不同參數對激光誘導磷光測溫技術的影響

謝思瑜，李 鐵, 2，黃 帥，馬鵬飛，依 平, 2

(1.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 201100；2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 201100)

0 概述

獲取燃燒室壁面溫度是計算內燃機傳熱損失的必要條件。硬度塞法基于某些金屬材料的硬度在高溫下產生永久性變化的現象進行溫度測量，穩(wěn)定可靠，是內燃機中常見的壁溫測試方法，但其測量精度低，時間分辨率低，通常用于定性壁溫分布評估[1]。熱電偶法利用兩種導體或半導體組成回路中的熱電效應進行測溫，測溫范圍廣，準確度高[2]。薄膜熱電偶在壁面測溫中具有一定優(yōu)勢[3]，但熱電偶只能獲取單點溫度信息，安裝仍受燃燒室空間限制。光纖測溫利用光纖在紫外光照射下形成的Bragg光柵諧振波長隨溫度變化而移位的特性進行測溫，體積小，精度高，能多點測溫，但測溫系統(tǒng)復雜，測溫準確度受內燃機的機械振動影響大[4]。紅外熱像法利用由目標與環(huán)境之間溫度和發(fā)射率的差異產生的熱對比度，能夠獲得目標兩維紅外輻射分布，此方法用于非接觸式測溫時不會改變缸內結構和溫度場分布，但時間分辨率不高且無法應用于封閉空間[5]。激光誘導磷光(laser-induced phosphorescence, LIP)測溫技術屬于光學測試方法，利用磷光材料的溫敏特性獲取壁表面溫度分布，空間分辨率高且不破壞被測表面，具有測溫范圍廣、測溫響應快、精度高、受空間限制小等優(yōu)點[6]。

一些學者將磷光測溫技術應用于復雜流場如火焰附近表面溫度測試，如：文獻[7-8]中使用ZnO和BaMgAl10O17：Eu(BAM)等磷光粒子作為示蹤劑獲取湍流中的溫度、速度和組分信息。文獻[9]中將LIP技術應用于旋轉火焰穩(wěn)定器壁溫的測量上。文獻[10]中基于二維平面激光誘導磷光法，利用BAM和YAG：Dy測定了高溫湍流射流的溫度分布。諸多磷光材料對1 GPa以內的壓力變化不敏感[11]，因此可用于內燃機、燃氣輪機等燃燒器內部壁溫測量。文獻[12]中首次將LIP技術應用在大口徑二沖程柴油發(fā)動機上，測溫結果的標準偏差值為1 K～8 K。文獻[13]中用YAG：Dy測量了內燃機中燃燒氣體的二維溫度分布。文獻[14]中在直噴發(fā)動機運轉和點火條件下，利用Gd3Ga5O12：Cr對不同曲軸轉角下排氣門附件溫度進行測量，并測試了不同的黏合劑可靠性和強度。文獻[15]中建立了包含YSZ：Eu熒光測溫系統(tǒng)的傳感熱障涂層，但應用對象為燃氣輪機，其壁面溫度高于內燃機壁面，因此內燃機壁溫測試需要不同測溫范圍的材料。

磷光材料特性對測溫結果存在影響。文獻[16]中的研究表明Mg3F2GeO4：Mn衰減時間不隨環(huán)境氣體組分變化，而Y2O3：Eu衰減時間隨組分變化顯著。文獻[17]中從結晶度、光致發(fā)光光譜和衰減時間方面確定了La2O2：Ln(Ln=Eu, Tb)中稀土元素Ln的最佳濃度范圍。文獻[18]中研究發(fā)現Ca-α-SiAion：Eu2+磷光粒子尺寸為4 μm的時候，被激發(fā)磷光光強達最大值。文獻[19]中發(fā)現當涂層厚度超過20 μm時，磷光劑內部產生的溫度梯度對測溫結果影響大。

盡管前人對磷光劑特性展開了較多研究，但缺少了對激發(fā)能量、混合比、厚度等參數標定的公開發(fā)表文獻，或在內燃機中應用磷光測溫時未特別考慮涂層參數對測溫結果的影響，而實際上涂層參數對測溫準確性和精度有重要影響。基于此背景，本文中對這些影響參數進行深入的研究。

Mg3F2GeO4：Mn(MFG)磷光劑在350 ℃～750 ℃ 之間溫度敏感性高，通過建立磷光與溫度曲線可測量內燃機燃燒室壁面溫度。CMOS相機成像速度快，可用于高溫下磷光高速衰減過程成像，且能夠獲取被測物溫度二維分布信息。目前基于CMOS高速成像的MFG-LIP技術的基礎研究仍較少，需要進行更深入的探究。

