其他测试技术

1. 其他测试技术

2. 1 X射线光谱 2 3 4 目 录 高速摄影 其他测试技术 激波管测试 半导体激光吸收诊断技术

3. 1.1 什么是高速摄影？ 高速摄影，能把高速运动现象的发生、发展和运动规律等清晰地展现在人们的面前，是一种有效的记录方式和研究方法。高速摄影把动作放慢，可以显示肉眼看不见的瞬间动作。 高速摄影在信息论中的定义为：对于一个人眼无法跟随的高速流逝过程，高速摄影提供了一种耦合的时空信息系列，其中空间信息用图像来表达，时间信息用拍摄频率来表达。

4. 苹果被子弹击穿的瞬间 多彩的牛奶 现在所说的高速摄影起点就是数千分之一秒，在科技摄影领域，曝光时间在几亿分之一秒甚至几兆分之一秒的已不鲜见，已经诞生了每秒钟可连续拍摄6亿幅画面的高速摄影机。 炮弹飞出炮膛

5. 用条纹摄影术拍摄的电焊枪炽热的焊头加热了空气的景像用条纹摄影术拍摄的电焊枪炽热的焊头加热了空气的景像 用条纹摄影术拍摄的一些蜡烛的形象

6. 研究不同弹速的破坏效果，子弹速度越快，切割平面越平滑 子弹对不同材质物体的杀伤效果也能通过高速摄影研究出来

7. 1.2 高速摄影原理 空间分辨率 高速摄影系统总的信息量 ＝空间信息容量×时间信息容量 时间分辨率 时间分辨率是表征摄影机曝光时间快慢的指标，是指能够识别运动物体的最小时间间隔。时间分辨率越小，则可以拍摄像速越快的目标。时间分辨率有两种度量的方法，即画幅摄影和扫描摄影。 摄影频率 普通电影摄影机的摄影频率为24幅／s，高速摄影速度大于128幅／s 影像的空间分辨率也叫解像能力，是表征图像清晰程度的指标，即是分析图像细节的能力。空间分辨率一般指在摄影物镜的像平面上，能测得分辨率板的图像最小二黑线之间的距离d，它的倒数N定义为“空间分辨率” 。

8. 1.3 高速摄影机分类 能进行高速摄影的机器称为高速摄影机 • 光机式 胶片记录图像 按工作原理分为 • 光电子式高速摄影机 扫描（条纹）相机 高密度磁头与磁带 按工作结果分为 分幅相机 中低速相机 数字化图像 按拍摄速度分为 • 高速相机 超高速相机

9. 目前，基于CCD和CMOS的数字化高速视频录像系统的分辨率可达（1280×1280）像元，拍摄频率至少已达2000万幅／s。目前，基于CCD和CMOS的数字化高速视频录像系统的分辨率可达（1280×1280）像元，拍摄频率至少已达2000万幅／s。 美国VRI（Vision Research Inc.）公司所研发的Phantom高速摄影系统： V9.0 Series高速摄影机

10. 1.4 后期处理 高速图像信息处理 高速摄像获得序列目标运动图像后，除定性观测外，主要是通过对目标的二维图像进行测量，并进行相应的变换处理得到目标的一系列实际运动参数。 图像判读 判读，就是在序列图像中获取运动目标的一个或多个特征点相对于某一个非移动点在靶面上的相对位置，以及这些点位置与时间的对应关系，以便能通过对这些位置与时间数据的计算得到运动物体的运动参数。

