CN102135547B - 基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体流速测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体流速测量仪，包括有红光光源、激光器、信号发生器、激光发射装置、激光接收装置、光纤干涉计、数据采集卡、探测器、锁相放大器以及数据处理和显示模块，采用全光纤方式工作，有利于信号的远距离传播，本发明是基于光学方法的流速测量仪器，与传统技术和仪器相比，具有非浸入监测对象、空间分辨率高、动态响应快、测量精度高、测量量程大，本发明易安装、防尘、防溅、防腐、防震，适用于高温、高粉尘、有毒性和高腐蚀性的工业排放监测，本发明还能测量流速高达几千米/秒的高速气流，可用于飞机发动机的检测。

Description

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体流速测量仪

技术领域

    本发明涉及气体流速的激光光谱测量仪器，它是基于可调谐半导体激光吸收光谱和多普勒频移原理的气体流速测量仪，具体是一种适用于工业排放烟气监测和超高流速检测的具有本质安全、防震稳定、非接触、全光纤方式工作的气体流速实时测量仪。

背景技术

    工业排放烟气流速测量（低速）

烟气作为一种比较特殊的介质，一般的温度范围在40-150℃，特别情况下可能达到更高的温度。另外烟气中一般会存在粉尘和酸性气体如SO₂、NO_X等，如何解决大管径、低流速、宽量程比、低静压等问题，克服粉尘堵塞、高温、高粉尘和酸性物质而保证烟气流速的实时在线测量，是一个十分困难的问题。在这种条件下，应保证必要的检测准确度、较快的反应速度，易安装，防尘、防溅、防腐等要求，应有较高的自动化程度，较少的维护量。而我国烟气CEMS（Continuous Emission Monitoring System，烟气连续在线监测系统）安装点的烟道流速在烟道中分布不均匀，在流速小于 10m/s 时（特别是流速小于5 m/s 时），会造成烟气流速测量的困难。传统的低流速测量方法主要有超声波法、热扩散/热导法、皮托管差压法等。超声波法虽然属于非接触测量方法，准确度较高，但设备价格非常昂贵，在我国现场应用不多。热扩散/热导法和皮托管差压法属于接触测量方法，高湿、高粉尘、高腐蚀的烟气容易对设备造成损坏，烟道内滴落腐蚀性液体和泥浆也会影响设备的正常工作，且两种方法都会因接触测量对烟气气流产生影响而导致流速测量不准确。这就需要选用可靠的实时在线非接触法测量方法才能对烟气的流速进行准确测量。

飞机发动机流速测量（高速）

发动机被称为飞机的“心脏”，是推动飞机快速发展的原动力，对飞机的性能起着决定性作用。飞机发动机喷流场气动参数的分布情况对正确评估发动机的推力，研究其对飞机自身的影响以及红外隐身等性能具有重要的意义；同时，在飞机起降作业时，飞机发动机的高速、高温喷流对周围的人员、设备及其他飞机都会产生较大的影响。近年来，随着国家大飞机项目的启动，国内在飞机发动机研究方面也做了大量研究工作，拥有了较多优秀的发动机试验台和风洞装置，但是由于测量手段的限制，无法得到流速等能反映发动机性能和数值模拟所需的关键实验数据。发动机关键性能参数检测手段的匮乏已经成为限制我国发动机研究和设计的瓶颈。因此，迫切需要新的检测方法的出现。

近些年发展起来的光学检测方法与传统方法相比，具有许多明显的优势。其中可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS)是其中的典型代表。

TDLAS利用窄线宽半导体激光器作为光源，扫描待测气体分子的单根吸收线来进行流速高精度测量。TDLAS方法与传统的流速测量方法相比有如下优点：

1、非接触测量：激光穿过待测区域获得吸收信息而不影响流场分布，测量过程对流场无任何干扰。

2、使用方便：测量现场采用全光纤方式进行光信号耦合传输，简化了光路设计，安装简单方便，便于信号远距离传输，可将主监控室远离监测现场，适合于恶劣监测环境，更加适合于飞行实验。

3、可多参数同时测量：利用时分复用技术，可同时进行温度、流速以及气体组分的同时测量。

4、分辨率高：由于使用的是超窄线宽的半导体激光器作为光源，相当于使用了一台超级分辨率的光谱仪，避免了燃烧环境火焰辐射和其他气体组分的吸收干扰。

5、动态响应快：信号以光速传播，速度极快，能够充分满足高流速测量需要，只要配以高速的数据采集卡，就可进行实时测量，是研究高速气流的理想方法。

6、测量精度高：流速测量所基于的原理公式是一个精确的物理关系式（公式中C为光速，为激光中心频率，为激光发射方向与气流方向之间的夹角，为频移），与流体的其他特征(如温度、压力、密度及黏度)无关，系统测量精度很高，可用来校准其他类型测速仪器。