本文中選用MFG磷光劑，建立基于CMOS高速成像的二維激光誘導磷光測溫系統(tǒng)，進行測溫標定試驗，研究激光能量、磷光劑混合比、磷光劑涂層厚度對磷光衰減時間的影響，為后續(xù)燃燒室壁溫分布測試研究提供基礎。

1 測試原理

磷光材料的磷光中心為以稀土元素為代表的活化原子。活化原子在激光照射下吸收光子，發(fā)生能級躍遷，達到激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的活化原子向外發(fā)射光子(發(fā)光)或聲子(散熱)后回到基態(tài)。根據活化原子被激發(fā)前所處能級的不同，將向外發(fā)出的光子分為磷光和熒光。磷光的衰減時間在0.1 μs～1 000.0 μs 范圍內，長于熒光衰減時間。在激光照射下，由磷光反映環(huán)境溫度的方法被稱為激光誘導磷光測溫法。磷光光譜強度和衰減時間兩種特性能夠反映溫度信息。

磷光光譜強度法通過測量磷光譜線強度，建立單條譜線或多條譜線間的強度比值與溫度的關系。磷光衰減時間法通過測量磷光衰減時間，建立衰減時間與溫度的關系。研究[20]表明磷光衰減時間法測溫準確性高于光譜強度法。本研究中采用磷光衰減時間反映溫度。磷光光強和衰減時間的關系為：

(1)

式中，I和I0分別為任意時刻t和初始時刻的光強；τ為衰減時間，表示光強從某值衰減到此值的1/e所需要的時間。衰減時間是溫度T的函數，建立衰減時間τ和溫度T之間的關系進行溫度測試。

2 試驗系統(tǒng)與方法

2.1 試驗裝置

試驗設置如圖1所示。試驗中采用了預先設計的具有指定厚度凹槽的金屬板，在凹槽內刷涂黏合劑和磷光劑混合物，在混合物固化后對涂層表面進行打磨，樣品涂層厚度偏差均在±4 μm以內。在正面涂有磷光劑的金屬板背后安裝K型熱電偶以記錄實際溫度。加熱裝置為管式高溫爐，升溫范圍為 200 ℃～580 ℃，測試間隔為50 ℃，金屬板放于高溫爐中心。只有當激發(fā)光波長和具有高躍遷概率的激發(fā)態(tài)能級重疊時，激光才能被磷光材料吸收，從而獲得高磷光信號電平[21]。圖2為室溫下MFG的吸收光譜[22]，其最大的吸收峰在285 nm，因此355 nm或266 nm波長光均可有效激發(fā)MFG磷光。本試驗中采用Nd：YAG激光器(Quantel Q-Smart)第三倍頻355 nm波長光作為激發(fā)光源，該激發(fā)光波長與被激發(fā)磷光波長無重疊。采用 CMOS高速相機(Phantom V2012)拍攝磷光，拍攝速度為20萬幀/s，曝光時間為1 μs。相機前放置458 nm高通濾片濾除散射的激發(fā)光和其他雜散噪聲信號。

圖1 試驗裝置圖

圖2 室溫下MFG的吸收光譜

設置了5組磷光劑，具體配置見表1。其中1號、2號、3號涂層厚度相同，僅MFG和黏合劑的混合比不同；1號、4號、5號混合比相同，涂層厚度不同。

表1 試驗用磷光劑參數

2.2 MFG磷光光譜

圖3為常溫(25 ℃)常壓下，ICCD相機測得的MFG被激發(fā)后1 μs～3 000 μs內的磷光光譜。MFG磷光在610 nm～690 nm波段范圍內存在659 nm、650 nm、632 nm和641 nm這4個峰值。隨著時間的增加，譜線強度顯著減弱，磷光衰減時間可反映環(huán)境溫度。常溫下磷光衰減時間超過3 000 μs。升溫過程中，高溫爐每秒溫度升高約0.12 ℃，可認為拍攝時環(huán)境溫度一定。

圖3 25 ℃下不同衰減時間的MFG光譜

2.3 CMOS高速成像

圖4為350 ℃下，1號MFG被激發(fā)5 μs、500 μs、1 000 μs、2 000 μs、3 000 μs和4 000 μs后的照片。隨著時間發(fā)展，磷光強度減弱。由于過飽和圖像信息無法用于衡量磷光強度，因此排除圖4中 5 μs、500 μs所示過飽和磷光照片。20萬幀/s的拍攝速度能夠有效記錄一次被激發(fā)MFG磷光光強變化過程；1 μs的曝光時間能夠有效減少磷光衰減前期獲取的過曝張數，保證衰減后期照片有足夠的光強信息。每個工況下用于擬合的有效圖像數量有所不同：550 ℃下70 μm厚度MFG有效圖像數量最少，為42張；550 ℃下3 800 μm厚度MFG有效圖像數量最多，為1 310張。

