1、第9章 建筑環(huán)境測(cè)量新技術(shù)與新設(shè)備1激光多普勒測(cè)速技術(shù) 粒子圖像速度場(chǎng)儀（PIV）測(cè)試技術(shù) 粒子動(dòng)態(tài)分析儀(PDA)簡(jiǎn)介 流動(dòng)顯示技術(shù)簡(jiǎn)介 紅外熱像儀測(cè)溫技術(shù)全息攝影術(shù)的基本原理脈沖中子活化技術(shù)PNA 建筑熱工溫度與熱流巡回檢測(cè)儀檢測(cè)技術(shù) 主要內(nèi)容29.1激光多普勒測(cè)速技術(shù) 激光技術(shù)是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來(lái)的一門新技術(shù)。1964年誕生了激光多普勒測(cè)速儀（Laster Doppler Velocimeter，簡(jiǎn)稱LDV）。50余年來(lái)，激光多普勒測(cè)速技術(shù)得到了迅速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、科研各領(lǐng)域，已成為一種很重要的測(cè)速手段。激光多普勒測(cè)速是一種非接觸測(cè)量技術(shù)，不干擾流場(chǎng)，具有一切非接觸測(cè)量所

2、具有的優(yōu)點(diǎn)。尤其是對(duì)小尺寸流道流量測(cè)量、困難環(huán)境條件下（如低溫、低速、高溫、高速等）的流速測(cè)量，更加顯示出它的重要價(jià)值。38.1激光多普勒測(cè)速技術(shù)LDV已經(jīng)應(yīng)用或正在應(yīng)用于某些流體力學(xué)的研究中，如火焰、燃燒混合物中流速的測(cè)量、旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的流速測(cè)量等。LDV還具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量精度高、僅對(duì)速度敏感而與流體種類及其它性質(zhì)（如溫度、壓力、密度、黏度等）無(wú)關(guān)等特點(diǎn) 。激光多普勒測(cè)速技術(shù)也有其局限性。它對(duì)流動(dòng)介質(zhì)有一定的光學(xué)要求，要求激光能照進(jìn)、穿透流體；信號(hào)質(zhì)量受散射離子影響,要求離子能完全跟隨流體介質(zhì)流動(dòng),這使得它的使用范圍受到一定限制。4一、激光多普勒測(cè)速基本原理 光學(xué)多普勒效應(yīng)：當(dāng)光源與接收器

3、之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，發(fā)射光波與接收光波之間會(huì)產(chǎn)生頻率偏移，其大小與光源和光接收器之間的相對(duì)速度有關(guān)。當(dāng)激光照射到跟隨流體一起運(yùn)動(dòng)的微粒上時(shí)，激光被運(yùn)動(dòng)著的微粒散射。散射光的頻率和入射光的頻率相比較，有正比于流體速度的頻率偏移。測(cè)量這個(gè)頻率偏移，就可以測(cè)得流體速度。 5激光多普勒測(cè)速技術(shù)依靠運(yùn)動(dòng)微粒散射光和入射光的頻移來(lái)獲得速度信息，因此，存在著靜止激光光源和運(yùn)動(dòng)離子的傳播關(guān)系。如果某一運(yùn)動(dòng)粒子P穿過(guò)一束入射激光，當(dāng)其速度垂直于光的傳播方向時(shí)，運(yùn)動(dòng)粒子所接受的激光頻率與入射激光本身的頻率相等。若速度在光的傳播方向的投影與光速同向時(shí)，粒子所接受的頻率就偏低，反之則偏高。根據(jù)相對(duì)論，運(yùn)動(dòng)微粒P接受的

4、光波頻率fp與光源頻率f0之間的關(guān)系為： 6入射光源頻率f0與微粒接受的光波頻率fp之差為對(duì)于一對(duì)交角為的相交激光，運(yùn)動(dòng)微粒對(duì)兩束光的接受頻率分別為f1 = fp -f ， f2 = fp -f 。微粒散射光中包含這兩種頻率，兩者之差所產(chǎn)生的多普勒頻移為： 激光多普勒測(cè)速原理式 7 激光多普勒測(cè)速的雙散射系統(tǒng) 8用散射光接收系統(tǒng)接收粒子的散射光，測(cè)出此頻移就可算出微粒的速度v。若粒子的速度等于流體的運(yùn)動(dòng)速度，則就是速度。根據(jù)激光多普勒測(cè)速原理式，垂直于光束夾角平分線方向的速度分量ux與多普勒頻移成正比；因?yàn)轭l率是沒(méi)有方向的量，如果ux大小相等，方向相反，則測(cè)得的多普勒頻移是相等的。僅根據(jù)頻移只

5、能求出速度分量數(shù)值的大小，而無(wú)法判別速度的方向，即用多普勒頻移測(cè)速存在一個(gè)方向模糊問(wèn)題。9要判別流速的方向，通常是在激光束的入射光學(xué)單元中加裝頻移裝置。即使入射到散射體的兩束光之間的一束光的頻率增加，這樣散射體中的干涉條紋就不再是靜止不動(dòng)的了，而是一組運(yùn)動(dòng)的條紋系統(tǒng)。常采用的頻移裝置是聲光器件（braggcell），它的頻移量一般在40MHz以上。在預(yù)置了固定的頻移量后，即使微粒速度為零，光檢測(cè)器仍有頻率為固定頻移量的交流信號(hào)輸出。當(dāng)微粒正向穿過(guò)測(cè)量體時(shí)，光檢測(cè)器輸出頻率低于固定頻移量；當(dāng)微粒反向穿過(guò)測(cè)量體時(shí)，光檢測(cè)器輸出頻率高于固定頻移量。適當(dāng)選擇固定頻移量，就不會(huì)有速度波形失真的問(wèn)題。10

6、二、激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)組成 激光光源 入射光系統(tǒng)接收光系統(tǒng) 信號(hào)處理器 激光多普勒測(cè)速儀典型光路 11 激光光源 根據(jù)多普勒效應(yīng)測(cè)速，要求入射光的波長(zhǎng)穩(wěn)定且已知。激光具有很好的單色性，波長(zhǎng)精確、穩(wěn)定；而且還具有很好的方向性，可以集中在很窄范圍內(nèi)向特定方向傳播，容易在微小的區(qū)域上聚焦而產(chǎn)生較強(qiáng)的光，便于檢測(cè)。因此，采用激光器作為光源是很理想的。激光器按發(fā)光方式可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器。激光多普勒測(cè)速儀常采用連續(xù)氣體激光器，如氮氖激光器和氬離子激光器。12激光光源 氮氖激光器發(fā)出的是紅光（=632.8nm），其發(fā)出的激光功率是幾毫瓦到幾十毫瓦；氬離子激光器發(fā)出的是混合光激光束