11. 1 X射线光谱 2 3 4 目 录 高速摄影 其他测试技术 激波管测试 半导体激光吸收诊断技术

12. 2.1 什么是X射线光谱技术？ 利用原级X射线光子或其他微观粒子激发待测物质中的原子,使之产生荧光（次级X射线）而进行物质成分分析和化学态研究的方法。在成分分析方面,X射线荧光光谱分析法是现代常规分析中的一种重要方法。 X射线的发现和广泛应用 • 1901年 伦琴(英) 获诺贝尔物理奖 • 1914年 劳埃(德) 获诺贝尔物理奖 • 1915年 布拉格父子(英) 获诺贝尔物理奖 • 1936年 德拜(英/荷) 获诺贝尔化学奖 • 1962年 奥森等3人 获诺贝尔生物奖 • 1964年 霍奇金(英/埃) 获诺贝尔化学奖 • 1985年 豪普特曼等2人 获诺贝尔化学奖 • …………

13. 2.2X射线的本质 X射线： 高能量粒子轰击原 子所产生的电磁辐射。 辐射能由光子传输 路径由波动场引导 0.01-10nm之间

14. X射线与物质的相互作用 透射 吸收 吸收 比尔-朗伯定律 I = Ioe-l，l是物体厚度，为线性吸收系数，Z4n（指数n=2.5~3） 反射 X射线波长短，能量高，穿透能力强

15. 吸收的X射线与物质粒子作用的二种效应

16. X-射线荧光的产生 X-射线荧光的产生 高能X射线与原子碰撞 逐出内层电子 产生一个空穴 较外层电子跃入内层空穴 以辐射形式产生X射线荧光

17. X射线荧光发射 荧 光 X 射 线 X 射 线 荧 光 X 射 线 能 量 为 E=EK –EL 小 于 激 发 的 X 射 线 能 量

18. 2.3 X射线荧光光谱分析的基本原理 X射线荧光的能量或波长是特征性的，与元素有一一对应的关系。莫斯莱(H.G.Moseley) 发现，荧光X射线的波长λ与元素的原子序数Z有关，元素的荧光X射线的波长随元素的原子序数增加向短波方向移动。 λ=K(Z-s)-2 K和S是常数测出荧光X射线的波长,就可以知道元素的种类,这就是荧光X射线定性分析的基础。此外,荧光X射线的强度与相应元素的含量有一定的关系，据此，可以进行元素定量分析。 定量分析 相应元素的含量 荧光X射线的强度 测出荧光X射线的波长 元素的种类 定性分析

19. 2.4 X射线荧光光谱分析仪器 X射线荧光分析仪，主要由激发、色散（波长和能量色散）、探测、记录和测量以及数据处理等部分组成。 X射线荧光光谱仪，由X射线管发射出来的原级X射线经过滤光片投射到样品上,样品随即产生荧光X射线,并和原级X射线在样品上的散射线一起,通过光阑、吸收器(可对任何波长的X射线按整数比限制进入初级准直器的 X射线量）和初级准直器（索勒狭缝），然后以平行光束投射到分析晶体上。入射的荧光 X射线在分析晶体上按布喇格定律衍射，衍射线和晶体的散射线一起，通过次级准直器（索勒狭缝）进入探测器，在探测器中进行光电转换，所产生的电脉冲经过放大器和脉冲幅度分析器后，即可供测量和进行数据处理用。对于不同波长的标识X射线，通过测角器以1:2的速度转动分析晶体和探测器，即可在不同的布喇格角位置上测得不同波长的X射线而作元素的定性分析。

20. 2.5 X射线光谱分析应用 物质成分分析 ①定性和半定量分析具有谱线简单、不破坏样品、基体的吸收和增强效应 较易克服、操作简便、测定迅速等优点，较适合于作野外和现场分析,而且一般使用便携式X射线荧光分析仪，即可达到目的。 ② 定量分析可分为两类,即实验校正法（或称标准工作曲线法）和数学校正法。它们都是以分析元素的 X射线荧光（标识线）强度与含量具有一定的定量关系为基础的。可有效地计算和校正由于基体的吸收和增强效应对分析结果的影响。 X 射线荧光分析法可用于冶金、地质、化工、机械、石油、建材等工业部门，以及物理、化学、生物、环境科学、考古学等。还可用于测定涂层和金属薄膜的厚度和组成以及动态分析等。

