一种基于荧光寿命测量的喷雾液滴温度测量系统及其测量方法

1.本发明属于先进激光测量技术应用领域，具体涉及一种基于荧光寿命测量的喷雾液滴温度测量系统及其测量方法。


背景技术：

2.在工业喷雾领域，能量及质量的相互传递往往扮演着重要的作用。在内燃机中，喷雾热力学表征参数的测量对于研究潜在的减排和燃烧的整体优化很有意义。建立液滴加热、蒸发以及燃料-空气混合的模型需要通过实验获取液滴动力学及热力学信息，而温度的测量是特别需要表征的关键参数。在喷雾干燥领域，液滴表面的温度和浓度变化会直接影响化学反应和相变，如液滴内部的结晶和液滴形状和结构的改变。在湿式洗涤器中，液体喷雾用于捕获气相及微粒污染物。当细小的液滴在喷雾塔中雾化时，此时相对较大的比表面积提供了一个大的液气界面，从而最大限度地增加了液滴与污染物颗粒的撞击次数。而液滴的温度则直接或间接的影响着吸收效率，因为其中涉及到的化学动力学、平衡、吸收和扩散系数都具有热依赖性。在喷雾冷却领域特别是钢铁加工行业的喷雾冷却及先进的电子元件的热管理，液滴温度的准确测量直接影响着相关产业的生产效率及安全。综上，喷雾液滴温度的准确测量对于各类涉及喷雾的工业效率的提升及基础研究都具有实际的工程价值。
3.本发明关注于先进光学方法在液滴温度测量的应用，非侵入、非接触的光学测量手段可以适用于大多数复杂多变的实际环境。其中，绝大部分的测量方法是基于光与物质相互作用的现象，这些现象在一定程度上受到被测量介质的温度或化学成分的影响。这些技术有一个共同的特点，即它们都能提供间接测量。在液滴测温发展史中，光学测温的技术手段依据光学原理主要分为两大类，即基于光散射的测量手段、基于激光诱导荧光的测量技术以及包括热致色液晶、红外热成像、形态学相关共振在内的其他诊断方法。以上测温方法中，基于激光诱导荧光的强度测温方法在过去的一段时间内被认为是一种拥有较高温度敏感性的灵活喷雾液滴测温方法。然而，强度测量总是需要一个参考，这种参考必须在接近测量条件的实验条件下进行。任何干扰(光源强度、背景光、通过检测光学器件的光传输，或由于染料的光漂白和降解)都会导致一些误差，从而对温度的测量产生一些误差。
4.相对上述测量方法，本发明通过基于激光诱导荧光下的荧光寿命测量，获取含诸如kiton red 620、rhodamine 6g、rhodamine b等有机荧光染料液滴在飞秒或皮秒高频脉冲激光照射下的荧光寿命，建立起荧光寿命与温度的定量关系，从而获取液滴温度的直接测量值。值得说明的是，授权公告号为cn 106441628 a的中国发明专利公布了一种基于yag:dy荧光寿命测量的温度测量系统及其测量方法与应用，其具体应用在燃气温度的测量，其中荧光的激发过程和本发明涉及的激光诱导荧光存在本质差异。