7、，使用時(shí)須分光，分光后能分別得到綠光（=514.5nm）、藍(lán)光（=488.0nm）和紫光（=476.5nm）三種光束。其發(fā)出的激光功率是瓦數(shù)量級(jí)。由微粒發(fā)出的散射光，其強(qiáng)度隨入射光波長(zhǎng)而增強(qiáng)。所以，使用波長(zhǎng)較短的激光器有利于得到較強(qiáng)的散射光，便于檢測(cè)。 13入射光系統(tǒng)入射光系統(tǒng)包括光束分離器和發(fā)射透鏡。雙光束系統(tǒng)要求把同一束激光按等強(qiáng)度分成兩束，這項(xiàng)工作由光束分離器來(lái)完成。為了進(jìn)行多維速度測(cè)量，要求光束分離器將激光束按一定要求分成多束相互平行的光束。發(fā)射透鏡將來(lái)自光束分離器的平行光通過(guò)聚焦透鏡會(huì)聚到測(cè)量點(diǎn)。在雙光束雙散射工作模式下，兩束光的相交區(qū)域近似一個(gè)橢球體，其體積決定了測(cè)速儀的靈敏度和空

8、間分辨率。 14接收光系統(tǒng) 接收光系統(tǒng)包括接收透鏡和光檢測(cè)器。接收透鏡的作用是收集流體中示蹤微粒通過(guò)測(cè)量體時(shí)發(fā)出的散射光，即由透鏡將收集的散射光會(huì)聚到光檢測(cè)器。光檢測(cè)器的作用是將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，即得到多普勒頻移的光電信號(hào)。光檢測(cè)器的種類很多，有光電倍增管、光電管和光電二極管等。由于光電倍增管在低功率光的照射下有較好的信噪比，所以，光電倍增管是激光測(cè)速儀中常用的光電檢測(cè)器。15信號(hào)處理器 信號(hào)處理器的作用是將接收來(lái)自光電接收器的電信號(hào),從中取出速度信息,把這些信息傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、處理和顯示。多普勒信號(hào)處理器應(yīng)根據(jù)所測(cè)流體或固體運(yùn)動(dòng)的不同而選擇不同的信號(hào)處理器。 16激光多普勒測(cè)

9、速儀典型光路 激光多普勒測(cè)速的布置有三種基本模式，即參考光模式、單光束雙散射模式和雙光束雙散射模式，三種基本光學(xué)模式可以用不同的光路結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。雙光束雙散射模式的光路系統(tǒng)如圖所示。由激光光源產(chǎn)生的激光束經(jīng)光束分離器和反射鏡分成兩束平行光，由聚焦透鏡聚集到測(cè)量點(diǎn)處，兩束激光都被運(yùn)動(dòng)微粒散射后由光電檢測(cè)器接收。為了增大光檢測(cè)器接收的微粒散射光強(qiáng)度，在光檢測(cè)器前設(shè)置大口徑接收透鏡聚焦散射光束。兩束散射光在光檢測(cè)器內(nèi)混頻，輸出頻率等于多普勒頻移的交流信號(hào)。17雙光束系統(tǒng)的特點(diǎn)，即多普勒頻移與接收方向無(wú)關(guān)。因此就有可能用透鏡在相當(dāng)大的立體角上收集光線，然后聚焦于光檢測(cè)器。而且，光檢測(cè)器的位置只要避開入射

10、光的直接照射可任意選擇。在散射粒子濃度較低的情況下，和其他系統(tǒng)相比它有較好的信噪比。此外，雙光束系統(tǒng)校準(zhǔn)較容易。在這三種基本光路系統(tǒng)中，雙光束法應(yīng)用得較多。三種光路系統(tǒng)，又都可分為前向散射方式和后向散射方式。入射光學(xué)系統(tǒng)和接收光學(xué)系統(tǒng)分別位于實(shí)驗(yàn)段的兩側(cè)，稱為前向散射方式；入射光學(xué)系統(tǒng)和接收光學(xué)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)段的同一側(cè)，稱為后向散射方式。目前常采用前向散射方式，因?yàn)樵谶@種方式下，粒子散射光強(qiáng)度大，信號(hào)的信噪比高。但在熱工設(shè)備的流場(chǎng)測(cè)量中，由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)架較大及在實(shí)驗(yàn)段開測(cè)量窗口困難等原因，只能采用后向散射方式。18三、激光多普勒測(cè)速的信號(hào)處理 1、激光多普勒信號(hào)特點(diǎn) 多普勒信號(hào)是一個(gè)不連續(xù)的信號(hào)。粒子

11、濃度越低，這種不連續(xù)性就越嚴(yán)重；粒子濃度越高，連續(xù)性則變好。但增大測(cè)量體體積或粒子濃度，往往會(huì)影響測(cè)量空間的分辨率或流動(dòng)特性。針對(duì)多普勒信號(hào)不連續(xù)的特點(diǎn)，應(yīng)選擇合適的粒子濃度，并在信號(hào)處理系統(tǒng)中采取適當(dāng)?shù)拇胧?，以消除信?hào)不連續(xù)的影響。 光檢測(cè)器接收的信號(hào)是測(cè)量體體積內(nèi)散射粒子的散射光束信號(hào)的總和。對(duì)定常流動(dòng)，由于各粒子流入測(cè)量體的時(shí)間不同，對(duì)應(yīng)的相位也不同，這相當(dāng)于在多普勒頻移中疊加了一項(xiàng)擾動(dòng)量。在非定常流動(dòng)中，測(cè)量體內(nèi)粒子的瞬時(shí)速度不同，從而會(huì)引起附加的相位起伏和頻移變化。因此當(dāng)測(cè)量體中的粒子多于一個(gè)時(shí)，其多普勒頻移是一個(gè)有限的帶寬，稱為頻率加寬。妥善處理頻率加寬是多普勒信號(hào)處理的重要內(nèi)容之

12、一。 19多普勒頻移的信噪比低。 多普勒信號(hào)弱，而整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)又不可避免地會(huì)帶入各種噪音，所以多普勒頻移的信噪比低。因此在多普勒信號(hào)處理中要充分考慮信噪比低這一特點(diǎn)。多普勒信號(hào)是一個(gè)調(diào)頻信號(hào)。 如果流場(chǎng)中某點(diǎn)存在一定強(qiáng)度的湍流度，則對(duì)應(yīng)的多普勒信號(hào)就是一個(gè)調(diào)頻信號(hào)。該多普勒調(diào)頻信號(hào)反映多普勒頻率和其對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)中的瞬時(shí)速度隨時(shí)間的變化。多普勒信號(hào)還是一個(gè)變幅信號(hào)。 粒子橫穿測(cè)量體時(shí)，由于測(cè)量體邊緣光弱，中心光強(qiáng)，所以粒子穿越邊緣時(shí)，散射光弱；粒子穿越中心時(shí)，散射光強(qiáng)。因此，多普勒信號(hào)是一個(gè)近似于高斯曲線規(guī)律變化的變幅信號(hào)。 202、激光多普勒的信號(hào)處理 目前，主要使用的信號(hào)處理儀器有三類：頻譜分