21. 2.6 X射线光谱分析优缺点 1.与原级X射线发射光谱法相比,不存在连续X射线光谱，以散射线为主构成的本底强度小,谱峰与本底的对比度和分析灵敏度显著提高，操作简便，适合于多种类型的固态和液态物质的测定，并易于实现分析过程的自动化。 2.与原子发射光谱法相比,除氢元素外，特征（标识）X射线光谱基本上不受化学键的影响，定量分析中的基体吸收和增强效应较易校正或克服，谱线简单，互相干扰比较少，且易校正或排除。 3.对一些最轻元素（Z≤8）的测定还不完全成熟,只能是属于初期应用的阶段。常规分析中某些元素的测定灵敏度不如原子发射光谱法高（采用同步辐射和质子激发的 X射线荧光分析除外）。　　

22. 1 X射线光谱 2 3 4 目 录 高速摄影 其他测试技术 激波管测试 半导体激光吸收诊断技术

23. 什么是激波管？ 激波管是利用激波压缩实验气体，以模拟所需实验条件的装置。它通常是一根两端封闭的柱形长管,中间用薄膜隔开，分别填充上满足要求的高压驱动气体和低压被驱动气体。膜片破裂后，高压气体膨胀,产生快速运动的激波。

24. 3.1 激波管技术发展历程 • 19世纪末，法国科学家维埃耶为研究矿井中的爆炸，制成了第一根激波管，并成功开展实验。 • 1946年，美国的布里克尼在研究报告中首先使用“激波管”这个名称。 • 1950年以来，由于研究洲际导弹和核武器的需要，激波管得到了飞速的发展。 • 激波管的结构简单，使用方便且价格低廉，能提供宽广范围的实验参量，因此得到了广泛的应用。

25. 3.2 激波管技术的用途和主要特点 激波管的用途： 多用途设备，能很容易地在实验室内产生一个瞬时加温、加压和加速气流的物理环境，以满足各种科学实验的需要。 广泛应用于高超音速空气动力学、气体物理学、化学动力学和航空声学的研究中，还在气体激光、环境科学和能源科学的研究中发挥作用。

26. 激波管的优点 • 温升极其迅速： 激波突跃加热所需时间通常为毫秒或微秒量级，适合于研究快速化学反应。 • 温度很高：激波管内可使气体产生很高的温度。例如，激波后氩可加热至15000K，氮可达6000K。 • 加载的时间极短：一般在几百微秒至几毫秒，因此即使管内压力升高至几百兆帕，温度达到几千摄氏度也无需专门的冷却装置和大功率的能源。 • 温度可控制：在初始温度与最高温度之间可产生任意可选的温度。 • 加热均匀：可近似地产生一元激波。

27. 激波管的缺点 • 因加热时间太短，故不适合研究变化缓慢的过程； • 主要用来研究气体，因凝聚相物质热容量大，激波管内一般只能得到较小的温升； • 有时必须考虑附面层效应所造成的偏差，实验中激波速度等参数还需实际测量。 总之，激波管就像是一个温度很高又可控，但工作时间很短的反应炉，比较适于研究高温现象与快速反应。同时，正因激波加热迅速而持续时间较短，加上化学动力学应用中为让激波后的化学反应尽可能等温地进行，常采用大量氩气来稀释试验气体，因而试验物质少，要求测试系统的时间分辨率和灵敏度高。

28. 3.3 激波管内气体的理想流动过程 薄膜 低压被驱动端 高压驱动端 2 1 4 3 膨胀扇 接触面 正激波 激波引起质量迁移，致使被驱动端的压力随着温度一起升高，膨胀波降低了驱动端的压力和温度。 t t=t2 接触面 2 3 激波 膨胀波 1 4 膜破裂后激波管内的气体状态