圖4 350 ℃下1號MFG被激發(fā)后5 μs～4 000 μs的圖像

研究中采用二維測試，通過空間上的平均進行統(tǒng)計，對每種工況進行單次試驗。將照片中128×64個像素點減去背景噪聲后，對光強歸一化，并按照公式(1)進行擬合，獲得每個像素點的磷光衰減時間。所有像素點衰減時間平均值為整個涂層區(qū)域的衰減時間。

2.4 數據處理方法與總體誤差分析

2.4.1 數據處理方法

兩點計算或多點擬合方法都能由磷光照片獲取磷光衰減時間。

兩點計算即選取某一溫度下2張MFG未飽和照片，將照片中的灰度平均值I1、I2和拍攝時間t1、t2代入公式(2)，得到衰減時間τ。選取兩點的時間間隔過大或過小都會導致結果與實際偏差大。

(2)

多點擬合即選取某一溫度下多張MFG未飽和照片，對照片中的光強和拍攝時間擬合從而確定公式(1)中I0和τ。圖5為450 ℃下，用多點擬合方法得到的1號MFG相對磷光強度隨時間的變化。從圖5中可以看出，在磷光衰減后期試驗數據點與擬合曲線重合性略弱，考慮到這些數據點信噪比較低，實際擬合過程中可去除這些數據點。

圖5 450 ℃下1號MFG相對磷光強度隨時間的變化

針對450 ℃下1號MFG，由兩種處理方法得到的衰減時間如圖6所示。去除低信噪比數據對多點擬合結果影響很小，而兩點計算得到的衰減時間低于多點擬合結果。造成兩種方法差異的原因為公式(1)右端可能存在常數項，在兩點計算方法中未加以考慮，而多點擬合中考慮了常數項。本文中采用多點擬合方法展開研究。

圖6 不同處理方法下的MFG磷光衰減時間

2.4.2 總體誤差分析

測量誤差可以分為兩部分：系統(tǒng)誤差和隨機誤差[23]。在LIP測試中，誤差的可能來源見表2。在未被校正的誤差中，激光能量波動屬于隨機誤差，磷光材料涂層混合比準確性、涂層厚度均勻性屬于系統(tǒng)誤差，在下文中將分別進行討論。

表2 LIP測試中的誤差分類、來源及校正方法

3 結果與討論

3.1 激光能量對磷光劑衰減時間的影響

在11.0 mJ、2.0 mJ、0.7 mJ和0.3 mJ激光能量下MFG相對磷光強度隨時間變化如圖7所示。200 ℃ 下，11.0 mJ激發(fā)出的相對磷光強度最強，2.0 mJ 次之，0.3 mJ和0.7 mJ強度較弱。500 ℃下，11.0 mJ和2.0 mJ激發(fā)出磷光強度值和變化趨勢接近，0.7 mJ和0.3 mJ激光磷光強度相近。

圖7 1號MFG在200 ℃和500 ℃下被不同能量的激光激發(fā)后相對磷光強度隨時間的變化

圖8為200 ℃～500 ℃下，1號MFG磷光光強和0.3 mJ、0.7 mJ、2.0 mJ、4.0 mJ、7.0 mJ、9.0 mJ和11.0 mJ激光能量的關系。在200 ℃～500 ℃溫度下，0.3 mJ和0.7 mJ能量下激發(fā)出的磷光強度存在波動；當激光能量達到2.0 mJ后被激發(fā)出的磷光強度在各溫度下達到穩(wěn)定。激光能量低于1.0 mJ時，被激發(fā)出的磷光強度存在波動可能是因為當激光能量低于1.0 mJ時，激光能量波動對激光總能量值影響較大。當能量不低于1.0 mJ時，激光能量受其自身波動影響小，被激發(fā)出的磷光光強達到穩(wěn)定。

圖8 200 ℃～500 ℃下，激光能量對磷光光強的影響

圖9為200 ℃～580 ℃不同激光能量下的1號MFG磷光衰減時間。圖中誤差線為磷光涂層區(qū)域內所有像素點衰減時間的標準差，最大誤差值為22.43 μs(11.0 mJ，200 ℃)。圖9中結果表明：衰減時間受激發(fā)光能量影響較小；MFG的淬滅溫度約為350 ℃；MFG衰減時間受激發(fā)光能量影響較小，激光能量波動帶來的隨機誤差不會對進一步計算磷光衰減時間產生影響。后續(xù)試驗中激光能量設為 2.0 mJ，激光能量密度為0.1 mJ/mm2。

