CN103339494A

CN103339494A - 用于测量流动中的介质的物理和化学特性的光学探针

Info

Publication number: CN103339494A
Application number: CN2011800662590A
Authority: CN
Inventors: 阿吉马尔·穆罕默德; 拉斐尔·瓦隆
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 2010-12-13
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2031-12-12
Also published as: FR2968764B1; BR112013014729B1; EP2652484A1; WO2012080639A1; EP2652484B1; CN103339494B; BR112013014729A2; FR2968764A1; US20130258344A1; US9097682B2

Abstract

一种用于测量流动中的透明流体介质（M）的物理和化学特性的光学探针，其包括彼此平行并与流向平行的两个指部（1、2）。每个指部包括透明材料的实心棒，光束（F）在棒中传播并且在棒的端面（11、21）上被反射，该端面位于流的上游。这种光学探针可减小尺寸，并提供对探针自身而引起的流的干扰较不敏感的测量结果。

Description

用于测量流动中的介质的物理和化学特性的光学探针

本发明涉及一种光学探针，其用于通过检测来自至少一个辐射源的光束来测量流动中的透明流体介质的物理和化学特性。

这种探针设置在流内并包括两个刚性且相隔的指部，指部分别具有彼此平行的纵轴。探针被定向使得指部的纵轴也与流的速度向量平行。各个指部具有流内的上游端部、下游端部和光学质量侧区域，光学质量侧区域用于在指部和介质之间传播光束。

两个指部的第一指部的下游端部适于接收来自辐射源的光束，两个指部的第二指部的下游端部适于将该光束朝向检测器透射。

以已知的方式，指部的上游端部具有相对于纵轴倾斜的端面，该端面与同一指部的侧面一起形成凸出角以用于进行分流。这种形状的指部端部（在流中是上游）减少了因探针导致的对流的干扰，从而也降低了因对于流的干扰而导致的介质变化。例如，当流为超声波时，各个指部的上游端部会在流中产生激波，由此导致介质密度的变化。使指部的上游端部成型为凸出角减少了这种干扰效果，使得通过探针所获得的流中介质的特性更接近于没有探针时的介质的状态。

两个指部的光学质量侧区域被设置成，使得在两个指部之间的、与流的速度向量不垂直的路径中将光束从一个指部穿过介质传播至另一指部。因此，影响介质的光谱吸收带的检测的多普勒效应允许测量流速。

在美国航空航天公司研究所的S.D.Wehe等人在1998年编著的标题为“Measurements of Gas Temperature and Velocity in Hypervelocity FlowsUsing Diode-Laser Sensors（使用二极管激光传感器测量超高速流中的气体温度和速度）”的文献中描述了这种探针及其用途。在所描述的探针中，各个指部为中空管，其包含多个光学部件，如镜子、棱镜和透镜。光束在各个管中的自由空间内传播，并且穿过构成指部的光学质量区域的侧窗射入或射出。通过这种结构，这些窗在探针的各个指部中与相应指部的上游端面相隔一定距离。应该注意，在指部最远的上游，光束被分为测量束和参考束，其中，测量束相对于指部的轴线倾斜以便能够测量流中的多普勒效应，参考束垂直于指部的轴线以避免对这个效应产生任何影响。图1为这种光学探针的剖视图，并具有以下标记：

M：探针所处的介质

V：介质的流速向量

F：光束

1：提供光束F的指部

A₁：指部1的纵轴

11：指部1的上游端面

12：指部1的侧面

13：指部1的光学窗

14：指部1的内视镜

15：用于引入光束F的光纤

16：指部1的下游端部

2：恢复光束F的指部

A₂：指部2的纵轴

21：指部2的上游端面

22：指部2的侧面

23：指部2的光学窗

24：指部2的内视镜

25：光检测器

26：指部2的下游端部

对于指部1（分别地，指部2），端面11（分别地，21）与侧面12（分别地，22）一同形成拐角，该拐角以锐角突出以进入流动介质M，并具有唯一功能为使探针周围的流线相比于没有探针的流的偏差最小化。