29. 4 1 3.3 激波管内气体的理想流动过程 假设：气体是理想气体，比热恒定，流场是一维的，没有粘性和热传导，并且隔膜的破裂是完美的。 1 3 2 4 p p p4 p4 p1 p3 = p2 p1 x x T T T4 = T1 T4 T2 T1 T3 T4 = T1 x x 隔膜破裂之前激波管的情况 隔膜破裂后激波管的情况

30. us us=0 入射激波 入射激波 p2 T2 p1 T1 p2 T2 p1 T1 u2 u1=0 2 1=-us 静止坐标系 运动坐标系 3.3 激波管内气体的理想流动过程 ：随波运动坐标系（即激波固定）中气体的速度 u：在静止坐标系（即实验室固定）中气体的速度 u1：气体分子的速度 us：激波相对于激波管的速度 气体驱动激波管后的气体参数可由试验段初始压力、温度、混气成分以及激波速度通过迭代法求解。其基本假设是： 一元稳定流； 理想气体； 气体内部无导热； 等截面通道； 激波管为无摩擦的绝热系统。

31. 3.3 激波管内气体的理想流动过程 瑞利（Rayleigh）方程 雨果尼奥方程 1、2 完全或者理想的气体遵从的等式 无量纲化： 给定初始状态p1、T1与M后， 已知激波速度，便可迭代计算激波后状态

32. 3.3 激波管内气体的理想流动过程 给定初始状态p1、T1与M 令2=1+0.5，则 =((Z+1-2)2)/Z, T2= T1 计算M1和Z，对激波管取=1 计算出激波后气体的焓h2 任意假设一个温度T2，=T2/T1 计算雨果尼奥方程左右两边之差f(2) 计算出激波后气体的焓h2 解出 计算雨果尼奥方程左右两边之差f(1) 计算 否，计算，修正焓 是 计算结束，得到激波后状态

33. 1 5 3 2 3 2 4 6 p p p4 p6 p5 p3 = p2 p1 p3 = p2 x x T T T5 T4 T2 T1 T3 T2 T6 T3 T4 = T1 x x 3.4 激波管反射波波后气体参数 ur us=0 反射激波 反射激波 p2 T2 p5 T5 p2 T2 p5 T5 u2 u5=0 2r= u2+ur 5= ur 静止坐标系 运动坐标系 反射激波前后的参数图

34. 3.4 激波管反射波波后气体参数 令 连续方程： 得温度比： 动量方程： 能量方程： 反射激波后、前压力比 已知反射激波前（即入射波后）的气体参数，进行迭代求解即可得反射波后气体参数 =p2/p1 ：不随温度而变的比热容比

35. 3.5 激波管设计 • 根据一维非定常流动的基本理论，还可推导出高压段和低压端的初始压力之比与激波马赫数之间的关系： • 提高激波强度的方法: • (1)提高压比P4/P1，在激波强度不太强的情况下可取； • (2)尽量增大声速比a4/a1，由公式看可以采取下面方法： • 选用M4（驱动气体分子量）小，4大的气体作为驱动气体（如He、氢等）； • 提高T4；（常用方法） • 选用M1（被驱动段的分子量）大，1小的气体作为被驱动气体（如氩等）； • 降低T1。但不常用，通常作为常温。

36. 激波管 结构设计 长度和横截面的设计 材料附件与安装 3.5 激波管设计 激波管的结构设计 • 激波管材料：根据不同工作压力可选玻璃、黄铜或不锈钢； • 膜片材料：可选薄的金属膜、塑料膜或纸膜； • 连接和密封：各部分用法兰盘连接，用氟橡胶圈密封； • 其他：高低压连接处能够打开，高压管轴向可以移动； • 高压段要足够长：使得以声速传播的膨胀波从高压区封闭端反射后不会赶上接触面。 • 低压端要足够长：保证观测点的观测时间。 • 高低压段比例分配：对于常用的等截面管，高压段可取低压段的1/2或更小 • 形状：激波管的横截面可做成圆形或矩形，目前圆形居多； • 内径：一般介于几个到几十厘米之间。

