内燃机燃烧的光学测试方法

激光吸收光谱法是一种比较简单而成熟的分析燃烧过程的方法，它有以下特点：

方法直接，所用试验设备简单；
测量所有结果是光程上的平均值，故空间分辨率比较低；
受激光光源不稳定的影响，测量精度较低。

1.4　激光诱导荧光法(LIF)

激光诱导荧光法是一种高灵敏度的检测浓度和温度的方法。其原理是当激光波长调谐到分子的某两个特定能级时，分子就发生共振并吸收光子能量而激发到高能态，在从高能态返回基态过程中，分子就会发出荧光；荧光用光电倍增管接收，其信号为：

Pf=hγ.(A 21/4π).Ωc.Vc.N2，　………………(3)

其中，hγ为荧光光子能量，A 21为荧光上能级自发辐射系数，Ωc、Vc分别为光学收集系统的立体角和有效的荧光体积，N2为荧光上能级粒子数。

在利用LIF方法作定量分析时，为了得到浓度的绝对值，必须对荧光信号进行校正，也就是考虑荧光体积Vc、荧光收集立体角Ωc、光学系统的荧光传递效率以及荧光的吸收、俘获、极化和碰撞加宽因素对荧光信号的影响。并且，用LIF方法来研究内燃机这样的高温、高气压燃烧过程，还必须考虑荧光的淬灭效应。淬灭效应是指分子吸收了光子能量而跃迁到激发态时，能量不是以荧光而是通过碰撞弛豫到达其他能级。特别是在高温高气压下，粒子浓度大，平均自由程短，这种效应更加明显，严重时会收不到荧光光谱。

LIF方法最诱人的特点除了它的高灵敏度外，还有它可以用平面二维图形显示燃烧场的浓度分布，在一个激光脉冲内，就能得到一张二维的瞬态燃烧场分布图，实现了实时处理。因此，LIF方法以及改进后的LIF法(PLIF法)成为近年来国际上广泛采用的方法之一。

与其它光谱诊断技术相比，激光诱导荧光法有以下特点：

高灵敏度，因为荧光信号直接和被测分子的上、下能级联系起来；
具有高的空间和时间分辨率；
采用OH的荧光作为LIF谱，可以减少红外背景辐射和粒子散射，而且OH是许多化学反应的中间产物，对提高燃烧性能和降低污染物的研究都非常重要；
可以实现浓度场和温度场的二维分布显示。

1.5　喇曼散射光谱法

当光通过气体分子时，部分光会被分子散射，并且发生频移，其散射光强为

其中，I0为入射光强，σI(γ0)/Ω是频率为γ0的光的微分散射截面，δΩ、δS、η分别是光学系统收集立体角、由光学系统决定的散射强度和光学系统的传输系数，nI是分子下能级的粒子数。

喇曼频移是由于分子振动能级不均匀以及与转动能级间相互作用而造成的，所以每个振动能级的喇曼频移都不相同；又由于各能级粒子数随温度而变化，喇曼信号也随温度而变化。通过对喇曼谱两个强度峰值的测量比较，然后进行拟合，就可求得温度。

喇曼光谱有以下特点：

喇曼信号仅是入射光强和粒子数的线性函数，所以试验结果分析简单，没有必要考虑时间延迟效应、淬灭和碰撞等影响；
喇曼光谱可以用于实现二维燃烧场的显示；
通常，碰撞截面只有10－29 cm2～10－31 cm2，比分子吸收截面少10个数量级，比Rayleigh散射少3个数量级，因此喇曼信号很弱(入射104个光子才产生1个喇曼光子)，对探测仪器的灵敏度提出了更高的要求，而且只能测量高浓度的粒子，也只能用于低噪声环境，不能用于富氧燃烧，因为有强的噪声辐射背景；
喇曼光谱测温的精度一般为±100 K。

1.6　相干反斯托克斯光谱法(CARS)

相干反斯托克斯光谱法的原理为，当两束频率为ω1和ω2的高能激光束聚在一点入射到某一介质中时，如果ω3=2ω1－ω2正好是分子的某一共振谱线，且满足非线性光学中的相位匹配条件，那么ω3频率的光会极大地增强。用这一信号就可以对燃气成分和浓度进行鉴别，这就是CARS法。一般ω1固定，ω2可通过调谐激光器改变频率，所以ω3总可以与某一分子能级实现共振。另外，由于温度对光谱的影响完全可以确定，因此通过光谱线型拟合分析就可以确定燃气的温度。CARS法是一种利用非线性光学的方法，它的特点是：

具有高的信号强度，能产生比喇曼信号大105倍～1010倍信号。同时，CARS法信号是一束频率为ω3=2ω1－ω2的高于泵浦光频率的相干光，所以信噪比高，而且不受燃油和火焰中各种成分的荧光影响，可用于富氧燃烧的研究；

和LIF法相比，CARS法不需要考虑淬灭和能量转移等因素的影响，不需进行校正；

CARS法的空间分辨率比较低，在紊流火焰中，其空间分辨率只有2 mm～4 mm。CARS法不能用于二维燃烧场的显示；

CARS法的非线性条件比较难以实现，故试验装置复杂。

综上所述，双色法、全息法、吸收光谱法、激光诱导荧光法(LIF)、喇曼散射光谱法和相干反斯托克斯光谱法(CARS)等方法各有特点，在实际应用中，必须根据实际情况，合理选择。近年来，国外对激光诱导荧光法(LIF)的研究和运用格外活跃，这代表了一种发展趋势，其主要原因在于激光诱导荧光法灵敏度极高，且可获得高空间分辨率的二维图像。因此，在未来内燃机缸内燃烧测试的方法中，激光诱导荧光法将占据重要的一席，有着广阔的前途。同时，双色法作为一种传统的测高温的方法，在迅速发展的新技术的带动下，也勃发出新的生机。最新发展的光纤传像技术和高速图像采集及处理技术与双色法相结合，使得人们可以简便、迅速地获得内燃机燃烧过程的二维温度图像［6］，克服了以往传统的方法只能获得空间少数点的温度值，而不能获得二维温度分布的困难。因而，双色法以其简便易行和对燃烧室本身的影响极小等优越性，也得到广泛应用。