CN104749396A - 一种基于波长调制-tdlas的高速气流流速检测系统 - Google Patents

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CN104749396A CN201510133415.0A CN201510133415A CN104749396A CN 104749396 A CN104749396 A CN 104749396A CN 201510133415 A CN201510133415 A CN 201510133415A CN 104749396 A CN104749396 A CN 104749396A
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刘文清
贾良权
阚瑞峰
刘建国
姚路
阮俊
许振宇
魏敏
张光乐
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Abstract

本发明公开了一种基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统,包括激光器模块、高速气流模块、信号采集和数据处理模块以及上位机,激光器模块发射的两路激光位于高速气流流速方向的同一侧,一路顺着高速气流流速方向,一路逆着高速气流流速方向,均和高速气流流速不成90°夹角,位于高速气流后方的信号采集和数据处理模块接收并处理高速气流的吸收光谱二次谐波信号,得到高速气流信息。本发明操作简单、测量精度高,能消除背景信号、激光强度波动和光电放大系数等因素的影响,解决了目前高速气流中测量需要直接接触气体源导致气流受到干扰的难题,能够用于高温、高流速、振动等恶劣环境的检测,从而拓宽了WMS技术的应用范围。

Description

-种基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统
技术领域
[0001] 本发明设及气流测量领域,特别设及一种基于波长调制-TDLAS的高速气流流速 检测系统。
背景技术
[0002] 目前国内外吸气式发动机的流速测量方法主要有四种方法,1是利用皮托管基于 流体力学的流量方程来测量流速,2是利用热线/热膜测速仪器利用放置在流场中具有加 热电流的细金属丝(直径0. 5~5ym)来测量流速的仪器,3是利用激光多普勒粒径分析仪 利用流体中运动微粒散射光的多普勒频移来获得流体速度信息,利用4是利用使用粒子图 像测速仪(PIV),皮托管对流场的干扰较大,热线风速仪有无法弥补的原理性缺陷,如热丝 长细比、需要标定等,,对被测流场产生也会产生干扰,激光多普勒测速仪的最大优点在于 测量的非接触性,但强调它是非接触式测量的同时必须说明其测量结果并不是流体流动 的速度,而是示踪颗粒的速度采用机械式仪表进行直接测量,容易对流场造成干扰,测量 精度也受到一定影响,PIV是目前发展最快的测量流速方法,但是其测量的结果仍然只是颗 粒的运动速度,也需要示踪粒子的问题。
[0003] 因此,迫切需求一种非接触式不干扰流场、无需示踪粒子的新型测量手段。
[0004] TDLAS(I\m油le Diode Laser Abso;rption Spectroscopy)是近些年发展起来的、 先进的、可直接测量气体参数的检测技术,该技术利用波长可调谐的窄带激光扫描气体分 子特征吸收谱线,通过分析吸收光谱谐波信号中屯、频率的偏移,得到待测气体速度,因此具 有极高的波长选择性、高灵敏度、系统通用性等优点。
[0005] TDLAS技术主要有直接吸收光谱技术和波长调制光谱技术为主的两种测量方法。 直接吸收光谱技术通过入射光强和透射光强的比值直接拟合气体吸收率函数,进而通过吸 收率函数测量气体温度,但直接吸收在测量中容易受到颗粒物浓度、激光强度波动等因素 的影响而无法精确拟合气体吸收率函数,进而导致温度测量误差。而波长调制光谱技术 (Wavelength Modulation Spectroscopy, WM巧在测量过程中通过对目标信号进行高频调 审IJ,而非目标信号由于没有经过调制在后续的谐波检测过程中被除去,因此可W有效地降 低测量系统中背景信号的干扰,极大地提高温度测量精度和灵敏度,尤其适用于恶劣环境 或弱吸收条件下气体温度的在线测量
