雷射誘導螢光流動顯示測量是一種利用某些物質分子或原子在雷射的照射下能激發螢光的特性來顯示並測量流動特性的技術。它具有測定氣流的密度、溫度、速度、壓力和混合物的光分子數的能力。它是以分子或原子作示蹤粒子，該技術的關鍵是選擇合適的物質與特定波長的雷射光源相匹配，並產生足夠強度的螢光信號為探測器所接收。目前發現具有雷射螢光特性的分子或原子有氫氧根(OH )，碳氫根(HC )，二氧化氮，氧分子，氧原子(O)，丁二酮分子，碘分子，一氧化碳等。在液體中可摻人螢光染料(例如氯單明)用於液體中雷射螢光顯示。每種物質需不同波長的雷射器，例如碘分子與氫離子雷射器（波長514.5mm）匹配，氧分子或氧原子、CO、CH等與各種染料雷射器匹配，它們是以YAG雷射作泵的外雷射器，選用不同染料，產生不同波長的紫外雷射，例如丁二酮與氟化氨雷射器匹配（波長315mm）。
基本介紹
- 中文名：雷射誘導螢光流動顯示測量
- 外文名：Laser induced fluorescence flow measurement
- 技術特點：顯示並測量流動特性的技術
- 作用：測定氣流特性和混合物的光分子數
- 技術關鍵：選擇合適的物質與特定波長
- 較合適分子：碘分子
簡介,基本原理,速度測最基本原理,壓力場測量原理,實驗系統的構成,測速數據處理,
簡介
在風洞試驗中雷射測速儀解決了速度場的無接觸測量，但做繞流流場測量時耗時很多，限制了它在跨聲速風洞中的套用。粒子圖像測速技術雖能提供二維流場的測量，但主要適用於水洞或低速風洞。高速流動的二維流場測量是一個正在探索解決的難題。隨著現代雷射技術、低噪聲光電陣列探測器和圖像增強技術的發展，使近年來發展起來的雷射誘發螢光技術有可能較好地解決這一難題。
雷射誘導螢光技術是一種利用某些物質分子或原子在雷射的照射下能激發螢光的特性來顯示並測量流動特性的技術。它具有測定氣流的密度、溫度、速度、壓力和混合物的光分子數的能力。它是以分子或原子作示蹤粒子，該技術的關鍵是選擇合適的物質與特定波長的雷射光源相匹配，並產生足夠強度的螢光信號為探測器所接收。目前發現具有雷射螢光特性的分子或原子有氫氧根(OH )，碳氫根(HC )，二氧化氮，氧分子，氧原子(O)，丁二酮分子，碘分子，一氧化碳等。在液體中可摻人螢光染料(例如氯單明)用於液體中雷射螢光顯示。每種物質需不同波長的雷射器，例如碘分子與氫離子雷射器（波長514.5mm）匹配，氧分子或氧原子、CO、CH等與各種染料雷射器匹配，它們是以YAG雷射作泵的外雷射器，選用不同染料，產生不同波長的紫外雷射，例如丁二酮與氟化氨雷射器匹配（波長315mm）。
由於許多具有雷射螢光特性的物質是在高溫燃燒或化學反應過程中產生的，它們不適用於風洞流場的顯示與測量。目前在風洞中有較大發展潛力的是以碘分子為示蹤粒子的雷射螢光技術，它可以測定流場二維速度場及壓力場。
基本原理
速度測最基本原理
式中c為光速;
為雷射波長。依據碘分子吸收函式，若測出了無頻移雷射和都卜勒頻移雷射。兩狀態時螢光強度，可得到都卜勒頻移量△v，從而求得速度u或v因此可以說，碘分子吸收函式是雷射誘發螢光測速法中校準函式。通過對碘分子吸收函式測定表明，在某一頻率區間內它是準線性函式，如圖所示，可作線性函式處理，因而簡化了該技術的使用。由於吸收函式g與氣流中碘分壓、溫度等因素有關，它很難精確計算決定，通常在測速時實時測定校準函式。其方法是:雷射以頻率為參考頻率從某一方向照射流場，並測出該時螢光強度信號，隨後用聲光調製器或雷射器中頻率調諧器使照射雷射頻率有一標準偏移量，並從同一方向照射相同流場，依據兩次測量的螢光強度信號差以及頻移量△v，可獲得實時校準函式。
