弹体内部压力在 较短时间内达到并维持在 6 MPa、温度达到 900 K， 用于模拟发动机压缩上止点附近的温度和压力，以 实现燃油喷雾燃烧。 容弹内腔的下半部分布置有电加热丝，由外置的工 控机控制，容弹内壁装有绝缘保温材料，可实现安 全和快速的内部加温。 顶部喷油器安装基座与顶盖采取模块化设计，以适 应不同的喷油器安装需要。 喷油器安装基座、光学窗口基座均内置循环水道并 外接冷却水循环系统。 弹体上预置多组接口，配合压力容器专用穿壁密封 紧固件，可用于通过相关的传感器线路、供电线路 和进排气气路。 弹体内部根据需要可分布若干热电偶，用于温度检 测和反馈控制。 弹体的加压由外部高压空气或高压氮气瓶供给，相 关气路装有电子或机械式的压力检测和保险装置。 工控机系统可采集容弹的温度压力数据。
航空发动机试验测试技术
航空发动机试验测试技术Credit is the best character, there is no one, so people should look at their character first.航空发动机试验测试技术航空发动机是当代最精密的机械产品之一;由于航空发动机涉及气动、热工、结构与强度、控制、测试、计算机、制造技术和材料等多种学科;一台发动机内有十几个部件和系统以及数以万计的零件;其应力、温度、转速、压力、振动、间隙等工作条件远比飞机其它分系统复杂和苛刻;而且对性能、重量、适用性、可靠性、耐久性和环境特性又有很高的要求;因此发动机的研制过程是一个设计、制造、试验、修改设计的多次迭代性过程..在有良好技术储备的基础上;研制一种新的发动机尚要做一万小时的整机试验和十万小时的部件及系统试验;需要庞大而精密的试验设备..试验测试技术是发展先进航空发动机的关键技术之一;试验测试结果既是验证和修改发动机设计的重要依据;也是评价发动机部件和整机性能的重要判定条件..因此“航空发动机是试出来的”已成为行业共识..从航空发动机各组成部分的试验来分类;可分为部件试验和全台发动机的整机试验;一般也将全台发动机的试验称为试车..部件试验主要有：进气道试验、压气机试验、平面叶栅试验、燃烧室试验、涡轮试验、加力燃烧室试验、尾喷管试验、附件试验以及零、组件的强度、振动试验等..整机试验有：整机地面试验、高空模拟试验、环境试验和飞行试验等..下面详细介绍几种试验..1进气道试验研究飞行器进气道性能的风洞试验..一般先进行小缩比尺寸模型的风洞试验;主要是验证和修改初步设计的进气道静特性..然后还需在较大的风洞上进行l／6或l／5的缩尺模型试验;以便验证进气道全部设计要求..进气道与发动机是共同工作的;在不同状态下都要求进气道与发动机的流量匹配和流场匹配;相容性要好..实现相容目前主要依靠进气道与发动机联合试验..2;压气机试验对压气机性能进行的试验..压气机性能试验主要是在不同的转速下;测取压气机特性参数空气流量、增压比、效率和喘振点等;以便验证设计、计算是否正确、合理;找出不足之处;便于修改、完善设计..压气机试验可分为：1压气机模型试验：用满足几何相似的缩小或放大的压气机模型件;在压气机试验台上按任务要求进行的试验..2全尺寸压气机试验：用全尺寸的压气机试验件在压气机试验台上测取压气机特性;确定稳定工作边界;研究流动损失及检查压气机调节系统可靠性等所进行的试验..3在发动机上进行的全尺寸压气机试验：在发动机上试验压气机;主要包括部件间的匹配和进行一些特种试验;如侧风试验、叶片应力测量试验和压气机防喘系统试验等..3;燃烧室试验在专门的燃烧室试验设备上;模拟发动机燃烧室的进口气流条件压力、温度、流量所进行的各种试验..主要试验内容有：燃烧效率、流体阻力、稳定工作范围、加速性、出口温度分布、火焰筒壁温与寿命、喷嘴积炭、排气污染、点火范围等..