技术实现要素：

5.针对工业喷雾雾滴温度的测量，本发明提出一种基于荧光寿命测量的喷雾液滴温
度测量系统及其测量方法，可有效克服在基于强度测量法下的光源强度、背景光、通过检测光学器件的光传输，或由于染料的光漂白和降解等的干扰，实现高效快速地喷雾滴液温度表征，预期温度测量误差可控制在1℃以内。
6.本发明可通过以下技术方案予以实现：
7.一种基于荧光寿命测量的喷雾液滴温度测量系统，包括基础光源设备、倍频设备、物镜、消色差双色镜、光纤、滤波片、光电倍增管、时间相关单光子计数及皮秒时间计时器，所述基础光源设备产生的激光经过所述倍频设备转换成适合用于待测溶液发生荧光的激发波长，再经所述物镜将激光聚焦于待测喷雾区域，通过所述消色差双色镜将激光诱导荧光信号进行收集，再经所述光纤将荧光导入所述光电倍增管内，通过所述滤波片实现荧光信号的最优收集，最后通过所述时间相关单光子计数及皮秒时间计时器，获取荧光信号衰减曲线，利用标定方法，建立起荧光寿命与温度间的定量关系式，最终通过标定关系式即可获取喷雾温度的直接测量值。
8.进一步地，所述基础光源设备为飞秒级钛蓝宝石激光器，皮秒染料激光器或同轴闪光灯，所述基础光源设备产生的激光波长范围应在200nm～1200nm，脉冲宽度不低于500ps。
9.进一步地，所述倍频设备含有二倍频晶体或三倍频晶体。
10.进一步地，所述物镜的焦距大于所处高度下的喷雾半径。
11.进一步地，所述消色差双色镜的焦距大于所处高度下的喷雾半径，且与激光平面成90
°
位置摆放。
12.进一步地，所述滤波片为带通滤波片，且其中央波长选取区间为450～650nm。
13.进一步地，所述光电倍增管的计时分辨率低于300ps，探测波长范围在200nm～1200nm。
14.进一步地，所述时间相关单光子计数及皮秒时间计时器最小时间分辨率低于100ps，使时间宽度低于100ns。
15.本发明还提出通过以上一种基于荧光寿命测量的喷雾液滴温度测量系统实现的测量方法，所述通过荧光信号衰减曲线获取喷雾温度的方法具体包括以下步骤：
16.(1)获取荧光强度衰减理论值应满足i(t)＝i0exp(-t/τ)，其中i0为初始强度；
17.(2)荧光寿命计算方法的基本原理符合：
[0018][0019]
即荧光寿命可以通过获取荧光信号衰减曲线的斜率值确定；
[0020]
(3)荧光信号衰减曲线通过光电倍增管和时间相关单光子计数及皮秒时间计时器将光子事件进行计数；
[0021]
(4)实验测量获取的荧光信号衰减曲线需进行拟合处理以获取斜率；
[0022]
(5)标定实验的具体步骤为：首先，通过恒温加热装置将含有kiton red 640、rhodamine 6g或rhodamine b特定浓度溶液加热至某一固定温度，对不同固定温度的染料溶液进行上述荧光寿命的获取，最终，建立荧光寿命与温度间的标定曲线，数据显示荧光寿命与温度呈强线性相关，便可拟合出喷雾测量的标定曲线。
[0023]
与现有其它雾滴测温技术相比，本发明具备以下优势：
[0024]
1)荧光寿命是一个固有的分子属性，不受激发源强度或荧光信号收集的影响。当在密集喷雾工况中，其测量方法更加稳健和可靠；
[0025]
2)时间相关单光子计数特别适合于进行温度测量，因为它是确定荧光寿命的最敏感方法，在所有测试喷雾的条件下，都可以达到非常高的信噪比，这为测量提供了准确性和稳健性，这可能是喷雾中其他温度测量技术所无法比拟的。在大多数情况下，绝对误差通常不超过
±
1℃，如果撇开影响校准的任何不确定因素，甚至降低到约
±
0.5℃。
附图说明
[0026]
图1为本发明温度测量系统结构示意图；
[0027]
图2为本发明荧光信号衰减曲线及其斜率获取方法示意图；
[0028]
图3为本发明温度-荧光寿命标定曲线。
[0029]
图中标记说明：1-基础光源设备；2-倍频设备；3-物镜；4-雾化喷头；5-消色差双色镜；6-光纤；7-滤波片；8-光电倍增管；9-时间相关单光子计数及皮秒时间计时器
具体实施方式
[0030]
