一种高焓流场中原子浓度标定系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及流场测量标定技术领域，尤其涉及一种高焓流场中原子浓度标定系统及方法。标定系统提供了一个常温下的同种原子的标定源，通过使用同一脉冲激光分束后同时导入两个不同腔体内，不饱和激发分别位于两个腔体内的定标用原子和待标定原子产生荧光信号，能够保证激光属性相同，在光学系统参数相同的情况下，可以通过荧光信号强度、激光能量、原子浓度使待标定流场原子浓度与定标用原子浓度建立联系，实现对待标定原子浓度的标定。标定方法通过标定系统实现高焓流场中原子浓度的标定，采用化学滴定的方法获取定标用原子浓度，实现数据的可量化和溯源。据的可量化和溯源。据的可量化和溯源。

【技术实现步骤摘要】
一种高焓流场中原子浓度标定系统及方法


[0001]本专利技术涉及流场测量标定
，尤其涉及一种高焓流场中原子浓度标定系统及方法。

技术介绍

[0002]高焓风洞中所产生的流场为高焓化学非平衡流场，国内外利用高焓风洞进行应用于光谱分析、材料合成和改性、等离子体喷涂、有害化学物销毁、废物处理以及高超声速飞行器气动热和再入物理问题等方面的研究。该类流场中含有大量的氧氮原子，对于放置于该流场中的各类模型和材料会产生非常强烈的氧化和催化效应，会显著提高模型和材料在高温环境下的损坏效果，降低其安全性。
[0003]因此，需要对流场中氧氮原子浓度进行测量，了解其含量，以便发现其对材料影响的规律。目前，主要使用发射光谱法、吸收光谱法及基于双光子吸收激光诱导荧光(Two
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photon absorption laser
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induced fluorescence，简称TALIF)技术的荧光法进行原子浓度测量。采用发射光谱法及吸收光谱法进行测量时，获得的是沿采集路径上浓度的平均值，无法真正确定出具体某个空间位置上的浓度，其浓度是通过理论计算获得的。而采用基于双光子吸收激光诱导荧光技术的荧光法只能获得原子的相当浓度，若想比较准确的获得绝对浓度，则需要进行标定。