13、析儀、頻率記數(shù)器和頻率跟蹤器。 激光多普勒風(fēng)速儀的信號(hào)處理器，首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行高通和低通濾波，去除基底及一部分噪聲，然后剔除大粒子和小粒子的信號(hào)。大粒子的跟隨性太差不能反映流速，由于它的信號(hào)幅值特別高，所以可根據(jù)幅值鑒別加以剔除；小粒子要受布朗運(yùn)動(dòng)影響，也不能正確反映流體運(yùn)動(dòng)，由于小粒子的信號(hào)太弱，信噪比太低，被淹沒(méi)在噪聲中,可與噪聲一起剔除。21現(xiàn)在主要使用的、測(cè)量多普勒頻率的方法有兩種頻譜分析法通過(guò)對(duì)上述信號(hào)作頻譜分析，求其頻率。這種方法的基本原理是對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行傅立葉分析，該法的優(yōu)點(diǎn)是降低要求了數(shù)字采樣率，提高了儀器的分辨率。波群自相關(guān)分析法通過(guò)對(duì)上述信號(hào)作自相關(guān)計(jì)算，求其頻率?；驹硎?/p>

14、對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)分析。信號(hào)的檢測(cè)是建立在與信號(hào)振幅無(wú)關(guān)的信噪比(SNR值)基礎(chǔ)上。因此對(duì)信號(hào)的信噪比要求降低，并提高了數(shù)字化速率和實(shí)時(shí)性能。測(cè)速的結(jié)果建立在大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上。信號(hào)處理器以每秒幾十萬(wàn)個(gè)樣本的速率采集粒子信號(hào)。剔除不合格信號(hào)，保留合格的信號(hào)，將其頻率值進(jìn)行平均，求出對(duì)應(yīng)的平均流速。并計(jì)算測(cè)得值的偏差加以統(tǒng)計(jì)，以求得滿流度等各種湍流參數(shù)。 228.2 粒子圖像速度場(chǎng)儀（PIV）測(cè)試技術(shù) 粒子圖像速度場(chǎng)儀(Particle Image Velocimetry，縮寫為PIV)是近10余年發(fā)展起來(lái)的流場(chǎng)測(cè)速技術(shù)。它能夠測(cè)量定常、非定常、二維或三維速度場(chǎng)，并能夠把整個(gè)速度場(chǎng)上的速度矢

15、量描繪出來(lái)。PIV測(cè)試技術(shù)屬于高精度、非接觸、多點(diǎn)測(cè)速技術(shù)。對(duì)于已有的測(cè)速技術(shù)來(lái)說(shuō)，精度高的單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)(像LDV測(cè)試技術(shù))難以獲得流場(chǎng)的瞬態(tài)圖像，即使能獲得流動(dòng)瞬態(tài)圖像的流動(dòng)顯示(如染色液、煙氣或氫氣泡等)也很難獲得精確的定量結(jié)果。熱線技術(shù)是最早實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量技術(shù)的方法，但此方法干擾和破壞了流場(chǎng)，難以滿足瞬態(tài)流場(chǎng)測(cè)試的需要。PIV技術(shù)有其優(yōu)勢(shì)，它為定量瞬時(shí)測(cè)量全場(chǎng)流速提供了可能。隨著圖像技術(shù)、光學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，它是具有廣闊發(fā)展前途的一種新型測(cè)速技術(shù)。 23一、PIV測(cè)速的基本原理 一般而言,凡是在流體中投放粒子，并利用粒子的圖像來(lái)測(cè)量流體速度的這一類技術(shù)均稱為粒子圖像測(cè)速技術(shù)。從本質(zhì)

16、上看，PIV技術(shù)是從流場(chǎng)顯示技術(shù)發(fā)展而來(lái)的，是圖像測(cè)速技術(shù)中的一種。PIV測(cè)速的基本原理：通過(guò)粒子圖像技術(shù)測(cè)量?jī)蓚€(gè)激光脈沖時(shí)間間隔內(nèi)流體中粒子的位移。每次激光脈沖，片光源中產(chǎn)生的粒子圖像就會(huì)被攝像機(jī)拍攝到，通過(guò)激光雙脈沖就可以得到片光源中每個(gè)粒子的兩個(gè)圖像，然后測(cè)量該粒子的移動(dòng)距離及兩次脈沖間隔時(shí)間，該粒子的速度就可以計(jì)算出來(lái)。測(cè)量流場(chǎng)中許多點(diǎn)的粒子圖像位移，就可以產(chǎn)生流體速度矢量場(chǎng)。歸納起來(lái)，PIV測(cè)試技術(shù)可由三步完成： 雙曝光方法攝取流場(chǎng)的粒子圖像。 分析圖像并提取速度信息。 顯示速度矢量場(chǎng)。 24二、PIV測(cè)試系統(tǒng)PIV測(cè)試系統(tǒng)一般包括光路系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)、示蹤粒子添加系統(tǒng)、圖像采集系

17、統(tǒng)和圖像數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等幾部分，下圖是典型的PIV系統(tǒng)。圖中是用相干激光源來(lái)照明，使用光學(xué)元件把激光束轉(zhuǎn)變?yōu)槠?，并且脈動(dòng)地照亮流場(chǎng)。兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間是可變的，并且可根據(jù)被測(cè)速度來(lái)選擇。光學(xué)通路要求片光源和照相機(jī)之間互相垂直。25光路系統(tǒng)光路系統(tǒng)一般包括激光光源、光學(xué)鏡片、光臂等。PIV光路系統(tǒng)如下圖所示。 1雙Nd:YAG激光器 2反射鏡 3二色偏光分光鏡4球面鏡 5棱鏡 6柱面鏡 7攝像機(jī) 8片光源26PIV的光源系統(tǒng)采用激光作光源。激光光源可以提供短期持續(xù)脈沖，并發(fā)出已被準(zhǔn)直的高能光束。常用的激光器有紅寶石激光器和Nd :YAG（銥釹石榴石）激光器。由于紅寶石激光器不適于低速流動(dòng)測(cè)量，故