[0006] 基于波长调制TDLAS技术的流速测量方法,利用吸收气体的二次谐波信号来反演 气体流速信息,能够提取微弱的吸收信号、具有很高的信噪比,适宜于高速气流气源环境的 测量具有非接触测量、动态响应快、测量精度高、测量量程大、易小型化等特点。
发明内容
[0007] 本发明的目的为了克服现有高速气体测量的缺陷,解决高速气流发生装置中气体 流速测量需要直接接触气体或采用示踪粒子的问题,同时为提供一种可提高即时测定的信 赖性的装置,提出一种非接触式,无需示踪粒子的一种基于波长调制-TDLAS的高速气流流 速检测的简易系统。
[000引本发明采用波长调制可调谐激光二极管吸收光谱技术,利用多普勒频移计算气体 流速算法,可W对特定气体进行有选择性地测定的气体流速测定系统。
[0009] 本发明的具体技术方案如下;
[0010] 一种基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统,包括有激光器模块、高速气 流模块、信号采集和数据处理模块W及上位机,其特征在于:所述激光器模块包括激光器、 激光器驱动电路、控制激光器驱动电路的信号调制和扫描电路、加法电路;还包括设置在激 光器输出激光光路上的分束器、两路准直器;所述信号采集和数据处理模块包括位于准直 器焦点上的探测器、依次连接探测器的放大电路、信号采集电路和数据处理模块,还包括信 号采集控制模块;所述信号调制和扫描电路、激光器驱动电路W及信号采集电路连接信号 采集控制模块;所述数据处理模块位于上位机软件内;所述信号调制和扫描电路的输出信 号经加法电路处理后作用到激光器驱动电路上,激光器驱动电路控制激光器输出激光,激 光器输出激光经分束器和两路准直器器后,位于高速气流流速方向的同一侧,一路顺着高 速气流流速方向,一路逆着高速气流流速方向穿过气流,均和高速气流流速不成90°夹角, 之后被信号采集和数据处理模块接收,信号采集和数据处理模块接收并处理通过高速气流 得到的高速气流吸收光谱二次谐波信号,得到高速气流信息。
[0011] 还包括连接在采集电路的标准具,所述标准具对激光器扫描波长进行定标。
[0012] 所述信号调制和扫面电路包括信号发生器和函数信号发生器,用于向加法电路输 出选定频率、幅值、相位的正弦波调制信号和银齿波扫描信号;所述加法电路将调制扫描电 路的信号相加;所述激光器驱动电路包括温度控制电路和电流驱动电路,采用ITC102激光 器驱动器,该激光驱动器利用加法电路输出信号控制激光器的输出激光波长与频率,所述 激光器为Nanoplus公司的DFB激光器,其输出激光为探测氧气用的波长761nm激光,或探 测水汽用的波长1392皿激光。
[0013] 所述高速气流模块为超音速风洞,所述超音速风洞的试验段设置有一个观测窗 口,所述观测窗口的两侧分别放置有准直器和探测器。
[0014] 所述的分束器为两等分功率光分束器;
[0015]所述的采集电路采用德国Spectrum公司M2i. 4021采集卡,该采集卡为12位位 宽,最局义用速率20Msps。
[0016] 信号采集和数据处理模块接收并处理高速气流吸收光谱的二次谐波信号,其工作 流程如下
[0017] (1)信号采集模块采集探测器探测到的两路高速气流的吸收光谱信号,一路为待 测信号,一路为参考信号,在上位机控制模块中设置信号采集模块的基本参数;
[0018] (2)数据处理模块对采集的高速气流的吸收光谱二次谐波信号进行预处理并结合 数字锁相算法提取二次谐波信号,首先对采集的待测信号进行累加平均、小波滤波处理等 去噪处理,再利用数字锁相算法提取二次谐波信号,数据采集控制模块中设置参考信号频 率,幅值,初始相位,数字滤波器的参数;
