[发明专利]基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法，包括使用脉冲激光激发诱导光栅、使用连续激光作为探测光进而产生信号光、确定光栅间距、提取信号光振荡的频率值后计算得出温度值、对信号衰减曲线进行拟合得到时间常数和计算得出热扩散率。本发明还公开了一种基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的装置，包括激发光单元、探测光单元、信号接收单元。本发明提供的基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法及装置实现了对燃烧场以及气体环境中温度和热扩散率的高精度、瞬态测量，不仅克服了现有测温手段中存在的弊端，具有抗干扰能力强、复杂环境适应性强等特点，并且能够同步获得气体组分的热扩散率。

技术领域

本发明属于气体温度、热扩散率测量领域，具体涉及一种基于激光诱导光栅测量气体温度和热扩散率的方法及装置。

背景技术

在能源、环境、化工、冶炼、航空航天等行业中，气体温度和热扩散率的实时准确测量对生产工艺优化、节能减排和安全生产等具有重要的意义。传统的测温方法包括接触式和非接触式方法。

热电偶测温法是一种典型的接触式测量法，得到了广泛应用；然而，热电偶的布置干扰了被测环境的流场，在测量精度上表现也较差；同时在特种高温环境中，热电偶往往需要加装铠装外壳才能够使用；并且，一般的热电偶不具备高频瞬时响应性，无法应用于高速燃烧以及高频变化的温度场。

红外辐射测温是一种基于热辐射原理的非接触式方法；但被测表面的发射率、反射率以及环境温度都对测量结果有较大的影响，这些因素直接影响了它的准确性和适用性。

拉曼散射测温是一种非接触式光学测温法；一般而言，拉曼散射测温主要与分布式光纤系统结合，应用于大型区域的空间温度场进行检测。它的测温精度和瞬时响应性都有一定限度。相干反斯托克斯拉曼散射是一种基于非线性四波混频原理的非接触式方法，该方法通过拟合光谱线形得出温度值，其高温区测量表现差，高温区信号容易被干扰，信号强度低，波动较大，因此该方法在复杂燃烧场中的应用受到很大限制。

激光诱导荧光法是一种以荧光强度来反应温度的非接触式测量方法；该方法用特定组分的浓度来反应温度，例如燃烧过程中产生的OH基；因此这种方法需要精确的标定过程；并且，激光强度、染色剂的浓度、荧光的光谱特性都会对测量产生影响。该方法也仅适用于稳定燃烧场的温度测量，无法满足复杂燃烧场的诊断需要。双色平面激光诱导荧光是激光诱导荧光技术的扩展应用，很大程度上消除了激光强度、染色剂的浓度等因素对结果的影响，并能够适用于高频变化的温度场。但该技术的光学系统存在抗干扰能力差、其实验本体的可视化性能要求高等问题。

热扩散率与材料导热系数、比热容和密度三个物性参数相关，综合反应了一种材料的导热性能，是一个重要的热物理参数。对于一些混合气体燃料和材料而言，其导热性能变化较大，相对于单一组分来说更难以确定。

传统的热扩散率测量方法一般有热线法、闪光法、光热法。

热线法是一种比较传统的测量方法，是一种类热电偶应用原理的热扩散率测量方法。这种方法在测量过程中要求热线材料足够细，而太细的热线由于其传热量低，会使得测量结果不准确；同时，热线测量本身就是一种基于导热过程的方法，存在热线测量本身的误差和迟滞性。

激光闪光法、光热法是利用瞬时激光脉冲加热样品，结合外部温度探测器捕获温度信息，然后分析得到热扩散率。这种方法建立在一维非稳态导热理论基础上，该方法需要被测物体厚度足够薄，以满足一维非稳态导热理论假设。但实际导热问题中，其他维度上也存在一定量的热扩散，因此闪光法、光热法测量需要对漏热量进一步修正。同样，该方法也存在温度探测器本身的误差问题和迟滞性问题。

发明内容