技术实现思路

[0004](一)要解决的技术问题
[0005]本专利技术的目的是提供一种基于双光子吸收激光诱导荧光技术的高焓流场中原子浓度标定系统及方法。
[0006](二)技术方案
[0007]为了实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种高焓流场中原子浓度标定系统，包括：
[0008]激光器，向分光镜发射激光；
[0009]分光镜，用于将照射在其上的激光分束并同时导入标定源腔体内和高焓流场腔体内，不饱和激发位于标定源腔体内的定标用原子产生第一荧光信号，不饱和激发位于高焓流场腔体内的待标定原子产生第二荧光信号；
[0010]第一荧光信号采集装置，用于采集第一荧光信号；
[0011]第二荧光信号采集装置，用于采集第二荧光信号；
[0012]其中，第一荧光信号采集装置和第二荧光信号采集装置的荧光信号收集探测的参数设置为一致；
[0013]微波放电装置，与标定源腔体的前端连通，用于将待离解的气体离解为定标用原子；
[0014]真空泵，与标定源腔体的后端连通；
[0015]滴定装置，与标定源腔体连通，用于向标定源腔体内滴定反应气体，并能够得到滴定反应气体的流量，滴定反应气体与定标用原子能够同比反应；以及
[0016]数采装置，采集激光器所发射激光的时序信号，以及接收第一荧光信号采集装置和第二荧光信号采集装置所采集的荧光信号。
[0017]可选地，第一荧光信号采集装置和第二荧光信号采集装置均为光电倍增管。
[0018]可选地，滴定装置包括质量流量计和滴定气体进入管，质量流量计与滴定气体进入管的一端连通，滴定气体进入管的另一端与标定源腔体连通。
[0019]第二方面，本专利技术还提供了一种高焓流场中原子浓度标定方法，使用第一方面中任一种高焓流场中原子浓度标定系统进行标定，包括以下步骤：
[0020]将第一荧光信号采集装置和第二荧光信号采集装置的荧光信号收集探测的参数设置为一致；
[0021]向微波放电装置中通入待离解的气体，并将待离解的气体离解为定标用原子，在真空泵的作用下，定标用原子进入标定源腔体内；
[0022]激光器发射激光，分光镜将接收的激光分束并同时导入标定源腔体内和高焓流场腔体内，不饱和激发位于标定源腔体内的定标用原子产生第一荧光信号，不饱和激发位于高焓流场腔体内的待标定原子产生第二荧光信号；通过第一荧光信号采集装置采集第一荧光信号，通过第二荧光信号采集装置采集第二荧光信号；
[0023]通过滴定装置向标定源腔体内滴定反应气体，反应气体能够与定标用原子之间同比反应，通过数采装置观察第一荧光信号采集装置采集的第一荧光信号，随着反应气体的增加，第一荧光信号逐渐减弱直至完全消失，记录在第一荧光信号消失时，滴定反应气体的流量，计算得到标定源腔体内定标用原子浓度；
[0024]在已知定标用原子浓度、导入标定源腔体内的激光能量、第一荧光信号的强度、导入高焓流场腔体内的激光能量和第二荧光信号的强度的情况下，根据关系式：得到以下关系：第一荧光信号的强度和导入标定源腔体内的激光能量的平方之比与第二荧光信号的强度和导入高焓流场腔体内的激光能量的平方之比的比值等于定标用原子浓度与待标定原子浓度的比值，标定得到待标定原子浓度；
[0025]其中，S为荧光信号的强度，E2为激光能量，n为原子浓度。
[0026]可选地，待标定原子为氧原子时，则向微波放电装置中通入的待离解的气体为氧气，通过滴定装置向标定源腔体内滴定反应气体为二氧化氮；
[0027]待标定原子为氮原子时，则向微波放电装置中通入的待离解的气体为氮气，通过滴定装置向标定源腔体内滴定反应气体为一氧化氮。
[0028](三)有益效果
[0029]本专利技术的上述技术方案具有如下优点：本专利技术提供的高焓流场中原子浓度标定系统，提供了一个常温下的同种原子的标定源，通过使用同一脉冲激光分束后同时导入两个不同腔体内，不饱和激发分别位于两个腔体内的定标用原子和待标定原子产生荧光信号，能够保证激光属性相同，在光学系统参数相同的情况下，可以通过荧光信号强度、激光能量、原子浓度使标定流场原子浓度与定标用原子的摩尔浓度建立联系，实现对待标定原子浓度的标定。
[0030]本专利技术提供的高焓流场中原子浓度标定方法，通过一个常温下的同种原子的标定源，通过使用同一脉冲激光分束后同时导入两个不同腔体内，不饱和激发分别位于两个腔体内的定标用原子和待标定原子产生荧光信号，能够保证激光属性相同，在光学系统参数相同的情况下，可以通过荧光信号强度、激光能量、原子浓度使标定流场原子浓度与定标用原子浓度建立联系，实现对待标定原子浓度的标定。采用化学滴定的方法获取定标用原子浓度，实现数据的可量化和溯源。
附图说明
[0031]本专利技术附图仅为说明目的提供，图中各部件的比例与数量不一定与实际产品一致。
[0032]图1是本专利技术实施例中高焓流场中原子浓度标定系统示意图；
[0033]图2是本专利技术实施例中标定源腔体及其周边部分部件示意图。
[0034]图中：1：第一荧光信号采集装置；2：第二荧光信号采集装置；3：高焓流场腔体；4：激光器；5：分光镜；6：标定源腔体；7：微波放电装置；8：真空泵；9：滴定装置；91：质量流量计；92：滴定气体进入管；10：数采装置。
具体实施方式
[0035]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高焓流场中原子浓度标定系统，其特征在于，包括：激光器，向分光镜发射激光；分光镜，用于将照射在其上的激光分束并同时导入标定源腔体内和高焓流场腔体内，不饱和激发位于所述标定源腔体内的定标用原子产生第一荧光信号，不饱和激发位于所述高焓流场腔体内的待标定原子产生第二荧光信号；第一荧光信号采集装置，用于采集所述第一荧光信号；第二荧光信号采集装置，用于采集所述第二荧光信号；所述第一荧光信号采集装置和所述第二荧光信号采集装置的荧光信号收集探测的参数设置为一致；微波放电装置，与所述标定源腔体的前端连通，用于将待离解的气体离解为所述定标用原子；真空泵，与所述标定源腔体的后端连通；滴定装置，与所述标定源腔体连通，用于向所述标定源腔体内滴定反应气体，并能够得到滴定反应气体的流量，所述滴定反应气体与所述定标用原子能够同比反应；以及数采装置，采集所述激光器所发射激光的时序信号，以及接收所述第一荧光信号采集装置和第二荧光信号采集装置所采集的荧光信号。2.根据权利要求1所述的高焓流场中原子浓度标定系统，其特征在于：所述第一荧光信号采集装置和所述第二荧光信号采集装置均为光电倍增管。3.根据权利要求1所述的高焓流场中原子浓度标定系统，其特征在于：所述滴定装置包括质量流量计和滴定气体进入管，所述质量流量计与所述滴定气体进入管的一端连通，所述滴定气体进入管的另一端与所述标定源腔体连通。4.一种高焓流场中原子浓度标定方法，其特征在于：使用如权利要求1
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3任一项所述的高焓流场中原子浓度标定系统进行标定，包括以下步骤：将所述第一荧光信号采集装置和所述第二荧光信号采集装置的荧光信号收集探测的参数设置为一致；向所述微波放电装置中通入待离解的气...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗杰，马昊军，王国林，肖学仁，刘丽萍，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：