碘分子蒸氣不同頻率雷射激發特性
碘分子蒸氣不同頻率雷射激發特性壓力場測量原理
實驗表明，溫度變化範圍不太大時，溫度對碘分子雷射螢光信號影響較小。雨壓力對它有很大影響，當壓力低時，雷射誘發的螢光強，壓力高時螢光弱。換言之，壓力對碘分子吸收函式g有較大影響，由於該函式是近似線性的，因此壓力主要影響吸收函式斜率的大小，利用雷射螢光的這一特性可定量測量流場壓力。通常通過實驗先獲得不同壓力條件下雷射誘發螢光信號隨雷射頻率的變化曲線，並從中求得相應螢光亮度隨頻率變化的線性斜率。
實驗系統的構成
雷射誘導螢光測速系統的基本實驗裝置如圖，它由如下四個基本部分組成。
實驗裝置
實驗裝置第一部分是雷射照明光源系統。以碘分子為示蹤粒子的雷射螢光測速測壓技術選用可調諧單模氫離子雷射器，它的波長為514.5mm，為了提高測量精度，要求雷射器頻率穩定。另外，為了實時獲得碘分子校準函式斜率，雷射光源應產生一個頻率移動量。可用聲光調製器(利用聲波改變雷射頻率)或用雷射器中的干涉調諧器改變雷射光源頻率，獲取可標定的雷射源頻移量。聲光調製器的優點是頻率穩定，它的缺點是頻移量小，通常商用的聲光調製器的頻移量約為60~150MHz，它只能滿足低速度的測量要求。而干涉調諧器的優點是頻移量大，約為1000MHz，它可滿足高速測量需要，它的缺點是頻率穩定性較差。
雷射源通過光學組件形成片光源最終照射待測流場。對它的設計要求是片光源很薄且光強均勻性好。通常該光學組件是由一組球面透鏡與圓柱透鏡組成的圓筒形裝置，它使點雷射進行準直並形成片光，達到光強度均勻。通常片光厚度約為0.6~0.8mm，測量區域為矩形。
第二部分是形成雷射不同方向照射流場的分光系統。它是由稜鏡組成的雷射分光光學部件，它的作用是把發自雷射器的光源依次分成三束功率相等的雷射束，每束雷射與片光光學裝置相接形成互相獨立的三個片光源，並按一定角度從三個不同方向互相重疊照射同一流場區域。每束雷射用一個遮光器來選擇片光照射流場的次序。第四束雷射照射方向與三束雷射中任一束方向相同，但它的頻率需通過聲光調製器或雷射腔中調諧器偏移一標準值。
第三部分是由濾光片、聚光鏡、圖像增強器和光電陣列探測器以及相應的電子控制部分組成的螢光圖像接收系統，它接收片光源中流場螢光信號。螢光信號首先通過濾光片，隨後經過普通成像透鏡把流場螢光圖像成像於圖像增強器，通過它增強信號強度並轉至光電陣列探測器接收。當信號足夠強時也可把螢光圖像直接成像於光電陣列探測器。
第四部分是風洞_t碘分子引人裝置。實驗時要在氣流中引人碘蒸氣，通常將碘結晶體放置於常溫常壓容器中，為了防止碘氧化，通常用氮氣把碘蒸氣引人實驗裝置。
測速數據處理
雷射誘導螢光測量技術的數據處理實際上是對實時記錄圖像的處理，因此可套用常規的圖像處理方法和軟體對螢光圖像灰度信號進行一些預處理消除噪聲，使流動顯示圖像更清晰，或者按前述測速與測壓方法對圖像之間灰度信號進行必要的運算，求得速度場和壓力場。
為了提高測量精度，消除片光強度分布不均的背景光影響，實驗過程中需記錄三類圖像以便數據處理。
（1）實驗流動數據圖像四幅，即從三個不同方向照射流場，並且在某一方向改變雷射頻率一次。為了提高精度，每幅圖像取多次拍攝的平均值。
（2）三個方向多幅靜態碘蒸氣螢光圖像拍攝，並取平均值，以便修正雷射強度分布不均勻影響。拍攝時實驗區應保持實驗時壓力。
（3）三個方向多幅背景光圖像拍攝，並取平均值，以便修正背景光的影響。拍攝時實驗區充滿氮氣並保持實驗時的壓力。
從實驗流動數據圖像的平均值圖像中分別扣除(2)、(3)兩類圖像的數據，可得到流動螢光圖像，並套用圖像處理軟體再按前述速度與壓力測量方法進行運算，就可求得速度場與壓力場。