7、测量量程大：因为频移与速度成正比，速度越高（尤其是达到几千米每秒），频移越大，频移越容易准确测量，流速反演也越准确。这是普通测速仪所不能实现的。

    由于TDLAS技术的这些优点，它被广泛用于各种环境中平均气流参数的测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体流速测量仪，

本发明的技术方案如下：

一种气体流速测量仪，包括有红光光源、激光器、信号发生器、激光发射装置、激光接收装置、光纤干涉计、数据采集卡、探测器、锁相放大器以及数据处理和显示模块，所述激光发射装置与激光接收装置之间的区域有待测气流，其特征在于：所述激光器的后续光路上依次设有光纤合束器和第一光纤分束器，所述红光光源发出的指示光以及所述激光器发出的激光束经光纤合束器合束后，由第一光纤分束器分成多束光，其中一束光依次经光纤干涉计和数据采集卡后输入所述的数据处理和显示模块，作为标定频移的标准信号；另外二束光经光纤传输并由激光发射装置发射，穿过待测气流后由激光接收装置接收并经光纤输入所述的探测器，作为探测信号；剩余的一束光经第二光纤分束器分成二束后输入所述的探测器，作为参考信号；所述的探测器将接收到的探测信号和参考信号分别转变成电信号后，再依次经所述的锁相放大器和数据采集卡输入数据处理和显示模块；所述的信号发生器分别向所述的激光器和数据采集卡输出调制信号和同步触发信号。

所述的气体流速测量仪，其特征在于：所述的第一光纤分束器位1×4光纤分束器，所述的第二光纤分束器位1×2光纤分束器

所述的气体流速测量仪，其特征在于：所述的红光光源、激光器、信号发生器、激光发射装置、激光接收装置、光纤干涉计、数据采集卡、探测器、锁相放大器以及数据处理和显示模块均由直流电源供电。

激光器通过温度控制模块和基本偏置电流稳定激光器的中心工作波长，在激光器电流控制模块上叠加低频锯齿信号和高频正弦信号实现激光器波长的扫描和调制， 激光经过调制后扫描通过示踪气体分子的单根吸收线。从激光器出来的光经分束器分成多路，其中两路激光经准直扩束后出射穿过待测区域，由接收望远镜耦合进多模光纤后回传至控制室主机箱，经进一步信号处理得到频移后反演流速。气体流速测量仪的激光控制部分和数据采集处理部分都位于控制室主机箱，监测现场只要求安装激光发射和接收装置。

本发明利用近红外可调谐半导体激光吸收光谱技术，结合适用于现场环境的全光纤耦合方式实现气体流速的实时在线测量。利用可调谐半导体激光吸收光谱技术的高分辨性消除了气流中其它气体成分的干扰，精确得到示踪气体分子的单根吸收谱线。为了得到更高的检测灵敏度，本测速仪采用波长调制的技术方案。

波长调制法将低频锯齿信号和高频正弦信号叠加后作为激光器的注入电流，实现激光波长扫描和调制。激光经过分束后进行双光路流速测量, 两束激光穿过待测区域后由光纤回传至探测器接收，探测器将光信号转化为电信号进入以调制正弦频率为参考的锁相放大器进行解调，对解调输出的两路二次谐波信号采集处理，结合光纤干涉计信号，计算两路信号之间的频率偏移来反演流速。利用波长调制技术探测气体谐波信号可以提高检测灵敏度。

本发明的有益效果：

（1）、本发明基于光学方法的流速测量技术与传统技术相比，具有非浸入监测对象、空间分辨率高、动态响应快、测量精度高、测量量程大的特点，其中可调谐半导体激光吸收光谱技术是利用窄线宽半导体激光器作为光源，通过调谐来扫描气体分子的单根吸收线，进而获得气体吸收信号；

（2）、本发明采用全光纤方式工作，激光由光纤传输到监测现场发射，经过待测气体后再耦合到光纤中并回传至监控室，能够有效地减少信号在传输过程中的损耗、提高信噪比和流速检测灵敏度；

（3）、本发明通过将光发射和接收装置固定在同一装置上，可以防止测量时震动对光路对齐的影响，减少系统维护量；

（4）、本发明完全无危险源、自动化程度较高、可以在无人值守的情况下连续长时间在线正常工作、反应速度快、易安装、防尘、防溅、防腐，适用于高温、高粉尘、有毒性和高腐蚀性的工业环境，比如对工业排放烟气的监测；