由于燃烧室中发生的物理化学过程十分复杂;目前还没有一套精确的设计计算方法..因此;燃烧室的研制和发展主要靠大量试验来完成..根据试验目的;在不同试验器上;采用不同的模拟准则;进行多次反复试验并进行修改调整;以满足设计要求;因此燃烧室试验对新机研制或改进改型是必不可少的关键性试验..按试验件形状可分为单管试验用于单管燃烧室、扇形试验用于联管燃烧室和环形燃烧室、环形试验用于环形燃烧室..另外;与燃烧室试验有关的试验还有：1冷吹风试验研究气流流经试验件时的气动特性和流动状态的试验..2水力模拟试验根据流体运动相似原理;以水流代替气流;研究试验件内部各种流动特性的试验..3燃油喷嘴试验这是鉴定喷嘴特性的试验..4燃气分析对燃烧室燃烧后的气体的化学成分进行定性、定量分析..5壁温试验模拟燃烧室的火焰筒壁面冷却结构;对不同试验状态下的壁面温度和换热情况进行测量和分析..6点火试验研究燃烧室点火和传焰性能的一种试验..4 涡轮试验几乎都采用全尺寸试验..涡轮试验一般不模拟涡轮进口压力、温度;试验时;涡轮进口的温度和压力较实际使用条件低的多..因而;通常都只能进行气动模拟试验;及进行涡轮气动性能的验证和试验研究..与涡轮试验有关的试验还有：高温涡轮试验、涡轮冷却效果试验..5 加力燃烧室试验研究加力燃烧室燃烧效率、流体损失、点火、稳定燃烧范围是否满足设计要求以及结构强度、操纵系统与调解器联合工作等性能的试验..按设备条件可分为全尺寸加力燃烧室地面试验;模拟高空试验台和飞行台的加力试验..全尺寸加力燃烧室地面试验一般选用成熟合适的发动机做主机;以改型或新设计的全尺寸的加力燃烧室做试验件;进行地面台架或模拟状态试验..目的是确定加力燃烧室的性能及结构强度;为整机试验创造条件;缩短整机研制周期;在性能调整试验基本合格后在与原型机联试..加力燃烧室高空性能如高空推力、耗油率、飞行包线内点火和稳定燃烧室的试验;应在高空模拟试车台和飞行台上进行..6 尾喷管的试验用全尺寸或缩尺模型尾喷管在试验设备上模拟各种工作状态;测取性能数据;考核是否达到设计要求的试验..按试验内容分为：1结构试验：主要考验机械构件、调节元件、操纵机构的工作可行性..除用部件模拟试验外;主要是在整机上对全尺寸尾喷管做地面、模拟高空试验及飞行试验..2性能试验：分内流试验和外流干扰试验..该实验可做缩尺模型和全尺寸部件模拟试验或整机试验..缩尺模型试验不能完全模拟真实流动和几何形状;只适于做方案对比和机理探讨..7 整机试验整机地面试验一般在专用的发动机地面试车台上进行;包括露天试车台和室内试车台两类..其中露天试车台又包括高架试车台和平面试车台..发动机地面室内试车台由试车间、操纵间、测力台架和试车台系统等组成..试车间包括进气系统、排气系统和固定发动机的台架..对于喷气发动机、涡轮风扇发动机;台架应包括测力系统；对于涡轮轴和涡轮螺旋桨发动机则应包括测扭测功系统..试车间内要求气流速度不大于10米／秒;以免影响推力的测量精度；进排气部分力求做到表面光滑;气流流过时流动损失尽量少..8 高空模拟试验高空模拟试验是指在地面试验设备上;模拟飞行状态飞行高度、飞行马赫数和飞行姿态攻角、侧滑角以及环境条件对航空发动机进行稳态和瞬态的性能试验..简而言之;就是在地面人工“制造”高空飞行条件;使安装在地面上的发动机如同工作在高空一样;从而验证和考核发动机的高空飞行特性..随着飞机飞行高度、速度的不断提高;发动机在整个飞行包线发动机正常工作的速度和高度界限范围内的进气温度、压力和空气流量等参数有很大变化..这些变化对发动机内部各部件的特性及其工作稳定性;对低温低压下的点火及燃烧;对发动机的推力、耗油率和自动调节均有重大影响..发动机在高空的性能与地面性能大不相同..