在各个指部1（分别地，指部2）的上游端部处所产生流的干扰和/或介质M的干扰通过流自身被带到下游端部。然后，其影响介质M的部分P，部分P在与纵轴A₁（分别地，A₂）垂直的平面上，在从上游端面11（分别地，21）至下游端部16（分别地，26）的方向逐渐变大。根据流速，介质M的干扰部分P可以为由各个指部在流中产生乱流的区域或者为来自各个指部的上游指端的超音速激波的锥体。图1中的交叉斜线区域表示两个指部之间的介质M的这些干扰部分P。因为各个指部1、2的上游端部11、21与光学窗13、23之间的距离，所以在两个指部1与2之间的光束F的路径长度在介质M的干扰部分P内占据了很大比例。其导致与没有探针时这些相同特性的值相比较，通过探针所获得的物理和化学特性会失真。

此外，这种光学探针的结构具有以下缺点，尤其是因多个组件所导致的：

-价格昂贵；

-装配难度，尤其在将各个光学组件定位和定向成，使得光束F遵循从光纤15到镜14、然后穿过窗13和23到镜24最后到达检测器25的正确路径；

-探针对冲击和振动敏感，可能导致这些光学组件中的一些的错位。然后在测量流和介质M的特性时会产生错误；

-具有多个组件的探针的结构不允许减小尺寸，指部1的长度L₁为10厘米（cm），纵轴A₁和A₂之间的距离D_e达到5cm。由于这个原因，限制了能够通过探针获得的测量的空间解析度。此外，探针在流中产生的干扰也因为这个原因而无法减少；以及

-最后，偶然流入这些管中的介质M会干扰光束F在各个中空指部管中的传播。介质M流入指部的管中还会改变由光学探针获得的流和介质M的特性。

相同作者S.D.Wehe等人的标题为“Diode-Laser Sensor for VelocityMeasurements in Hypervelocity Flows（用于超高速流的速率测量的二极管激光传感器）”AIAA Journal，Vol.37，No.8（AIAA杂志、第37卷、第8号）的文章涉及相同类型的探针。

最后，对应于US2010/0027015的文献DE10 2008 050109公开了一种光学传感器，其中两个指部（“光导”）具有相同的长度使得光束遵循这两个指部之间的垂直于指部本身的路径传播。这种传感器适用于静态的透明流体介质的测量，但是不允许基于由平行于指部的介质流产生的多普勒效应进行测量。在指部的端部处以锐角突出角的唯一功能为支承镜子。

此外，文献DE10 2008 050109和US2010/0027015中的探针具有斜镜，斜镜设置在指部的端部并且由薄层构成，具体由金属层构成。这些层对由探针可能使用的某些流体介质可能引起的腐蚀和/或消融敏感。这样，探针的操作会逐渐恶化。

在这些情况下，本发明的一个目的在于提出一种用于测量流动中的介质的物理和化学特性的光学探针，其不会具有以上缺陷或者减少以上缺陷。

更具体地，本发明的第一目的在于提出了具有简化结构且降低成本的探针。

本发明的第二目的在于提出了小于现有探针的探针。

本发明的第三目的在于提出了一种探针，其提供了在探针不存在时更能表征介质在流动期间的测量结果。

本发明的第四目的在于提出了一种探针，其允许在位于介质中时，基于由流体介质流产生的多普勒效应进行测量，从而减少流的干扰。

本发明的第五目的在于提出了一种探针，其中测量结果不易受到因光学组件中的取向缺陷或探针相对于待测量的介质的流体密封性缺陷的改变的影响。

最后，本发明的第六目的在于提出了一种探针，其对于所沉浸的待测量的流体介质可能引起的化学腐蚀或消融较不敏感。

本发明的优势在于，提供了单一装置、突出角以实现上述目的。这种装置组合了光学功能和使探针周围的流线相比于不存在探针的流的偏差最小化的功能。

为了实现上述或其他目的，本发明提出了在引言中描述的那种类型的光学探针，其中各个指部包括实心棒，实心棒是对于光束光学透明的材料的单片件。该棒从相应指部的下游端部延伸至上游端面，并且各个指部的光学质量侧区域由棒的材料与介质之间的折射面形成。