18、在建筑環(huán)境測(cè)量中通常使用Nd:YAG激光器。Nd:YAG激光器的激光波長(zhǎng)為532nm(綠色光)，脈沖寬度為15ns，每個(gè)脈沖能量為5OmJ到1000mJ。其脈沖能量很高，足以照亮空氣中的小微粒；脈沖寬度很短，足以固定超音速流體的運(yùn)動(dòng)，這些條件使Nd ：YAG激光器能夠很好地適應(yīng)PIV的應(yīng)用。Nd :YAG激光器能發(fā)射連續(xù)脈沖光，頻率為10Hz或50hz，一般在PIV系統(tǒng)中采用兩臺(tái)Nd:YAG激光器，并用外部同步儀來(lái)分別觸發(fā)激光器以產(chǎn)生脈沖，然后來(lái)自兩個(gè)激光器的光束被光學(xué)系統(tǒng)合并成一條光束。脈沖間隔可調(diào)整的范圍很大，從1s到0.1s，因而可實(shí)現(xiàn)從低速到高速流動(dòng)的測(cè)量。27片光由柱面鏡和球面鏡聯(lián)合

19、產(chǎn)生。流場(chǎng)的待測(cè)區(qū)域是由脈沖激光片光源照亮的。脈沖激光光束由激光器產(chǎn)生，而片光源是由片光源光學(xué)系統(tǒng)對(duì)該激光光束調(diào)整產(chǎn)生的。常用片光源光學(xué)系統(tǒng)由一個(gè)柱面透鏡和一個(gè)球面透鏡控制，所選擇的透鏡用來(lái)產(chǎn)生合適尺寸范圍的片光源。通常，平行激光光束是通過(guò)一個(gè)柱面透鏡在高度方向上分散光束，再用一個(gè)球面透鏡控制片光源的厚度。其厚度可為1mm至幾mm。攝像機(jī)常常被布置在片光源的光腰處，此光腰處即為球面透鏡的焦點(diǎn)，它在片光源最小厚度處。光腰處是攝像機(jī)的拍攝中心。28光臂是YAG激光光束傳輸系統(tǒng)，它能夠靈活地傳輸PIV測(cè)量所需的片光源,并使從激光到測(cè)量區(qū)域的光路完全封閉。這個(gè)光束傳輸臂由若干塊反射鏡、精密軸承、轉(zhuǎn)向接

20、及連接管組成。對(duì)PIV應(yīng)用來(lái)說(shuō)，片光源產(chǎn)生的透鏡裝在光束的出口處，以提供一定分散角的片光源，使片光源的高度和厚度能夠滿足要求。傳輸光臂使片光源很容易平滑地轉(zhuǎn)向，并且可以定位在以其光臂長(zhǎng)為半徑的球形區(qū)域的任何位置上。 29同步控制系統(tǒng)同步控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備是同步儀。而同步儀是PIV測(cè)速系統(tǒng)中的定時(shí)設(shè)備。PIV系統(tǒng)的所有組成部分是一起工作的，各組成部分工作開始時(shí)間、操作時(shí)間以及攝像機(jī)拍攝圖片順序都是由同步儀來(lái)控制的。具體來(lái)講，同步儀的作用為：控制圖像和脈沖的順序。為攝像機(jī)繪圖系統(tǒng)提供控制信號(hào)。設(shè)定脈沖間隔時(shí)間、幀數(shù)以及Nd ：YAG激光器的Q開關(guān)。為測(cè)量周期流動(dòng)或瞬時(shí)流動(dòng)附加外部觸發(fā)器。為粒子發(fā)生

21、器等設(shè)備提供外部觸發(fā)器。30示蹤粒子添加系統(tǒng)示蹤粒子的添加是粒子圖像測(cè)速的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了不干擾被測(cè)量流體的速度，常常使用光學(xué)技術(shù)。然而，空氣和水是透明流體，需要在其中添加示蹤粒子來(lái)反映流體的運(yùn)動(dòng)。這就要求粒子在流體中能跟隨流體流動(dòng)，粒子形狀應(yīng)為球體或接近球體。因此，示蹤粒子的選擇非常關(guān)鍵。在空氣流體中添加示蹤粒子，普遍采用直徑為13m的橄欖油滴或直徑為110m的煙霧。對(duì)于水流體，由于它流動(dòng)速度相對(duì)較慢，且水的密度又相對(duì)較大，所以應(yīng)選用大一些的粒子。在選擇示蹤粒子時(shí),粒子的折射率和介質(zhì)的折射率之比在散射光中是一個(gè)重要的參數(shù).光在水中的折射率是空氣的1.33倍,粒子在空氣中的散射光要比同樣的粒

22、子在水中的散射光強(qiáng),這樣在水中要使用較強(qiáng)的光源或較大的粒子.由于粒子在液體中流動(dòng)的脈動(dòng)頻率不高,采用較大的粒子不會(huì)造成較大的誤差;但空氣中則應(yīng)使用小粒子。 31圖像采集系統(tǒng)圖像采集系統(tǒng)是要完成粒子圖像的記錄。在PIV測(cè)試中，常用采樣數(shù)碼攝像機(jī)來(lái)進(jìn)行粒子圖像的記錄。攝像機(jī)的運(yùn)行模式有多種，其中異步雙曝光模式應(yīng)用較廣。PIVCAM10-30攝像機(jī)在異步重設(shè)兩幀互相關(guān)模式下，當(dāng)同步儀觸發(fā)時(shí)，攝像機(jī)俘獲兩個(gè)圖像。第一次曝光時(shí)間短，為255m。經(jīng)過(guò)恰當(dāng)?shù)某掷m(xù)時(shí)間發(fā)射Nd ：YAG激光并打開Q開關(guān)。第二次曝光持續(xù)32.4ms。第二次曝光時(shí)間必須足夠長(zhǎng)，以便攝像機(jī)將第二個(gè)圖像讀到記錄儀之前，可以傳導(dǎo)第一次曝

23、光給幀抓取器。這種模式能實(shí)現(xiàn)雙圖像跨幀技術(shù)，比外部觸發(fā)信號(hào)快300s，從而可以得到十分準(zhǔn)確的互相關(guān)處理圖像。32圖像數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)包括粒子圖像分析硬件和粒子圖像分析軟件。硬件是指PC機(jī)或計(jì)算機(jī)工作站、幀抓取器(連續(xù)圖像捕捉)、陳列處理器(提高計(jì)算機(jī)效率的數(shù)字加速板)等。軟件是指粒子圖像分析專用軟件，如Insight軟件。該軟件可以通過(guò)調(diào)節(jié)圖像強(qiáng)度和背景來(lái)改善圖像質(zhì)量，以及進(jìn)行數(shù)字圖像的后處理(包括核查數(shù)據(jù)、流動(dòng)特性的計(jì)算和顯示、對(duì)多個(gè)圖像中的矢量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、將獲取的速度矢量場(chǎng)繪成流場(chǎng)圖)等。 33三、粒子圖像處理PIV通過(guò)采集后得到的粒子圖像，常采用數(shù)字圖像處理技術(shù)。數(shù)據(jù)圖像法