（5）、本发明根据测得的气体吸收信号之间的频移大小来进行气体流速的反演，所以当气体流速越高时，吸收信号之间的频移就越大，这对频移测量和流速反演都越有利，当气体流速越高时，该系统的测量越准确，因此，该激光测速仪也可以用于某些流速极高的极端恶劣场合的流速监测。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为典型的2f信号频移示意图。

具体实施方式

参见图1、2，一种基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体流速测量仪，包括有红光光源5、激光器13、信号发生器14、激光发射装置9、激光接收装置10、数据采集卡19、光纤干涉计15、探测器17以及数据处理和显示模块20，激光发射装置9与激光接收装置10之间的区域有待测气流，激光器13的后续光路上依次设有光纤合束器6和1×4光纤分束器7，红光光源5发出的指示光以及激光器13发出的激光束经光纤合束器6合束后，由1×4光纤分束器7分成四束光，其中一束光依次经光纤干涉计15和数据采集卡19后输入数据处理和显示模块20，作为标定频移的标准信号；另外二束光经光纤传输并由激光发射装置9发射，穿过待测气流后由激光接收装置10接收并经光纤输入探测器17，作为探测信号；剩余的一束光经1×2光纤分束器16分成二束后输入探测器17，作为参考信号；探测器17将接收到的探测信号和参考信号分别转变成电信号后，再依次经锁相放大器18和数据采集卡19输入数据处理和显示模块20；信号发生器14分别向激光器13和数据采集卡19输出调制信号和同步触发信号。

红光光源5、激光器13、信号发生器14、激光发射装置9、激光接收装置10、光纤干涉计15、数据采集卡19、探测器17、锁相放大器18以及数据处理和显示模块20均由直流电源4供电。

以下结合附图对本发明作进一步的说明：

本发明采用近红外半导体激光器作为检测激光光源，利用激光器温度和电流控制模块12控制激光器输出中心波长，信号发生器14产生的低频锯齿信号和高频正弦信号叠加在激光器的驱动电流上，对输出波长进行扫描和调制。红光光源5是为了对齐光路的方便，使激光发射装置10和接收装置9在一条直线上。激光由1×4分束器7分为四束进行双光路流速测量，其中一束经光纤干涉计15后由数据采集卡19采集，作为标定频移的标准信号；另外两束经光纤传输到监测现场，分别由发射装置10发射，穿过待测气流后由接收装置9接收并经光纤回传至控制室主机箱内的探测器17，作为探测信号；剩余一束经1×2光纤分束器分为两束后连接至探测器17，作为参考信号。探测器17将光信号转变为电信号后传输至锁相放大器18，从锁相放大器18解调出来的二次谐波信号由数据采集卡19采集，数据采集的同步触发信号是由信号发生器14产生的与锯齿扫描信号同步的脉冲触发信号。数据采集信号送至PC进行数据处理和显示。

本发明的红光光源5、激光器13、信号发生器14、光纤合束器6、1×4分束器7、1×2光纤分束器16、激光发射装置9、激光接收装置10、数据采集卡19、光纤干涉计15以及探测器17均集成在一个主机箱中，主机箱上布有电源插头1、电源开关2、风扇3、法兰8和数据采集卡接口11。

Claims (3)

1.一种基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体流速测量仪，包括有红光光源、激光器、信号发生器、激光发射装置、激光接收装置、光纤干涉计、数据采集卡、探测器、锁相放大器以及数据处理和显示模块，所述激光发射装置与激光接收装置之间的区域有待测气流，其特征在于：所述激光器的后续光路上依次设有光纤合束器和第一光纤分束器，所述红光光源发出的指示光以及所述激光器发出的激光束经光纤合束器合束后，由第一光纤分束器分成多束光，其中一束光依次经光纤干涉计和数据采集卡后输入所述的数据处理和显示模块，作为标定频移的标准信号；另外二束光经光纤传输并由激光发射装置发射，穿过待测气流后由激光接收装置接收并经光纤输入所述的探测器，作为探测信号；剩余的一束光经第二光纤分束器分成二束后输入所述的探测器，作为参考信号；所述的探测器将接收到的探测信号和参考信号分别转变成电信号后，再依次经所述的锁相放大器和数据采集卡输入数据处理和显示模块；所述的信号发生器分别向所述的激光器和数据采集卡输出调制信号和同步触发信号。

2.根据权利要求1所述的基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体流速测量仪，其特征在于：所述的第一光纤分束器为1×4光纤分束器，所述的第二光纤分束器为1×2光纤分束器。

3.根据权利要求1所述的基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体流速测量仪，其特征在于：所述的红光光源、激光器、信号发生器、激光发射装置、激光接收装置、光纤干涉计、数据采集卡、探测器、锁相放大器以及数据处理和显示模块均由直流电源供电。

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