此外，对于每个指部，其上游端面具有光学质量，并且光学质量侧区域位于该指部的突出角中。

以此方式，在光学探针的使用期间，在第一指部的下游端部接收到的光束在光学探针内遵循以下路径：

在第一指部的棒中，在该棒的材料内以直线及纵向的方式传播；然后，

在该指部的棒内，在第一指部的上游端面上朝向同一指部的光学质量侧区域折射；然后

被第一指部的光学质量侧区域的折射面从该棒的材料，朝向第二指部的光学质量侧区域折射到介质；然后

在第一指部与第二指部之间横穿流动介质；然后

被第二指部的光学质量侧区域的折射面，在第二指部的上游端面的方向上，从介质折射到棒的材料中；然后

在第二指部的棒内，在该指部的上游端面上反射；然后

在第二指部的棒内，在该棒的材料内以直线及纵向的方式朝向第二指部的下游端部传播。

因此，在本发明的光学探针中，每个指部可由单一部件构成。因此其结构被简化并且减少了成本。由于这种简化结构，所以探针可小型化，这允许以较小的空间解析度进行测量。

此外，这种较小探针在设置有该探针的介质流中引起较小干扰，使得所获得的测量结果更能表征在没有探针的情况下的流中的介质。

同时，在靠近相应指部的上游端面设置光学质量的各个侧区域，使得在两个指部之间的、可能处于被探针干扰的流动介质的部分内的光束路径的比例最小化。当然，光学质量侧区域的这种布置确保了在各个指部的上游端部处产生的任意乱流或激波锥仅穿过两个指部之间的光束路径的极有限部分。

最后，因为各个指部由实心棒构成，所以在指部内不会发生组件的未对准或介质的不必要流入。

在本发明的光学探针的优选实施方式中，其可适用于使得光束在两个指部的相应的上游端面上的反射为全反射。以此方式，在测量期间可检测较高光强度。因此，所获得的流动中的介质特性的值具有更高的精度。

以更优选的方式，探针的各个指部的上游端面可包括在相应的棒材料与探针待浸入的流体介质之间的屈光界面。该屈光界面可被定向使得光束在棒材料内在其上经历全内反射。在本发明的文本中，全内反射被理解为通过来自第一介电折射介质到折射小于第一介电折射介质的第二介电介质所发生的反射模式，并且较高值的入射角使得以前进波的形式透射至第二介质的入射束的能量比为零。通过指部的上游端面的这种实施方式，它们的光反射效率对于探针所浸入的介质引起的任意腐蚀或消融不敏感。

本发明还提出了一种用于测量流动的透明流体介质的至少一个物理或化学特性的装置，该特性包括流速、介质的温度、介质的压力、介质的密度和包含在介质中的至少一种化合物的浓度，该装置包括：

-如上所述的光学探针；

-可变波长的光源组件，适于产生光束并且被设置为将光束发送至第一指部的下游端部；

-光度检测器，被设置成在测量装置的操作期间，针对光源组件的每个波长，测量在两个指部之间透射的光束的强度；以及

-用于处理由所述检测器产生的测量信号的装置，适用于基于所述测量信号的谱分析提供用于所述流动的介质的每个选定的特性的值。

优选地，光源组件可为可变波长的激光，以便获得具有更高精度的由测量装置测量的物理和化学特性值。

最后，本发明提出了一种用于测量流动中的介质的一个或多个特性的方法，该方法包括以下步骤：

-使用本发明提出的测量装置；

-将光学探针放置在所述介质中，其中指部的纵轴与流的速度向量平行并且将具有倾斜端面的指部端部朝向流的上游方向定向，端面与指部的相应的侧面一起形成突出角；

-同时激活光源组件和检测器，以便产生用于光源组件的波长的相应的测量信号；以及

-控制处理装置以便基于测量信号的谱分析获得用于介质的每个选定特性的值。

以特别有利的方式，本发明的方法允许同时获得介质在流动期间的多个特性的值。具体地，这些值可以通过由检测器产生的相同测量信号的单一频谱分析而获得。因此，可以以特别完整和快速的方式表现流动介质。