24、包括傅立葉變換法.直接空間相關(guān)法.粒子像間距概率法等。其中,直接空間相關(guān)法目前應(yīng)用較多。粒子圖像處理過(guò)程大致為：選擇查問(wèn)域、判定粒子前后位置、確定粒子位移和方向、獲得粒子速度矢量、繪制矢量圖、所有小區(qū)域重復(fù)上述過(guò)程。用攝像機(jī)記錄的是整個(gè)待測(cè)區(qū)域的粒子圖像,因此,應(yīng)先用計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)將圖像分成許多很小的區(qū)域(稱為查問(wèn)域),選擇查問(wèn)域;然后,判定該查問(wèn)域中每個(gè)粒子的前后位置,就可確定粒子的位移和方向。在查問(wèn)域的圖像場(chǎng)中包含了大量的小粒子,在這樣的場(chǎng)中是很難依靠直接粒子跟蹤法去識(shí)別正確的粒子圖像,此時(shí)就要使用直接空間相關(guān)法(自相關(guān)或互相關(guān))統(tǒng)計(jì)技術(shù),對(duì)此查問(wèn)域的粒子數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均,得出該測(cè)

25、點(diǎn)的速度矢量.進(jìn)一步對(duì)所有小的查問(wèn)域進(jìn)行上述判定和統(tǒng)計(jì),從而得到整個(gè)速度場(chǎng)。348.3粒子動(dòng)態(tài)分析儀(PDA)簡(jiǎn)介 在對(duì)激光多普勒測(cè)速技術(shù)和顆粒散射測(cè)量技術(shù)進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，發(fā)展了一種三維粒子動(dòng)態(tài)分析技術(shù)。根據(jù)此種技術(shù)生產(chǎn)的三維粒子動(dòng)態(tài)分析儀(3-Dimensional Particle Dynamic Analyzer，簡(jiǎn)稱3D-PDA)，可以用來(lái)測(cè)量粒子的速度、直徑、濃度等，現(xiàn)已廣泛用于燃燒學(xué)、多相流動(dòng)、氣動(dòng)力學(xué)和傳熱傳質(zhì)學(xué)的研究中。 35三維粒子動(dòng)態(tài)分析儀(PDA)由傳輸和接收光系統(tǒng)、處理器和專用流動(dòng)分析軟件包組成。工作原理測(cè)量體形成于兩束激光相交處，并產(chǎn)生陰暗相間的干涉條紋。當(dāng)粒子

26、通過(guò)干涉條紋的光亮區(qū)域時(shí)，出現(xiàn)粒子的散射光。接收光系統(tǒng)聚焦散射光投向三個(gè)光檢測(cè)器。每個(gè)光檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為多普勒脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)與粒子速度成線性關(guān)系。處理器測(cè)量來(lái)自不同光檢測(cè)器的多普勒信號(hào)的相位，這樣可直接測(cè)量出粒子的粒徑。用專用的流動(dòng)分析軟件如BSA軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。36三維粒子動(dòng)態(tài)分析儀的測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)圖1.氬離子激光器；2.發(fā)射器；3.導(dǎo)軌；4.一維光纖分配盒；5.二維光纖分配盒；6.紫光濾光片及光電倍增管；7.藍(lán)光濾光片及光電倍增管；8.信號(hào)處理器；9.計(jì)算機(jī)；10.綠光濾光片及光電倍增管；11.光學(xué)接收系統(tǒng)；12.二維光纖探頭；13.一維光纖探頭；14.移動(dòng)支架；15.測(cè)試段 37

27、8.4流動(dòng)顯示技術(shù)簡(jiǎn)介 在建筑環(huán)境與設(shè)備工程測(cè)試技術(shù)中，常要涉及氣體流動(dòng)顯示問(wèn)題，比如空調(diào)房間的氣流流型的顯示、自然通風(fēng)系統(tǒng)中氣流流動(dòng)特性的顯示等。流動(dòng)顯示技術(shù)是在透明介質(zhì)(如空氣、水等)中，通過(guò)施加“染色劑”(煙、霧、液滴、氣泡、顏料等)使工作流體介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)具有可視性，或在物體的表面加上某種涂料以便顯示物體表面的某些流動(dòng)特征的一種可視化技術(shù)。 38通風(fēng)空調(diào)氣流中的流動(dòng)顯示技術(shù)通常用煙霧等示蹤粒子。木屑、煙草等發(fā)煙劑在爐內(nèi)燃燒后得到煙霧，或用煤油、石蠟油加熱蒸發(fā)得到白色煙霧，由導(dǎo)管將產(chǎn)生的煙霧注入送風(fēng)管道內(nèi)，隨送風(fēng)氣流一起經(jīng)送風(fēng)口送入空調(diào)房間，以顯示氣流流動(dòng)流型。煙草產(chǎn)生的煙粒直徑約為0.2m

28、,油滴的直徑約為1.0m。高純度的四氯化鈦和四氯化錫液體很容易蒸發(fā)，吸收空氣中的水蒸氣后成為白色的晶體，經(jīng)常用作發(fā)煙劑。氧化鎂粉、松香粉等也被用作示蹤粒子。39此外，還可用惰性氣體作示蹤劑，比如在空氣中加入少量氮?dú)?，利用它們密度和折射率不同，用光學(xué)方法檢測(cè)，以顯示氣流流動(dòng)特征。空調(diào)房間低速氣流的流動(dòng)顯示，可用煙絲法。在空調(diào)房間的測(cè)試段，以一定間隔布置一排或多排電阻絲，在電阻絲上涂刷煤油、石蠟油等液體，在電阻絲兩端加以電流脈沖，使液體蒸發(fā)或發(fā)煙，忽略電阻絲的加熱和冷卻過(guò)程，則電流脈沖給出通電時(shí)間，而電阻絲下游的煙帶寬度給出粒子隨氣流移動(dòng)的距離，因而得到房間測(cè)試段流場(chǎng)的速度分布。 40置換通風(fēng)房間

29、等的微風(fēng)速流場(chǎng)的流動(dòng)顯示及測(cè)量。此外，將肥皂液涂在電阻絲上，通以脈沖電流后產(chǎn)生一排排細(xì)小的肥皂泡，隨空氣流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)房間低速氣流流場(chǎng)的測(cè)量。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們不僅深化了煙流、油流、絲線等常用的顯示技術(shù)，擴(kuò)大了它們的應(yīng)用范圍，而且將電子、激光、超聲波、液晶、相變、光導(dǎo)和計(jì)算機(jī)圖像處理等先進(jìn)技術(shù)綜合地用于流動(dòng)顯示和觀測(cè)，形成了許多新的流動(dòng)顯示方法，比如折射率場(chǎng)的顯示方法：紋影法、陰影法、干涉法，粒子圖像顯示法(PIV法)等。 41目前流動(dòng)顯示和觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是：由單一顯示方法變成多種顯示方法相結(jié)合；從只能獲取局部、少量信息向獲得整體、大量信息發(fā)展；從定性顯示向定量顯示發(fā)展。近年來(lái)，