影响发动机结构强度的最恶劣的气动、热力负荷点已不在地面静止状态条件下而是在中、低空告诉条件下;如中空的马赫数为1.2-1.5.在这种情况下;发展一台新的现代高性能航空发动机;除了要进行大量的零部件试验和地面台试验之外;还必须利用高空台进行整个飞行包线范围内各种模拟飞行状态下的部件和全台发动机试验..高空模拟试验台;就是地面上能够模拟发动机于空中飞行时的高度、速度条件的试车台;它是研制先进航空发动机必不可少的最有效的试验手段之一..高空模拟试验的优越性有：1可以模拟发动的全部飞行范围2可以模拟恶劣的环境条件3可以使发动机试验在更加安全的条件下进行：不用飞行员冒险试机;可以防止机毁人亡的悲剧..4可以提高试验水平：测量参数可以更好的控制5缩短发动机研制周期：两周的高空模拟试验相当于300次飞行试验;而高空模拟实验仅为飞行试验的1/30~1/69 环境试验环境试验的实质是指发动机适应各种自然环境能力的考核;按通用规范;环境试验所包含的项目可以分为三类：1考验外界环境对发动机工作可靠性的影响;包括：高低温起动与加速试验、环境结冰试验;腐蚀敏感性试验;吞鸟试验;外物损伤试验;吞冰试验;吾砂试验;吞大气中液态水试验等八项试验..2检查发动机对环境的污染是否超过允许值;包括噪声测量和排气污染..3是考核实战条件下的工作能力;包括吞如武器排烟和防核能力..在制订环境试验条件时要依据对自然环境的普查、事故累计分析、实战环境记载以及环境保护要求..未来发动机技术的发展要求发动机具有更高的涡轮进口温度、效率和可靠性;以及更低的排放和噪声;这些都对发动机试验测试技术提出了新的挑战..随着航空发动机研制水平的深入;需要开展的试验种类和数量越来越多；需要测量的参数类型越来越多;测量范围越来越宽;测量准确度要求越来越高..现有试验测试仪器的能力与不断增长的航空发动机试验测试需求之间的矛盾日益明显;国家应有计划地开展航空发动机研制部件和整机试验所需的测试仪器的研究与开发工作;包括特种测量仪器、传感器、测试系统等;以便及时满足航空发动机研制需要..另外;研究新的试验测试方法;提升试验测试技术同样重要..。
航空发动机叶片型面测量方法评述
光学投影测量法常用于定性观察放大后的实际叶 片与标准叶片之间的符合程度 , 检测效率较高 、操作
图 3 光学投影测量原理
简便 , 但对于定量测量 , 其检测效率非常低 。用该方 法测量时受客观因素影响较多 , 如测量结果受叶片表 面反射能力及叶片弦宽的影响等 。测量精度较低 , 适 合于叶片半成品的型面检测 。 114 电感测量法 [ 1, 3 ]
随着叶片制造技术的发展 , 对叶片型面检测精度 要求不断提高 , 出现了一种机械式叶片截面型线自动 绘图测量法 。
自动绘图测量仪的测量原理如图 2 所示 。该仪器 主要由用于安装被测叶片的转盘 、用于安装绘图纸的 转盘 、测轮 、绘图笔臂 、钢带 、步进电机和转盘组成 。 测量时 , 叶片接电源的地线 , 在步进电机的驱动下 , 测轮与叶片之间保持一相对固定的高压放电间隙 , 使 测轮对叶片作非接触扫描测量 。随着测轮对叶片的扫 描 , 笔臂终端的绘图笔即可在绘图纸上绘出叶片型线 的实际轮廓的放大图 。
图 1 标准样板法测量原理
标准样板法最早是用于叶片成品检测的方法 , 它 具有检测速度快 、操作简单 、便于现场使用等优点 , 在叶片加工过程中得到广泛使用 , 但它只能定性地检 测零件是否合格 , 测量精度低 ; 同时 , 一个样板只对
· 2 · 综 合 评 述
2009年第 29卷第 3期
应于某叶片相应截面的一条型线 , 因此标准样板数量 多 , 成本高 , 在对叶片检测要求越来越高的今天 , 其 仅适用于叶片的工序间型面检测 。 112 自动绘图测量法 [ 1 ]