通过在下文中参照附图描述的非限定性示例，将明确理解本发明的其他特征和优点。附图说明如下：

图1表示以上已描述的本发明的现有技术的光学探针；

图2表示本发明的光学探针的两个指部的纵向和横向截面；

图3为图2的指部的透视图；

图4为图2的放大图，示出了光学探针的一些参数；以及

图5示出了本发明的测量装置。

为了清晰起见，这些附图中所展示的元件尺寸不对应于实际尺寸，也不对应于实际尺寸之间的比例。此外，不同附图中使用的相同的参考标号指示相同元件或具有相同功能的那些元件。

图2和图3示出了本发明的光学探针的两个指部，每个指部由刚性材料的均匀的、透明的、单件式棒构成。如图1所示，各个指部1（分别地，指部2）具有纵轴A₁（分别地，A₂）、具有端面11（分别地，21）的上游端部、侧表面、以及下游端部16（分别地，26）。不同于图1的光学探针，本发明中的光束F在构成每个指部1和2的棒的透明材料中进行传播。因此，光束F的路径包括：在指部1的棒的材料中以直线传播的方式从下游端部16纵向横穿指部1的棒至上游端面11、在棒的材料的内部的面11上反射、穿过侧区域13离开指部1的棒、在两个指部1和2之间横穿流动介质M、穿过侧区域23进入指部2的棒、在指部2的面21上向内反射并在指部2的棒的材料中传播、然后横穿指部2直线且纵向地到达其下游端部26。将在下文描述光束F由指部1的下游端部16引入并由指部2的下游端部26射出。

各个棒具有足够大的横截面以允许光束F在其内沿着每个直线的路径段进行传播。换言之，光束F在光学质量的区域外在各个棒的侧面上不会发生反射。

在本发明中，“光学质量区域”被理解为是指每个指部的、适于反射或折射光束F而不使其漫射的表面的一部分。在本技术领域技术人员的技术方面，这些区域已经过光学抛光处理。换言之，它们的粗糙度足够低而不会引起漫射，这将基本减少光束沿上文描述的光学路径的强度。优选地，该粗糙度可比区域13和23中且在面11和21上的光束F的波长值小一半。可在本文中使用用于表示粗糙度的多种方法，例如X光反射率或干涉法，尤其是通过使用具有已知粗糙度的参照板。

在光学探针的优选配置中，各个指部1（分别地，指部2）的侧面可以包括平面12（分别地，平面22），平面12（分别地，平面22）包含光学质量侧区域13（分别地，光学质量侧区域23）。例如，可使用直径e1等于6mm（毫米）的圆柱形预成型件获得各个棒，并通过沿其整个长度加工平整截面形成平面12或22，使得每个棒的垂直于平整截面的厚度e2减小至5mm。由此便于各个棒的加工。这样，光学探针中的指部1和2的各个平面12和22彼此平行且彼此面对。

指部1的长度L₁可以为约70mm，两个纵轴A₁与A₂之间相隔的距离D_e可为约24mm。在这种情况下，指部2的长度L₂可以为约40mm。

指部1和2的各个棒通过由图3中的点划线表示的支承件3保持在适当位置并且彼此平行。该支承件3通过将各个棒的下游端部16或26保持与介质M的流平行来支承每个棒，其中，棒的上游端部定向在流的上游方向上。有利地，支承件3也可具有流线形状以尽可能地减少其在介质M的流中产生的干扰，并且尤其使得这种干扰不会上升至指部1和2的上游端部。

此外，支承件3可设置为在指部1和2的棒的下游端部处提供并收集光束F。例如，支承件3可包括两个光纤端口31和32，光纤端口31被设置为将输入光纤41光学连接至指部1的下游端部16，光纤端口32被设置为将输入光纤42光学连接至指部2的下游端部26。参考标记33和34表示用于形成被插入光纤41和42的端部与棒之间的光束F的部件。这些部件是本领域技术人员所已知的，并且可以为小尺寸的透镜、球透镜或镜面准直器。

可替代地，可以在与指部1和2的棒的下游端部相隔一定距离处提供并收集光束F。在这种情况下，光束F可以在光源与支承件3之间的介质M中传播，以及支承件3与光学检测器之间的介质M中传播。

光学质量的侧区域13（分别地，23）位于平面12（分别地，22）上与指部1（分别地，2）的棒的上游端面11（分别地，21）紧邻。如图2所示，这极大地减少了光束F的路径在包含于介质M的被探针自身干扰的部分P内的区域13和23之间的比例。