[0019] (3)采用最小二乘拟合对提取得到二次谐波信号进行数据拟合;
[0020] (4)高速气流流速信息反演;计算拟合后的两路二次谐波的中屯、频率0 1、0 2及其 差值IU1-U2I,根据多普勒频移测量流速原理,计算出高速气流信息。
[0021] 本发明工作时,信号发生器产生调制和扫描两路信号,扫描信号为频率lOOHz、峰 峰值为1. 2V的银齿波;调制信号为频率50曲Z、峰峰值为40mv的正弦波,调制信号和扫描 信号叠加后,送入电流驱动电路,电流驱动电路输出信号接入DFB激光器,激光器输出波长 根据调制和扫描信号进行变化,激光器输出信号通过两等分功率光分束器,接入到位于高 速气流装置实验段的两路准直器中,准直器光路在观察窗口侧与气流成一定夹角,准直器 输出的激光束透过气流进入探测器,探测器接收到吸收光谱信号后输出到放大电路,放大 电路对探测器输出的电压信号放大到合适的观察范围,再利用数据采集卡对放大器输出信 号进行采集,采集的数据信号送到上位机数据处理软件进行在线处理或者后续离线处理。
[0022] 所述数据处理的软件分为前面板界面和后台程序。
[0023] 本发明所述波长调制原理为:
[0024] 当一束强度为I。,频率为V的激光,通过光程为L的气体池,输出光强I与I。关 系为:
[002引 I(W) = 10 (W)exp(- 0 (W)LN) (1)
[0026] 式中0 (W)为吸收系数,L为吸收光程长度,N为吸收气体的浓度。
[0027] 当激光器的中屯、频率受到频率为《m的正弦波调制时,其瞬时频率可表示为;
[002引 0 = 0L+5 «COS(«mt) (2)
[0029] 式中5 «是调制幅度。激光束通过样吸收池后,其强度可W用的余弦傅 里叶级数来表示:
[0030]
Figure CN104749396AD00061
(3)
[0031] I 每个谐波分量用锁相放大器可W测得为:
[00 对
Figure CN104749396AD00062
(4)
[003引 式中 0 = «mt。
[0034] 对于卵m量级的弱吸收气体而言,0LN«1,不考虑光强调制效应,1。( 0^+5 «cos 0 ) I(«L) > 1。,可得到:
[00 对
Figure CN104749396AD00063
(5)
[0036] 对上式中的0 («)在0^处进行泰勒级数展开,整理(5)式得到:
[0037]
Figure CN104749396AD00064
(6)
[003引可W看出n次谐波的幅值正比于吸收系数0 (W)的n次导数、原始光强I。、吸收 光程长度LW及吸收气体的浓度N。
[0039] 任意次谐波分量与气体浓度成正比,因此都可W用来表示气体的浓度等特性,实 际应用时,一般多使用二次谐波,二次谐波分量如式(7)所示:
[0040]
Figure CN104749396AD00065
(7)
[0041] 本发明所述流速测量原理如下:
[0042] 根据激光多普勒原理,当气流流速在激光传输方向上有速度分量时,激光接收频 率与实际激光发生频率之间有一定的偏移,二者频率之差即为多普勒频移,其频移公式 为:
[0043]
Figure CN104749396AD00071
(8)
[0044] 其中,U。为无频移时气体吸收线中屯、频率,0为激光束方向和气流速度方向的夹 角,C为光速,Vgas为待测气体流速。
[0045] 实际测量中,往往采用双光路方法,如附图3所示,利用吸收谱线的二次谐波的频 移来反演气体流速。双光路可W抵消实验系统中由于环境因素变化导致的频移偏差。双光 路测量气体流速计算公式为:
[0046]
Figure CN104749396AD00072
(9)
[0047] 其中0 1,0 2分别是两路激光束与气流的夹角。
[0048] 本发明的有益效果体现在:
[0049] 本系统能够实现PPM量级的高速气流的在线实时快速测量;同时,本系统在工作 的时候采用的非接触测量,不会干扰高速气流气源;再者,本系统工作的时候无需示踪粒 子,无需高速相机,大大节约了设备成本。