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相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 原理
• 两束强单色激光：v1, v2 v1：固定频率；v2：可调谐，假设v1>v2 • 调谐v2使v1-v2=Δv Δv ：介质内某一拉曼散射的频移值 • Δv 与 v3 相互作用，产生相干信号光束 v4=v3±(v1-v2)=v3±Δv • 第四束波的空间方向 k4 =k3 ± ( k1 - k2 )
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 CARS测温——高温火焰(1730°C)
N2分子的Q支CARS光谱 (a)实验谱 (b)计算谱 注：因氮是供气燃烧的主要组分，且在燃烧过程中保持不变，故为理想的温度指 示器。
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 EKSPLA CARS光谱仪
除了CARS光谱仪外，不同CARS应用需要搭建不同的CARS 测试结构，因此此类产品大多属于定制。
j K j
2 j j
2 4 2 j j
j Kj
j
2 4 2 j j
Kj
2 4 0c 4 N j T
h s4 j
j
j T 为引起j阶跃迁能级间的相对布居差。 其中：N为待测组分的数密度；
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 参考文献
[1] 李麦亮. 激光光谱诊断技术及其在发动机燃烧研究中的应用[D]. 国防科学技术 大学, 2004. [2] 刘正帆. 基于光纤束的相干反斯托克斯拉曼散射显微内窥成像系统研究[D]. 北 京理工大学, 2015. [3] 赵阳. 飞秒CARS在分子超快动力学与气体燃烧测温中的应用研究[D]. 哈尔滨工 业大学, 2015. [4] /doi/10.1002/9783527628148.hoc028/pdf. [5] /sites//files/Al111.pdf. [6] /channel_1044.html. [7] Roy S, Gord J R, Patnaik A K. Recent advances in coherent anti-Stokes Raman scattering spectroscopy: Fundamental developments and applications in reacting flows[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2010, 36(2): 280-306. [8] Bohlin A, et al. Development of two-beam femtosecond/picosecond one-dimensional rotational coherent anti-Stokes Raman spectroscopy: Time-resolved probing of flame wall interactions[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2015, 35(3): 3723-3730. [9] Slipchenko M N, Cheng J X. Nonlinear Raman Spectroscopy: Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS)[M]. Encyclopedia of Biophysics. Springer Berlin Heidelberg, 2013: 1744-1750.