30、顯示技術(shù)從顯示平面流動(dòng)發(fā)展至顯示空間流動(dòng)，其中的真實(shí)流動(dòng)顯示是一個(gè)重要方向。由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)和計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，流動(dòng)顯示已經(jīng)從定性走向定量，從顯示定常流動(dòng)或非定常流動(dòng)的瞬間狀態(tài)到顯示虛擬流動(dòng)，形成了流體力學(xué)研究中一個(gè)非常活躍、發(fā)展極其迅速的領(lǐng)域.428.5紅外熱像儀測(cè)溫技術(shù) 任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)發(fā)射紅外線，且紅外線的輻射強(qiáng)度與物體絕對(duì)溫度的四次方成正比。紅外成像技術(shù)就是通過(guò)測(cè)試物體發(fā)射紅外線的輻射強(qiáng)度來(lái)測(cè)量溫度場(chǎng)的。紅外熱成像技術(shù)測(cè)溫方法為非接觸測(cè)量,不會(huì)影響被測(cè)目標(biāo)的溫度分布,對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)、高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、帶電目標(biāo)、高溫目標(biāo)及其他不可接觸目標(biāo)都可采用。不必像一般的熱電偶、熱電阻那樣要求與

31、被測(cè)目標(biāo)達(dá)到熱平衡。由于輻射傳播速度為光速，因此測(cè)溫的響應(yīng)快，速度僅取決于熱成像系統(tǒng)自身的響應(yīng)時(shí)間，有些探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間已達(dá)微秒或納秒級(jí)，測(cè)溫范圍從負(fù)幾十?dāng)z氏度到幾千攝氏度，靈敏度可達(dá)到0.01，空間分辨率高，非常適合溫度場(chǎng)的測(cè)量，廣泛用于測(cè)量固體表面溫度。43一、熱像儀的工作原理二、熱像儀的組成 三、使用效果的影響因素 44一、熱像儀的工作原理熱像儀是利用紅外掃描原理測(cè)量物體表面溫度分布的。它可以攝取來(lái)自被測(cè)物體各部分射向儀器的紅外輻射通量。利用紅外探測(cè)器，按順序直接測(cè)量物體各部分發(fā)射出的紅外輻射通量，綜合起來(lái)就得到物體發(fā)射紅外輻射通量的分布圖像，這種圖像稱為熱像圖。由于熱像圖本身包含了被測(cè)物

32、體的溫度信息，也有人稱之為溫度圖。 45掃描式熱像儀由光學(xué)會(huì)聚系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、探測(cè)器、視頻信號(hào)處理器、顯示器等幾個(gè)主要部分組成。目標(biāo)的輻射圖形經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚和濾光，聚焦在焦平面上。焦平面內(nèi)安置一個(gè)探測(cè)元件。在光學(xué)會(huì)聚系統(tǒng)與探測(cè)器之間有一套光學(xué)機(jī)械掃描裝置，它由兩個(gè)掃描反射鏡組成，一個(gè)用作垂直掃描，一個(gè)用作水平掃描。從目標(biāo)入射到探測(cè)器上的紅外輻射隨著掃描鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)而移動(dòng)，按次序掃過(guò)物空間的整個(gè)視場(chǎng)。在掃描過(guò)程中，入射紅外輻射使探測(cè)器產(chǎn)生響應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，探測(cè)器的響應(yīng)是電壓信號(hào)，它與紅外輻射的能量成正比，掃描過(guò)程使二維的物體輻射圖形轉(zhuǎn)換成一維的模擬電壓信號(hào)序列。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、處理后，由電視屏或監(jiān)測(cè)器

33、顯示紅外熱像圖，實(shí)現(xiàn)熱像顯示和溫度測(cè)量。 46二、熱像儀的組成 不同的熱像儀，其實(shí)施方法可以很不相同，最簡(jiǎn)單的熱像儀只沿一個(gè)坐標(biāo)軸方向掃描，另一維掃描由被測(cè)物體本身的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這類熱像儀只適用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)著或轉(zhuǎn)動(dòng)著的物體紅外輻射的分布。對(duì)一般物體，需要進(jìn)行兩維的掃描才能獲得被測(cè)物體的熱像圖。最近發(fā)展起來(lái)的熱像儀，功能更為全面，不僅可以攝取熱像圖，而且能夠進(jìn)行熱像的分析、記錄。可以滿足許多熱測(cè)量問(wèn)題的需要。47光機(jī)掃描紅外成像的系統(tǒng)是通過(guò)光機(jī)掃描使單元探測(cè)器依次掃過(guò)物體(對(duì)象)的各部分，形成物體的二維圖像。光機(jī)掃描成像的紅外探測(cè)器在某一瞬間只能看到目標(biāo)很小的一部分，這一部分通常稱為“瞬態(tài)視場(chǎng)”。

34、48光學(xué)系統(tǒng)能夠在垂直和水平兩個(gè)方向上轉(zhuǎn)動(dòng)。水平轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，瞬時(shí)視場(chǎng)在水平方向上橫掃過(guò)目標(biāo)區(qū)域的一條帶。光學(xué)系統(tǒng)垂直轉(zhuǎn)動(dòng)和水平轉(zhuǎn)動(dòng)相配合，在瞬時(shí)視場(chǎng)水平掃過(guò)一條帶后，與前一條帶相銜接，經(jīng)過(guò)多次水平掃描，完成整個(gè)視場(chǎng)掃描，機(jī)械運(yùn)動(dòng)又使其回到原來(lái)的位置，如果探測(cè)器的響應(yīng)足夠快，則它對(duì)任一瞬間視場(chǎng)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與接受到的入射紅外輻射強(qiáng)度成正比的輸出信號(hào)。在整個(gè)掃描過(guò)程中，探測(cè)器的輸出將是一個(gè)強(qiáng)弱隨時(shí)間變化，且與各瞬時(shí)視場(chǎng)發(fā)出的紅外輻射強(qiáng)度變化相應(yīng)的序列電壓信號(hào)。49光機(jī)掃描的方式有兩種：物掃描和像掃描。 物掃描的掃描機(jī)構(gòu)置于聚焦的光學(xué)系統(tǒng)之前，直接對(duì)來(lái)自物體的輻射進(jìn)行掃描。由于來(lái)自物體的輻射是平行光，所以