这样，上游端面11和21的斜率具有两个功能。一方面，这些面11和21均形成具有相应指部的平面12或22的突出角。另一方面，它们引导光束F在指部1和2的各个棒内、在这些面11和21上的反射。

现介绍在图4中表示的以下角度：

i₁：光束F在上游端面11上的入射角；

i₂：光束F在上游端面11上的反射角；

i₃：光束F在光学质量侧区域13上的入射角；

i₄：光束F在光学质量侧区域13上的出射角；

i₅：光束F在光学质量侧区域23上的入射角；

i₆：光束F从光学质量侧区域23上的折射角；

i₇：光束F在上游端面21上的入射角；

i₈：光束F在上游端面21上的反射角；

a₁：上游端面11与光学质量侧区域13之间的突出角的角度；以及

a₂:上游端面21与光学质量侧区域23之间的突出角的角度。

所有这些角度与垂直于发生相关反射或折射的光学质量的表面的方向相关联地计算。

反射和折射的菲涅尔方程表示i₁与i₂是相等的，n₁·sini₃=n_M·sini₄，n_M·sini₅=n₂·sini₆，以及i₇与i₈是相等的，其中n₁、n₂和n_M分别为指部1的棒材料的光学折射率的值、指部2的棒材料的光学折射率的值和介质M的光学折射率的值。

在几何学上，a₁=90°-i₁，a₁=i₂+i₃，i₄与i₅相等且不为零，a₂=i₇-i₆，以及a₂=90°-i₈。

此外，以下关系式得到指部2的上游端部相对于指部1的上游端部偏移的距离D_r和纵轴A₁、A₂之间相隔的距离D_e之间的关系：tani₄=(D_r–l₂+l₁)/D_e，其中，l₁（分别地，l₂）表示指部1（分别地，指部2）的上游端部的点与被光束F横穿的区域13（分别地，23）的点之间的距离。

实际上，每个指部1、2的棒的材料几乎一直具有关于光束F的光学折射率的值，该值大于介质M的光学率值n_M。由此，两个指部之间的光束F的角度i₄=i₅大于各个棒内的角度i₃和i₆。为了能够通过对介质M的光谱吸收带的多普勒分析确定流速，角度i₄=i₅不为零，从而确保光束F不垂直于两个指部1和2之间的速度向量V。例如，角度i₄=i₅可以取40°（度），相当于光束F与速度向量V之间为50°。有利地，如在本说明书的下文中进一步描述的，可替代地将角度i₄=i₅选择为对应于光学质量侧区域13和23上的布儒斯特入射（Brewster incidence）。

在本发明中，没有必要由相同的透明材料构成两个指部1和2的各自的棒。换言之，两个棒各自的材料可以不同，并且本领域技术人员应该明白如何根据它们的折射率值（类似于上述角度的值）选择这些材料，以允许光束F遵循所需路径传播。

相似地，在本发明中，光束F在上游端面11和21上的反射也没有必要为全反射。应当明白，全反射的特征在于被反射的光能比例，该比例接近于反射的100%时被称为全反射。

为了能够再现本发明，将在下文描述根据本发明的光学探针结构的两个实施例，其中在上游端面11和21上的反射为全反射。然而，应当理解，在这些实施例中使用的以获得全反射的多种方法可通过一个棒到另一个棒而结合在同一探针内。

在第一个实施例中，指部1和2的上游端面11和21均装配有镜子，镜子确保在光束F在这些面上的反射在相应棒内是全反射。该镜子可以包括沉积在棒的上游端面上的至少一层金属。各个上游端面的镜子还可覆盖有保护层以防止镜子被介质M腐蚀。这种上游端面镜允许棒使用折射率不是特别高的透明材料。例如，指数约为1.5的透明玻璃棒可以与在360nm（纳米）和760nm之间的可见光范围内的光束F一起使用。

