內燃機燃燒的光學測試方法
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激光吸收光譜法是一種比較簡單而成熟的分析燃燒過程的方法，它有以下特點：
方法直接，所用試驗設備簡單；
測量所有結果是光程上的平均值，故空間分辨率比較低；
受激光光源不穩(wěn)定的影響，測量精度較低。
1.4 激光誘導熒光法(LIF)
激光誘導熒光法是一種高靈敏度的檢測濃度和溫度的方法。其原理是當激光波長調諧到分子的某兩個特定能級時，分子就發(fā)生共振并吸收光子能量而激發(fā)到高能態(tài)，在從高能態(tài)返回基態(tài)過程中，分子就會發(fā)出熒光；熒光用光電倍增管接收，其信號為：
Pf=hγ.(A 21/4π).Ωc.Vc.N2， ………………(3)
其中，hγ為熒光光子能量，A 21為熒光上能級自發(fā)輻射系數(shù)，Ωc、Vc分別為光學收集系統(tǒng)的立體角和有效的熒光體積，N2為熒光上能級粒子數(shù)。
在利用LIF方法作定量分析時，為了得到濃度的絕對值，必須對熒光信號進行校正，也就是考慮熒光體積Vc、熒光收集立體角Ωc、光學系統(tǒng)的熒光傳遞效率以及熒光的吸收、俘獲、極化和碰撞加寬因素對熒光信號的影響。并且，用LIF方法來研究內燃機這樣的高溫、高氣壓燃燒過程，還必須考慮熒光的淬滅效應。淬滅效應是指分子吸收了光子能量而躍遷到激發(fā)態(tài)時，能量不是以熒光而是通過碰撞弛豫到達其他能級。特別是在高溫高氣壓下，粒子濃度大，平均自由程短，這種效應更加明顯，嚴重時會收不到熒光光譜。
LIF方法最誘人的特點除了它的高靈敏度外，還有它可以用平面二維圖形顯示燃燒場的濃度分布，在一個激光脈沖內，就能得到一張二維的瞬態(tài)燃燒場分布圖，實現(xiàn)了實時處理。因此，LIF方法以及改進后的LIF法(PLIF法)成為近年來國際上廣泛采用的方法之一。
與其它光譜診斷技術相比，激光誘導熒光法有以下特點：
高靈敏度，因為熒光信號直接和被測分子的上、下能級聯(lián)系起來；
具有高的空間和時間分辨率；
采用OH的熒光作為LIF譜，可以減少紅外背景輻射和粒子散射，而且OH是許多化學反應的中間產物，對提高燃燒性能和降低污染物的研究都非常重要；
可以實現(xiàn)濃度場和溫度場的二維分布顯示。
1.5 喇曼散射光譜法
當光通過氣體分子時，部分光會被分子散射，并且發(fā)生頻移，其散射光強為
σI(γ0)/Ω是頻率為γ0的光的微分散射截面，δΩ、δS、η分別是光學系統(tǒng)收集立體角、由光學系統(tǒng)決定的散射強度和光學系統(tǒng)的傳輸系數(shù)，nI是分子下能級的粒子數(shù)。 喇曼頻移是由于分子振動能級不均勻以及與轉動能級間相互作用而造成的，所以每個振動能級的喇曼頻移都不相同；又由于各能級粒子數(shù)隨溫度而變化，喇曼信號也隨溫度而變化。通過對喇曼譜兩個強度峰值的測量比較，然后進行擬合，就可求得溫度。
喇曼光譜有以下特點：
喇曼信號僅是入射光強和粒子數(shù)的線性函數(shù)，所以試驗結果分析簡單，沒有必要考慮時間延遲效應、淬滅和碰撞等影響；
喇曼光譜可以用于實現(xiàn)二維燃燒場的顯示；
通常，碰撞截面只有10－29 cm2～10－31 cm2，比分子吸收截面少10個數(shù)量級，比Rayleigh散射少3個數(shù)量級，因此喇曼信號很弱(入射104個光子才產生1個喇曼光子)，對探測儀器的靈敏度提出了更高的要求，而且只能測量高濃度的粒子，也只能用于低噪聲環(huán)境，不能用于富氧燃燒，因為有強的噪聲輻射背景；
喇曼光譜測溫的精度一般為±100 K。
1.6 相干反斯托克斯光譜法(CARS)
相干反斯托克斯光譜法的原理為，當兩束頻率為ω1和ω2的高能激光束聚在一點入射到某一介質中時，如果ω3=2ω1－ω2正好是分子的某一共振譜線，且滿足非線性光學中的相位匹配條件，那么ω3頻率的光會極大地增強。用這一信號就可以對燃氣成分和濃度進行鑒別，這就是CARS法。一般ω1固定，ω2可通過調諧激光器改變頻率，所以ω3總可以與某一分子能級實現(xiàn)共振。另外，由于溫度對光譜的影響完全可以確定，因此通過光譜線型擬合分析就可以確定燃氣的溫度。CARS法是一種利用非線性光學的方法，它的特點是：
具有高的信號強度，能產生比喇曼信號大105倍～1010倍信號。同時，CARS法信號是一束頻率為ω3=2ω1－ω2的高于泵浦光頻率的相干光，所以信噪比高，而且不受燃油和火焰中各種成分的熒光影響，可用于富氧燃燒的研究；
和LIF法相比，CARS法不需要考慮淬滅和能量轉移等因素的影響，不需進行校正；
CARS法的空間分辨率比較低，在紊流火焰中，其空間分辨率只有2 mm～4 mm。CARS法不能用于二維燃燒場的顯示；
CARS法的非線性條件比較難以實現(xiàn)，故試驗裝置復雜。
綜上所述，雙色法、全息法、吸收光譜法、激光誘導熒光法(LIF)、喇曼散射光譜法和相干反斯托克斯光譜法(CARS)等方法各有特點，在實際應用中，必須根據(jù)實際情況，合理選擇。近年來，國外對激光誘導熒光法(LIF)的研究和運用格外活躍，這代表了一種發(fā)展趨勢，其主要原因在于激光誘導熒光法靈敏度極高，且可獲得高空間分辨率的二維圖像。因此，在未來內燃機缸內燃燒測試的方法中，激光誘導熒光法將占據(jù)重要的一席，有著廣闊的前途。同時，雙色法作為一種傳統(tǒng)的測高溫的方法，在迅速發(fā)展的新技術的帶動下，也勃發(fā)出新的生機。最新發(fā)展的光纖傳像技術和高速圖像采集及處理技術與雙色法相結合，使得人們可以簡便、迅速地獲得內燃機燃燒過程的二維溫度圖像［6］，克服了以往傳統(tǒng)的方法只能獲得空間少數(shù)點的溫度值，而不能獲得二維溫度分布的困難。因而，雙色法以其簡便易行和對燃燒室本身的影響極小等優(yōu)越性，也得到廣泛應用。
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