35、這種掃描方式又稱為平行光束掃描。物掃描有多種光路系統(tǒng)。像掃描機(jī)構(gòu)置于聚焦光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器之間，是對(duì)成像光束進(jìn)行掃描。由于這種掃描機(jī)構(gòu)是對(duì)匯聚光束進(jìn)行，所以又稱為匯聚光束掃描機(jī)構(gòu)。焦平面紅外熱像儀成像儀與光機(jī)掃描成像儀的主要區(qū)別在于用數(shù)組式凝視成像的焦平面代替了原有的光機(jī)掃描系統(tǒng)。50凝視成像的焦平面紅外熱像儀關(guān)鍵技術(shù)是探測(cè)器由單片集成電路組成，被測(cè)目標(biāo)的整個(gè)視野都聚焦在上面，使圖像更加清晰，同時(shí)具有自動(dòng)調(diào)焦圖像凍結(jié)、連續(xù)放大、具備點(diǎn)溫、線溫、等溫和語(yǔ)音注釋圖像等功能，儀器采用PC卡，存儲(chǔ)容量可高達(dá)500幅圖像。儀器小巧輕便、使用方便。在性能上大大優(yōu)于光機(jī)掃描式紅外熱像儀。 熱釋電紅外熱成像系統(tǒng)

36、也屬于非掃描型的熱成像系統(tǒng)，它采用熱釋電材料作靶面，制成熱釋電攝像管，直接利用電子束掃描和相應(yīng)的處理電路將被測(cè)物體的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。熱釋電紅外熱成像系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要制冷，光譜響應(yīng)范圍可以覆蓋整個(gè)紅外波段，故可測(cè)量常溫至3570的溫度范圍，其缺點(diǎn)是測(cè)溫誤差較大。51探測(cè)器是紅外熱成像系統(tǒng)的核心部分。物質(zhì)所發(fā)出的總輻射能量是由某一波長(zhǎng)范圍的單色輻射組成的。在室溫環(huán)境下，熱輻射的中心波長(zhǎng)為10m，分布范圍為5.523m，200左右時(shí)，中心波長(zhǎng)移至7m附近。理論上，只要物體溫度高于絕對(duì)零度，都可使探測(cè)器上產(chǎn)生信號(hào)。但實(shí)際上，由于材質(zhì)限制，探測(cè)器主要接收312m區(qū)間的紅外線，由于58

37、m是水的主要吸收波段，因此常采用35m或812m兩種波段作為分析光源。 52常見(jiàn)的紅外線熱像儀探測(cè)器種類有非室溫和室溫兩種。非室溫探測(cè)器包括35m波段的硅化鉑、汞鎘碲及812m波段的汞鎘碲及量子井紅外線光偵檢器等。非室溫探測(cè)器需在低溫下工作，才能避免電子常溫躍遷所造成的噪聲。為此需以致冷器降溫；同時(shí)，為避免探測(cè)器感應(yīng)熱輻射時(shí)因熱傳導(dǎo)造成熱損失，熱像儀探測(cè)器需置于真空容器內(nèi)(杜瓦瓶)，探測(cè)器、杜瓦瓶及致冷器所組成的感應(yīng)組件稱為熱像儀的引擎或光電模塊。室溫探測(cè)器主要感應(yīng)812m波段，以電阻式與壓電感應(yīng)式為主，探測(cè)器不需在低溫下操作，不需致冷器。53一般商用熱像儀最常用的探測(cè)器規(guī)格為320mm240

38、mm或256mm256mm，可用總像素超過(guò)70000以上。非室溫探測(cè)器的像素大小多為30m，室溫探測(cè)器一般以50m為主。室溫探測(cè)器的發(fā)展方向是在進(jìn)一步減小像素面積的同時(shí)保持可接受解析溫差。54三、使用效果的影響因素 被測(cè)物體發(fā)射率對(duì)測(cè)溫的影響背景對(duì)測(cè)溫的影響 大氣對(duì)測(cè)溫的影響 工作波長(zhǎng)的選擇55被測(cè)物體發(fā)射率對(duì)測(cè)溫的影響紅外熱像儀是通過(guò)測(cè)量在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)物體表面的輻射能量，再換算成溫度的。但是，物體表面的輻射能量不僅由表面溫度決定，還受表面發(fā)射率影響。為了解決被測(cè)物體發(fā)射率對(duì)測(cè)溫的影響，在紅外熱成像系統(tǒng)中都設(shè)置了發(fā)射率設(shè)定功能，只要事先知道被測(cè)物體的發(fā)射率，并在測(cè)溫系統(tǒng)中予以設(shè)定，便可得到正

39、確的溫度測(cè)量結(jié)果。因此，為獲得物體表面準(zhǔn)確的真實(shí)溫度，需要預(yù)先確定被測(cè)表面的發(fā)射率。 56背景對(duì)測(cè)溫的影響紅外熱成像儀的探測(cè)器不僅接受被測(cè)物體表面發(fā)射的輻射能，還可能接受周圍環(huán)境經(jīng)被測(cè)物體表面反射和透過(guò)被測(cè)物體的輻射能。后兩部分的輻射會(huì)直接影響到測(cè)溫的準(zhǔn)確度。因此，當(dāng)被測(cè)物體表面發(fā)射率低，背景溫度高，而被測(cè)溫度又和背景溫度相差不大時(shí)，就會(huì)引起很大的測(cè)溫誤差。為了消除背景溫度對(duì)測(cè)溫的影響，紅外熱成像儀通常系統(tǒng)采取兩種背景溫度補(bǔ)償方法：以背景溫度不變?yōu)榍疤?，只要知道背景溫度，?duì)背景溫度的變化取平均值，通過(guò)系統(tǒng)軟件的計(jì)算，即可得到正確的測(cè)量值。這種補(bǔ)償只適于背景溫度變化不大的情況。實(shí)時(shí)補(bǔ)償 當(dāng)背景溫

40、度隨時(shí)間變化很大、很快時(shí)，使用另外一個(gè)專門測(cè)量背景溫度的傳感器，再通過(guò)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。 57大氣對(duì)測(cè)溫的影響被測(cè)物體輻射的能量必須通過(guò)大氣才能到達(dá)紅外熱成像儀。由于大氣中某些成分對(duì)紅外輻射的吸收作用，會(huì)減弱由被測(cè)物體到探測(cè)器的紅外輻射，引起測(cè)溫誤差，大氣本身的發(fā)射率也將對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響。為此，除了充分利用“大氣窗口”以減少大氣對(duì)輻射能的吸收外，還應(yīng)根據(jù)輻射能在氣體中的衰減規(guī)律，在熱成像儀的計(jì)算軟件中對(duì)大氣的影響予以修正。58工作波長(zhǎng)的選擇選擇工作波長(zhǎng)的依據(jù)是：測(cè)量的溫度范圍被測(cè)物體的發(fā)射率大氣傳輸?shù)挠绊?。依?jù)測(cè)溫范圍選擇工作波長(zhǎng)時(shí)，高溫測(cè)量一般選用短波，低溫測(cè)量選擇長(zhǎng)波，中溫測(cè)量波長(zhǎng)選擇介于二