在第二个实施例中，指部1、2中的每个的上游端面11、21为相应棒的材料与介质M之间的屈光界面。这样，光束F在该上游端面上的反射为全内反射，其中入射角大于斯涅尔定律（Snell law）给出的临界角透射值。对于指部1，该临界角透射值为arcsin(n_M/n₁)，其中arcsin表示反正弦函数，n₁为指部1的棒材料的折射率，对于指部2具有相同的表达式。因此，在第二个实施例中在两个指部的上游端部处不必具有金属层，从而这种探针与可能具有腐蚀性或极热的介质M兼容。

然而，作为在两个指部之间的光束F的角度i₄的所需值的函数，棒材料的折射率需大于最小值，使得本发明所提出的在各个棒内和在两个棒之间的光束F的路径，在全内反射的情况下与斯涅尔光学定律的反射和折射兼容。因此，对于40°的i₄,对于根据第二个实施例可能的探针操作，两个棒的折射率必需大于1.76。

下表1中总结了当两个棒由光学折射率在1.76和1.85之间的掺钕钇铝石榴石（YAG）构成（例如，对于波长为2.7μm（微米）的光束F，等于1.8）时，这种光学探针的结构参数。对于这些值，已假设介质M为气态的，使得指标值n_M可被认为等于1。

a₁=55.46°	a₂=34.54°
		i₁=i₂=34.54°	i₆=20.92°
i₃=20.93°	i₇=i₈=55.46°
		i₄=i₅=40.0°	D_e=30mm

表1

在本发明的改进中，光学探针可附加地包括第一镜27（图2），第一镜27位于指部2的下游端，以便使光束F在同一指部2的上游端的方向反射。以此方式，光束F沿两个指部1和2之间的相同路径以相反方向再次横穿介质M。路径的加倍增加了光束F与介质M的相互作用，使得所获得的物理和化学特性的值更准确。通过具有镜27的配置，光束F被引入光学探针中并且在指部1的下游端部处从其恢复。在这种情况下，可使用双棱镜分束器（未图示）以使待作为输入而引入到探针的光束与待作为输出从探针恢复的光束叠加。

在这种情况下，在光束F以第一方向穿过流动介质M然后以与第一方向相反的第二方向行进的情况下，有必要采用为评估流速而进行的多普勒效应分析。实际上，每个路径方向对应于具有其它方向的以代数的方法相反的多普勒效应。

在另一改进中，除了第一镜27以外，光学探针还可包括第二镜17，第二镜17位于指部1的下游端，以便将光束F在相同指部1的上游端的方向上反射。以此方式，光束F沿两个指部1和2之间的相同路径、在路径的两个相反方向之间交替地多次穿过介质M。所获得的流动中的介质M的特性值的精度因而进一步增加。在这种情况下，两个镜17和27中的至少一个可能具有残余透射，从而引入并提取光学探针内的光学路径中的光束F。然而，为此目的可替代地使用其他方法，例如，将微反射条插入于光束F的光学路径中。

当光学探针被设计使得光束F根据布儒斯特入射条件穿过棒材料与外部介质之间的各个折射面时，通常有利的，但特别优选的是使用镜17和27。以此方式，光束F透射穿过这些界面而不会因反射而出现强度损失。然而，应当明白，对于光束F的入射介质与出射介质之间的屈光界面，布儒斯特入射角等于arctan(n_e/n_i)，其中arctan表示反正切函数，n_i为入射介质的折射率值以及n_e为出射介质的折射率值。如果需要，可参考光学领域的一般工作获得布儒斯特入射条件的更多细节。

这种改进可应用于在两个指部1和2的下游端部引入和/或恢复光束F。因此，两个指部1、2中的至少一个的下游端部16、26可包括对应棒的基面，该基面相对于纵轴A₁、A₂以布儒斯特角倾斜。因此，在使用光学探针期间，光束F在没有反射的情况下被基面折射。

相同的改进可应用于被浸于介质M中的指部1、2的上游端部。因此，光学探针可被设计使得以角度i₄=i₅对应于在光学质量侧区域13和23的折射面上的布儒斯特入射条件。

如图5所示，本发明的测量装置包括：图2至图4的光学探针、可变波长的光源40、光度检测器50、以及用于处理测量信号的单元51。光纤41将光源40连接至到光学探针的输入，光纤42将来自光学探针的输出连接至检测器50。