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 概述 • 自发拉曼散射光强很弱，测量不便。 • 实验研究发现，随着激光功率的提高，由强激光电场诱导的 二次以上的高阶极化现象越来越显著。 • 产生了一些新的拉曼散射现象：受激拉曼散射、受激拉曼增 益散射与逆拉曼散射、相干斯托克斯拉曼散射与反斯托克斯 拉曼散射、拉曼诱导克尔效应等。 • 这些新的拉曼散射共同特点是信号强度大，比自发拉曼散射 光强提高109量级。 • 用相干拉曼散射进行光谱测量，发现了一些用自发拉曼散射 无法发现的光谱信息。
温度与各频率处光强呈非线性关系，光强分布(线型)还与压力、 微分散射截面以及谱线加宽、激光线宽等多种因素相关，所 以CARS信号的分析处理将是一项艰巨工作。
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 实验装置原理图
1) Nd:YAG激光器发出的532nm激光在BS1上分为两束，反射光作为CARS 泵浦光，而透射光则作为染料激光的泵浦光源。
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 概述 • 1965年，Maker和Terhune首先发现相干反斯托克斯效应 (CARS)，使CARS技术应用于高分辨分子振动光谱和温度、 浓度测试的研究。 • 气相CARS研究的一个应用是对于燃烧体系中温度和浓度的 测量。
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 原理 • CARS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，并产生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。
航空发动机光学测量方法
激光多普勒(LDV)测速 相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 激光诱导荧光(LIF)测温 激光散斑测量应变
激光多普勒测速 激光多普勒测速原理：用一束单色激光照射到随流体一起运 动的微粒上，测出其散射光相对入射光的频率偏移，即多普 勒频移，进而确定流速。
静止光源S发出频率为f0的单色光，入射到与被测流体一起运 动(速度为 v p )的微粒P上，经过一次多普勒效应，微粒接收到 的光频为 f f 0 (1 v p e0 / c) 经过二次多普勒效应，探测器D处接收到的散射光频为 f D f0 (1 v p (es e0 ) / c)
ห้องสมุดไป่ตู้ 相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 原理
4 3 1 2 3
k4 k3 k1 k2
p p
Pump
a
CARS
s
Probe Stokes
1 3
a 21 2 1
频率为vp=v1的泵浦束和频率为vs=v2的探测束（即由泵浦束 频率与拉曼频移之差而成的斯托克斯束）借助几何匹配技 术被混频。激光通过三阶非线性极化率同介质相互作用产 生频率为va的振荡偏振，并发出CARS信号。
a 2 p s p
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 CARS相位匹配原理 • 气体：三束波按同一方向实现相位匹配作用 • 固/液体：两入射光成一定夹角入射时才可实现相位匹配
气体
固液
反斯托克斯拉曼光产生时的波矢匹配角
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 CARS信号强度与谱特征 假设气相介质的折射率为1，单色激光源、频率va的CARS信 号强度为 3 2
2) 经M1、M2反射的CARS泵浦光和染料激光在打有45度斜孔的环形反射 镜AM处会合，染料激光从中心斜孔穿过，而泵浦光则通过反射而成为一 个环形光束，染料激光位于环形光束的中心。
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 实验装置原理图
3) 通过AM调制后的两束激光，由透镜L1聚焦到测量点。在焦点附近两束 激光的重合区域即为CARS的测量区域。
振动频率范围0.3 Hz～100 kHz ±0.5 ppm Max: 4m/s
激光多普勒测速 参考文献
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激光多普勒测速 多普勒频移为
f f D f 0 1 v p (es e0 )
多普勒频移与粒子在 es e0 方向上的投影速度成正比。
常采用差频法测量多普勒频移，即将入射光与散射光混频， 两束光“混频”产生的拍频信号的频率就是多普勒频移。
参考光束型多普勒测速 检测散射光和入射光之间的频移
f D1 f D 2 2V cos sin 2 4 4 2V sin 2
激光多普勒测速 双散射光束型多普勒测速原理
采用Bragg Cell对光频进行调制
光电探测器接收到的信号为E所 示的调制信号，信号频率即为 多普勒频移，对应于粒子速度。
激光多普勒测速 商用产品技术参数
CARS光强及介质三阶非线性极化率表达式构成了CARS技术 的理论基础，给出了将CARS信号与基本物理量相联系的途径。
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 CARS信号强度与谱特征
• 待测的燃烧产物组分特征正是根据CARS谱的特征形状 （信号强度随频率的变化）和辐射强度来测量。 • 温度信息：三阶非线性极化率正比于CARS过程所涉及的 能级间粒子数密度差，而粒子数的布居与温度密切相关， 在热力学平衡状态下，服从玻尔兹曼分布，这是CARS测 温的基础。 • 浓度信息：基于CARS信号的强度。非共振CARS信号的作 用，组分浓度在一定范围内对光谱线型有明显影响。