41、者之間。對(duì)于發(fā)射率既隨溫度變化又隨波長(zhǎng)變化的物體，其工作波段的選擇不能只依據(jù)溫度范圍，而主要依據(jù)發(fā)射率的波長(zhǎng)溫度的變化。為了減少輻射在大氣中的衰減，工作波段應(yīng)選擇大氣窗口，特別是對(duì)長(zhǎng)距離的測(cè)量，如從衛(wèi)星處探測(cè)地面輻射的遙感更是如此。對(duì)一些特殊場(chǎng)合，如測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)含有大量的水蒸氣，工作波段應(yīng)特別避開水蒸氣的幾個(gè)吸收波段。 598.6用全息干涉技術(shù)測(cè)量溫度場(chǎng)激光全息攝影是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種非接觸式測(cè)量技術(shù)，它是根據(jù)物理光學(xué)的原理，利用光波的干涉現(xiàn)象，在底片上同時(shí)記錄下被測(cè)物體反射光波或透過(guò)被測(cè)物體光波的振幅和位相，即把被測(cè)物體光波的全部信息都記錄下來(lái)。這個(gè)記錄的過(guò)程叫做拍攝全息圖像的過(guò)程。再經(jīng)顯影和

42、定影處理后成為可以保存的全息底片。然后根據(jù)光的衍射原理，用拍攝時(shí)的相干光去照射底片，就會(huì)再現(xiàn)出物體的空間立體圖像,這個(gè)過(guò)程叫做再現(xiàn)物像過(guò)程。因?yàn)槿z影提供的圖像，能夠顯示更多的信息和更大的景深，可以提供更大的視角和更大的觀察范圍，在熱工參數(shù)場(chǎng)（如流動(dòng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)等）的測(cè)量中有著重要應(yīng)用前景 60一、全息攝影術(shù)的基本原理 全息攝影包括兩步：記錄和再現(xiàn)。全息記錄過(guò)程是：把激光束分成兩束；一束激光直接投射在感光底片上，稱為參考光束；另一束激光投射在物體上，經(jīng)物體反射或者透射，就攜帶有物體的有關(guān)信息，稱為物光束。物光束經(jīng)過(guò)處理也投射在感光底片的同一區(qū)域上，在感光底片上，物光束與參考光束發(fā)生相干

43、疊加，形成干涉條紋，這就完成了一張全息圖。全息再現(xiàn)的方法是：用一束激光照射全息圖，這束激光的頻率和傳輸方向應(yīng)該與參考光束完全一樣，于是就可以再現(xiàn)物體的立體圖像。人從不同角度看，可看到物體不同的側(cè)面,就好像看到真實(shí)的物體一樣。6162如圖所示，激光光源1發(fā)出單色平行光，經(jīng)分光鏡2分成相等的兩束，其中一束經(jīng)反光鏡3、擴(kuò)束鏡4、準(zhǔn)直鏡5作為物光透過(guò)被測(cè)物體6而達(dá)全息底片7，另一束經(jīng)反射鏡8、擴(kuò)束鏡9、準(zhǔn)直鏡10作為參考光抵達(dá)全息底片7。兩束相干光在底片上產(chǎn)生干涉，形成干涉圖樣。于是記錄下了物光相對(duì)于參考光在底片處振幅和位相的變化。 全息照相過(guò)程的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下： 物光復(fù)振幅 參考光復(fù)振幅 63二、全

44、息干涉法測(cè)量介質(zhì)的溫度場(chǎng) 用激光全息干涉術(shù)測(cè)量流體的溫度，實(shí)際上是確定被測(cè)介質(zhì)的折射率場(chǎng)。因?yàn)樵谝欢▔毫ο拢瑴囟葓?chǎng)決定了流體介質(zhì)的密度場(chǎng)，而密度場(chǎng)又決定了折射率場(chǎng)。所以溫度和介質(zhì)的折射率有著確定的函數(shù)關(guān)系。如果測(cè)得氣體的折射率場(chǎng)，再給定一個(gè)參考狀態(tài)，就能比較方便地得知溫度場(chǎng)的分布。64二、全息干涉法測(cè)量介質(zhì)的溫度場(chǎng)用全息干涉法測(cè)量介質(zhì)的溫度場(chǎng)一般采用兩次曝光法。第一次曝光是在測(cè)量對(duì)象不被加熱條件下進(jìn)行的，底片上記錄無(wú)擾動(dòng)狀態(tài)下物光的振幅和位相。第二次曝光是在對(duì)原光路系統(tǒng)中被測(cè)對(duì)象加熱的條件下進(jìn)行的，底片上記錄有測(cè)試擾動(dòng)的物光振幅和位相。第二次曝光時(shí)因測(cè)量對(duì)象被加熱而改變了物光光路中介質(zhì)的密度，

45、引起物光光程和位相的變化，它和第一次曝光的物光產(chǎn)生干涉，因此底片上記錄了所測(cè)的干涉條紋。對(duì)干涉條紋進(jìn)行一系列數(shù)學(xué)計(jì)算，可求得其溫度場(chǎng)分布。若介質(zhì)為混合氣體（如燃燒產(chǎn)物），問(wèn)題就更復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)混合氣體的成分比求得混合氣體的折射率?？傉凵渎实淖兓嘶旌蠚怏w成分變化和溫度變化的兩重效果。658.7脈沖中子活化技術(shù)PNA 脈沖中子活化技術(shù)(pulsed neutron activation technique,PNA)是測(cè)量?jī)上嗔鞯囊环N新技術(shù)。以往討論的如靶式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、畢托管等測(cè)量方法，都對(duì)流動(dòng)狀況做了一些理想化的假設(shè)，也是導(dǎo)致它們測(cè)量誤差的主要原因。PNA技術(shù)利用示蹤測(cè)量原理，可不受流動(dòng)狀況的影響，其精度高于其他方法。 66示蹤測(cè)量原理如圖所示，在A點(diǎn)瞬時(shí)注入某種示蹤物，使其和流體一起流動(dòng)，當(dāng)示蹤物到達(dá)B 點(diǎn)時(shí)，由探測(cè)器檢測(cè)，于是可得到示蹤物在AB間的渡越時(shí)間，若AB間距離為Z0，則流體在AB間的平均速度 為提高測(cè)量精度，要求： 示蹤物注入時(shí)間應(yīng)盡量短，至少要比T小得多； 示蹤物應(yīng)盡可能均勻地分布在A處的整個(gè)截面上。 67PNA測(cè)量系統(tǒng) 68自然界許多元素，在中子照射下，都可被活化，生成各種放射性同位素。每種放射性同位素都具有特定的半衰期，并且這些