光源40优选为激光源，以便产生在对于流动介质M的物理和化学特性的值的所需精度足够窄的光谱范围内的光束F。在光学探针位于流动介质M的情况下，逐渐改变源40的波长。根据所使用的激光源的类型，这种变化可以是持续的或离散的。然后，从光学探针输出的光束F的可变光强度被检测以对波长值取样。信号处理单元51对检测器50所产生的光强度测量信号进行谱分析。用于使用本发明的测量装置的这种方法与用于现有技术的探针的方法相似，因此不对其进行进一步描述。仅在此回顾应用于流动介质M的物理和化学特性中的一些的谱分析的原理。对于存在于介质M中的化合物的光谱吸收线：

-当介质M静止，即流速为0时，线相对于其中心波长的移动提供了用于通过多普勒效应分析的流速值；

-线的宽度提供了介质M的温度值；以及

-线的面积提供了介质M中的化合物的浓度值。

这种测量装置可用于多种应用，包括对风洞设施中的空气流或从喷气喷嘴或引擎的废气的表征。

应当理解，可以在上述的实施方式中引入修改的情况下再现本发明以使其适用于特定的应用。尤其是，所提到的数值仅作为示例提供。

Claims

1.一种光学探针，用于通过检测来自至少一个辐射源的光束（F）对所述探针待放置的流动的透明流体介质（M）的物理和化学特性进行测量，所述探针包括两个刚性指部（1、2），所述两个刚性指部（1、2）彼此间隔并分别具有平行的纵轴（A₁、A₂），所述探针被定向使得所述纵轴还与流速向量（V）平行，每个指部包括流内的上游端部、下游端部（16、26）以及用于在所述指部与所述介质之间透射光束的光学质量侧区域（13、23），

两个指部中的第一指部（1）的下游端部（16）适于接收来自所述源的光束（F），两个指部中的第二指部（2）的下游端部（26）适于将所述光束透射至检测器，

每个指部（1、2）的上游端部具有相对于所述纵轴（A₁、A₂）倾斜的端面（11、21），所述端面（11、21）与所述指部的侧面一起形成突出角以分割所述流，

两个指部（1、2）的光学质量侧区域（13、23）被设置使得在所述两个指部之间的、不垂直于所述流速向量（V）的路径中将所述光束（F）从一个区域穿过所述介质（M）透射至另一区域，

其中，每个指部（1、2）包括实心棒，所述实心棒为对于所述光束（F）光学透明的材料的单片件，所述棒从所述指部的下游端部（16、26）延伸至上游端面（11、21），并且每个指部的光学质量侧区域（13、23）由棒的材料与所述介质（M）之间的折射面所形成，

每个指部（1、2）的上游端面（11、21）具有光学质量，以及

每个指部（1、2）的光学质量侧区域（13、23）位于该指部的突出角中，

并且所述探针被设置成，使得在所述探针的使用期间，在所述第一指部（1）的下游端部（16）处接收到的光束（F）：

在所述第一指部（1）的棒中、在该棒的材料内以直线及纵向的方式传播；然后，

在所述第一指部（1）的棒内，在所述第一指部（1）的上游端面（11）上朝向所述第一指部的光学质量侧区域（13）折射；然后

从所述第一指部的棒的材料，被所述第一指部（1）的光学质量侧区域（13）的折射面朝向所述第二指部（2）的光学质量侧区域（23）折射到所述介质（M）；然后

在所述第一指部（1）与第二指部（2）之间横穿所述介质（M）；然后

在所述第二指部的上游端面（21）的方向上，被所述第二指部（2）的光学质量侧区域（23）的折射面从所述介质（M）折射到所述第二指部的棒的材料中；然后

在所述第二指部的棒内，在所述第二指部（2）的上游端面（21）上反射；然后

在所述第二指部（2）的棒内，在该棒的材料内以直线及纵向的方式朝向所述第二指部的下游端部（26）传播。

2.根据权利要求1所述的光学探针，所述光学探针适用于使得光束（F）在两个指部（1、2）的相应的上游端面（11、21）上的反射为全反射。

3.根据权利要求2所述的光学探针，其中，

至少一个所述指部（1、2）的上游端面（11、21）为相应棒的材料与所述介质（M）之间的屈光界面，并且其中，所述光束（F）在所述上游端面上的反射为全内反射，其中所述光束相对于与所述上游端面垂直的方向的入射角（i₁、i₇）大于斯涅尔定律的临界角透射值。