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域的技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
[0031]
如图1所示，基于荧光寿命测量的喷雾液滴温度测量系统，该温度测量系统包括基础光源设备1、倍频设备2、物镜3、消色差双色镜5、光纤6、滤波片7、光电倍增管8、时间相关单光子计数及皮秒时间计时器9。基础光源设备1产生的激光经过倍频设备2转换成适合用于待测溶液发生荧光的激发波长，再经物镜3将激光聚焦于待测喷雾区域，通过消色差双色镜5将激光诱导荧光信号进行收集，再经光纤将荧光导入光电倍增管8内，通过滤波片7实现荧光信号的最优收集，最后通过时间相关单光子计数及皮秒时间计时器9，获取荧光信号衰减曲线，利用标定方法，建立起荧光寿命与温度间的定量关系式，最终通过标定关系式即可获取喷雾温度的直接测量值。
[0032]
其中，倍频设备2含有二倍频晶体或三倍频晶体；物镜3的焦距大于所处高度下的喷雾半径。
[0033]
其中，消色差双色镜5的焦距大于所处高度下的喷雾半径，且与激光平面成90
°
位置摆放。
[0034]
其中，滤波片7为带通滤波片，且其中央波长(cwl)选取区间应450～650nm。
[0035]
其中，光电倍增管8的计时分辨率低于300ps，探测波长范围在200nm～1200nm。
[0036]
其中，时间相关单光子计数及皮秒时间计时器9最小时间分辨率应低于100ps，死时间宽度应低于100ns。
[0037]
本发明通过荧光信号衰减曲线获取喷雾温度的方法具体包括以下步骤：
[0038]
(1)获取荧光强度衰减理论值应满足i(t)＝i0exp(-t/τ)，其中i0为初始强度；
[0039]
(2)荧光寿命计算方法的基本原理应符合：
[0040][0041]
即荧光寿命可以通过获取荧光衰减曲线的斜率值确定；
[0042]
(3)荧光衰减曲线可通过光电倍增管和时间相关单光子计数及皮秒时间计时器将光子事件进行计数；
[0043]
(4)实验测量获取的荧光衰减曲线需进行拟合处理以获取斜率；
[0044]
(5)标定实验的具体步骤为：首先，通过恒温加热装置将含有诸如kiton red 640、rhodamine 6g、rhodamine b等特定浓度溶液加热至某一固定温度，对不同固定温度的染料溶液进行上述荧光寿命的获取。最终，建立荧光寿命与温度间的标定曲线，数据显示荧光寿命与温度呈强线性相关，便可拟合出喷雾测量的标定曲线。
[0045]
具体实例描述如下：
[0046]
含染料的水溶液制备方法为(以kiton red 620为例)：与去离子水组成摩尔含量分别为10-4
mol/l、10-5
mol/l、10-6
mol/l的染料溶液，以上配比的染料溶液其沸点、蒸发速率等热物特性几乎与去离子无异。
[0047]
基础光源设备1产生重复率为80mhz、波长为980nm、脉冲宽度为140fs、能量为1w的飞秒激光束，经倍频设备2(二倍)转换为490nm的激光束。通过使用焦距f＝150mm的显微物镜3将光束聚焦于距离喷雾喷头4正下方10mm的完全雾化区域。此时，含有kiton red 620的染料水溶液雾滴受激发生荧光，通过消色差双色镜5将荧光信号进行收集，通过光纤6几乎无损地传递到光电倍增管8，在进入光电倍增管8前需经过滤波片7(cwl＝640nm)的初次滤波，使得温度敏感度强波段的荧光信号进行光电转换。最终，通过时间相关单光子计数及皮秒时间计时器9的高分辨收集实现时间分辨率为32ps的荧光强度衰减曲线的测量。其衰减曲线通过matlab数学工具进行拟合分析(如图2所示)，确定高度匹配的准确斜率，进而获取出如图3所示的温度-荧光寿命的标定曲线。
[0048]
参照温度-荧光寿命的标定曲线，即可通过获取荧光衰减曲线直接确定其液滴温度。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。