37. 激波管的测试系统原理图

38. 在实际中由于摩擦和传热等损失，会造成较大的误差，由上文计算的速度值将不再适用。精确的速度值需通过实验手段获得。在实际中由于摩擦和传热等损失，会造成较大的误差，由上文计算的速度值将不再适用。精确的速度值需通过实验手段获得。 • 常用的方法有： • 速度传感器测量：根据前后传感器出现压力阶跃的时间差△t和距离差△S，计算激波速度； • 光学测量法测量：在相应部位开设窗口，利用高速纹影仪等设备测量激波速度。

39. 4 3a 3b 1 2 3 C S R R2 3 3b 3a 2 R1 4 1 3.6 激波管驱动技术 3a和3b之间存在定常流； 其他地方存在非定常流； 3区的气流可以是亚声速、声速和超声速。 • 变截面驱动 M3>1时，4区的气体通过非定常稀疏波R1加速到3a区，进而通过定常加速到3b区，使得M3b=1，此时流动出现“堵塞”。解决办法： （1）采用具有扩散段的喷管； （2）通过一束非定常稀疏波R2将 气流加速。

40. 隔膜Ⅰ P4，T4 隔膜Ⅱ P1，T1 激波管 储气罐 PR 压缩管 Pi 1 2 3 活塞 L X 激波 接触面 3.6 激波管驱动技术 • 燃烧驱动：利用可燃气体燃烧过程产生的热量加热驱动气体； • 以H2/O2混合物最好 • 自由活塞驱动：可获得较高激波马赫数（30—40），结构简单 • 直接加热驱动气体：电阻丝加热或放电电弧加热 • 多段驱动：多个驱动段

41. 3.7 激波管应用实例 • 研究点火性能 • 从化学动力学的角度正确解释燃烧过程，搞清反应机理，测量点火延迟时间，在不同温度和压力范围内用激波管研究简单烃类的点火性能 • 开展瞬态超音速和高超音速的测试实验 • 在高速气流产生装置中，激波管可方便快捷的产生高速气流以满足实验需求，但缺点是气流时间短暂，只有毫秒甚至微秒量级，不利于实验开展。

42. 3.7 激波管应用实例 美国空军AFIT 2-inch 激波管 仅仅依靠压力差刺破薄膜

43. 3.7 激波管应用实例 无膜激波管：利用一个特殊机构将高低压段分开，机构的快速开启产生激波。 电容高压放电破膜：利用高压电容（16µF），闸流管，爆炸丝和保护电阻（100Ω）形成放电回路，实现破膜（聚酯薄膜）。 双模驱动激波管：高低压段用双膜隔开，中间段初始压力为高低压段均值，此时中间段可以承受两倍于单膜的压差。当中间段被抽真空时其中一道膜破裂，另一道也随之破裂，形成激波。

44. 3.7 应用实例 也可采用磁力或者气动活塞刺破隔膜

45. 3.7 应用实例 中科大的电热破膜激波管及其测试系统

46. 1 X射线光谱 2 3 4 目 录 高速摄影 其他测试技术 激波管测试 半导体激光吸收诊断技术

47. 4.1 二极管激光红外吸收术（DLAS）简介 二极管激光器的内部结构，它最大方向的尺寸不超过1厘米

48. 4.2 可调半导体激光器的特点： • 强光源； • 分辨率高，处于千赫到兆赫范围； • 输出功率为μW到mW（连续） ； • 波长：从近红外直至45μm的中红外； • 灵敏度也比常规仪器高数十倍以上； • 价格低廉、坚固紧凑、体积微小、使用方便。

49. 探测各常见燃烧组分的二极管激光器的波长及探测精度探测各常见燃烧组分的二极管激光器的波长及探测精度

50. DLAS测量分析系统与现有测量仪器的特点比较