4.根据权利要求3所述的光学探针，其中，

至少一个所述指部（1、2）的棒的材料为光学折射率在1.76和1.85之间的掺钕钇铝石榴石（YAG）。

5.根据权利要求2所述的光学探针，其中，

至少一个所述指部（1、2）的上游端面（11、21）设置有镜子，并且其中，所述光束（F）在所述上游端面上的反射为所述镜子在相应棒内上的全反射。

6.根据权利要求5所述的光学探针，其中，

设置有镜子的指部（1、2）的棒的材料为玻璃，并且所述镜子包括沉积在棒上的、在上游端面（11、21）上的至少一个金属层。

7.根据以上权利要求中的任一项所述的光学探针，其中，

每个指部（1、2）的侧面包括平面（12、22），所述平面包括所述指部的光学质量侧区域（13、23），两个指部的相应的平面彼此平行并被定向为彼此相对。

8.根据以上权利要求中的任一项所述的光学探针，还包括第一镜（27），所述第一镜（27）位于所述第二指部（2）的下游端部，以便将所述光束（F）在所述第二指部的上游端部的方向上反射，使得所述光束沿所述两个指部（1、2）之间的同一路径但以相反的方向再次横穿所述介质（M）。

9.根据权利要求8所述的光学探针，还包括第二镜（17），所述第二镜（17）位于所述第一指部（1）的下游端部，以便将所述光束（F）朝向所述第一指部的上游端部反射，使得所述光束沿两个指部（1、2）之间的同一路径，在该路径的两个相反方向之间交替地多次横穿所述介质（M）。

10.根据以上权利要求中的任一项所述的光学探针，其中，两个指部（1、2）中的至少一个的下游端部（16、26）包括棒的基面，所述基面相对于所述棒的纵轴（A₁、A₂）以布儒斯特角倾斜，使得在使用所述光学探针的过程中，所述光束（F）在没有反射的情况下被所述基面折射。

11.一种用于测量流动的透明流体介质（M）的至少一个物理或化学特性的装置，所述特性包括流速、所述介质的温度、所述介质的压力、所述介质的密度和包含在所述介质中的至少一种化合物的浓度，所述装置包括：

-根据以上权利要求中的任一项所述的光学探针；

-可变波长的光源组件（40），适于产生光束（F）并且被设置为将所述光束发送至第一指部（1）的下游端部（16）；

-光度检测器（50），被设置成在所述测量装置的操作期间，针对所述光源组件的每个波长，测量在两个指部（1、2）之间透射的光束（F）的强度；以及

-用于处理由所述检测器产生的测量信号的装置（51），适用于基于所述测量信号的谱分析提供用于所述流动的介质的每个选定的特性的值。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述光源组件（40）为具有可变波长激光类型的光源组件。

13.一种用于测量流动的透明流体介质（M）的至少一个物理或化学特性的方法，所述特性包括流速、所述介质的温度、所述介质的压力、所述介质的密度和包含在所述介质中的至少一种化合物的浓度，所述方法包括：

-使用根据权利要求11或12所述的测量装置；

-将光学探针放置在所述介质（M）中，其中指部（1、2）的纵轴（A₁、A₂）与流速向量（V）平行并且将具有倾斜端面（11、21）的指部端部朝向流的上游方向定向，所述端面（11、21）与所述指部的相应的侧面一起形成突出角；

-同时激活所述光源组件（40）和所述检测器（50），以便产生用于所述光源组件的波长的相应的测量信号；以及

-控制处理装置（51）以便基于所述测量信号的谱分析获得用于所述介质的每个选定特性的值。

14.根据权利要求13所述的测量方法，其中，所述光学探针被设计使得，所述光束（F）在所述介质（M）中在所述两个指部（1、2）之间的传播方向与垂直于光学质量侧区域（13、23）的方向之间的角度（i₄、i₅）对应于所述光束在所述指部的光学质量侧区域的折射面上的布儒斯特入射条件。