圖9 不同激光能量對MFG衰減時間的影響

3.2 混合比對磷光劑衰減時間的影響

磷光劑濃度對磷光測溫有直接影響，過濃會影響涂層的黏合效果，過稀會導致測量信噪比低。為探究混合比對衰減時間的影響，設置不同混合比的1～3號磷光劑，其混合比見表1。磷光壽命指磷光實際存在的時間，而磷光衰減時間表征磷光衰減速度。1～3號磷光劑被2.0 mJ激光照射后，相對磷光強度與時間的關系見圖10。200 ℃下，磷光壽命的不同體現在對激光響應的快慢上，對激光的響應速度由快到慢分別為2號、1號和3號MFG，說明在淬滅溫度前磷光劑濃度越稀，對激光響應越快。500 ℃下，3組磷光對激光的響應一致，磷光壽命的不同體現在磷光消失時間上，磷光壽命由長到短依次為2號、3號、1號MFG。

圖10 1～3號MFG在200 ℃和500 ℃下被激發(fā)后相對磷光強度隨時間的變化

圖11為1～3號磷光衰減時間隨溫度的變化。圖中誤差線為磷光涂層區(qū)域內所有像素點衰減時間的標準差，最大誤差值為57.61 μs(2號MFG，200 ℃)。3組MFG磷光衰減時間變化趨勢一致，衰減時間值接近，可知混合比對衰減時間影響很小。綜上：由混合比準確性帶來的系統(tǒng)誤差對衰減時間測量結果影響較小，且在磷光淬滅前后對衰減時間影響效果略有不同；混合比的影響主要體現在對激光的響應和消失時間上，2號MFG在低溫下響應快，在高溫下存在時間長，適用于燃燒室壁溫測試。

圖11 不同混合比對MFG衰減時間的影響

3.3 涂層厚度對磷光劑衰減時間的影響

采用磷光測溫法測量燃燒室壁溫是基于磷光劑足夠薄從而能直接反映壁面溫度的假設，但實際涂層內部存在溫度梯度，涂層越厚，梯度越明顯，測得溫度與測點實際溫度相差越大[15]。與此同時更大的涂層厚度能帶來更大的發(fā)光強度[8]，信噪比更高。因此，合適的磷光劑涂層厚度對溫度測試至關重要。

圖12為1號、4號、5號(表1)MFG相對磷光強度隨時間的變化。200 ℃下，1號、4號MFG相對磷光強度一致，5號MFG強度小，這可能是因為5號MFG對激光信號響應早于1號和4號。這說明磷光涂層越薄，響應越快。500 ℃下，壽命由短到長依次為5號、1號、4號MFG，這說明高溫下涂層厚度對磷光壽命影響較大。

圖12 1號、4號、5號MFG在200 ℃和500 ℃下被激發(fā)后相對磷光強度隨時間的變化

圖13為200 ℃～580 ℃內不同涂層厚度下1號、4號、5號MFG的衰減時間。圖中誤差線為磷光涂層區(qū)域內所有像素點衰減時間的標準差，最大誤差值為101.82 μs(4號MFG，200 ℃)。該誤差主要由樣品涂層厚度不均勻引起。從圖13可以看出，當溫度低于淬滅溫度時，1號和4號MFG磷光衰減時間基本一致，5號MFG衰減時間略小。這可能是因為涂層薄導致5號MFG信噪比低，或厚度不均勻性影響被放大，但1號和4號MFG信號強度足夠強以至于信噪比或厚度影響不再顯著。當溫度高于淬滅溫度時，涂層厚度對衰減時間影響顯著。涂層厚度與衰減時間的關系具有溫度效應，衰減時間差異隨溫度升高而增大。5號MFG厚度最小，總體發(fā)光強度小，高溫下受信噪比影響尤其大。

圖13 涂層厚度對MFG衰減時間的影響

4 結論

(1) 激發(fā)光能量在0.3 mJ～11.0 mJ范圍內均能激發(fā)出MFG磷光，能量大小對磷光衰減時間影響較小。

(2) MFG磷光劑衰減時間受磷光劑混合比影響小。

(3) MFG磷光劑涂層厚度大小與衰減時間長短成正比，且具有溫度效應，衰減時間差異隨溫度升高而增大。燃燒室中適用的涂層厚度需進一步研究，以便應用于缸內測試。

(4) 燃燒室壁溫測試中采用混合比為1∶16的MFG磷光劑較為合理，稀釋的磷光劑低溫下對激光響應快，高溫下存在時間長，適合燃燒室復雜環(huán)境中的溫度測量。