附图说明
[0化日]附图1为本发明的结构示意图;
[0051] 附图2为本发明的信号采集和数据处理模块工作流程图;
[0化2]附图3为本发明的双路激光与高速气流作用示意图。
具体实施方式
[0化3]如图1所示,一种基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统,包括有激光器 模块、高速气流模块、信号采集和数据处理模块W及上位机,其特征在于:所述激光器模块 包括激光器、激光器驱动电路、控制激光器驱动电路的信号调制和扫描电路、加法电路;还 包括设置在激光器输出激光光路上的分束器、两路准直器;所述信号采集和数据处理模块 包括位于准直器焦点上的探测器、依次连接探测器的放大电路、信号采集电路和数据处理 模块,还包括信号采集控制模块;所述信号调制和扫描电路、激光器驱动电路W及信号采集 电路连接信号采集控制模块;所述数据处理模块位于上位机软件内;所述信号调制和扫描 电路的输出信号经加法电路处理后作用到激光器驱动电路上,激光器驱动电路控制激光器 输出激光,激光器输出激光经分束器和两路准直器器后,如图3所示,位于高速气流流速方 向的同一侧,一路顺着高速气流流速方向,一路逆着高速气流流速方向穿过气流,均和高速 气流流速不成90°夹角,之后被信号采集和数据处理模块接收,信号采集和数据处理模块 接收并处理通过高速气流得到的高速气流吸收光谱二次谐波信号,得到高速气流信息。 [0化4] 还包括连接在采集电路的标准具,所述标准具对激光器扫描波长进行定标。
[0化5] 所述信号调制和扫面电路包括信号发生器和函数信号发生器,用于向加法电路输 出选定频率、幅值、相位的正弦波调制信号和银齿波扫描信号;所述加法电路将调制扫描电 路的信号相加;所述激光器驱动电路包括温度控制电路和电流驱动电路,采用ITC102激光 器驱动器,该激光驱动器利用加法电路输出信号控制激光器的输出激光波长与频率,所述 激光器为Nanoplus公司的DFB激光器,其输出激光为探测氧气用的波长761nm激光,或探 测水汽用的波长1392皿激光。
[0056] 所述高速气流模块为超音速风洞,所述超音速风洞的试验段设置有一个观测窗 口,所述观测窗口的两侧分别放置有准直器和探测器。
[0化7] 所述的分束器为两等分功率光分束器;
[0化8] 所述的采集电路采用德国Spectrum公司M2i. 4021采集卡,该采集卡为12位位 宽,最局义用速率20Msps。
[0化9] 如图2所示,所述信号采集和数据处理模块接收并处理高速气流吸收光谱的二次 谐波信号,其工作流程如下
[0060] (1)信号采集模块采集探测器探测到的两路高速气流的吸收光谱信号,一路为待 测信号,一路为参考信号,在上位机控制模块中设置信号采集模块的基本参数;
[0061] (2)数据处理模块对采集的高速气流的吸收光谱二次谐波信号进行预处理和并结 合数字锁相算法提取二次谐波信号,首先对采集的待测信号进行累加平均、小波滤波处理 等去噪处理,再利用数字锁相算法提取二次谐波信号,数据采集控制模块中设置参考信号 频率,幅值,初始相位,数字滤波器的参数。
[0062] (3)采用最小二乘拟合对提取得到二次谐波信号进行数据拟合;
[0063] (4)高速气流流速信息反演;计算拟合后的两路二次谐波的中屯、频率0 1、0 2及其 差值IU1-U2I,根据多普勒频移测量流速原理,计算出高速气流信息。
[0064] 本发明工作时,信号发生器产生调制和扫描两路信号,扫描信号为频率lOOHz、峰 峰值为1. 2V的银齿波;调制信号为频率50曲Z、峰峰值为40mv的正弦波,调制信号和扫描 信号叠加后,送入电流驱动电路,电流驱动电路输出信号接入DFB激光器,激光器输出波长 根据调制和扫描信号进行变化,激光器输出信号通过两等分功率光分束器,接入到位于高 速气流装置实验段的两路准直器中,准直器光路在观察窗口侧与气流成一定夹角,准直器 输出的激光束透过气流进入探测器,探测器接收到吸收光谱信号后输出到放大电路,放大 电路对探测器输出的电压信号放大到合适的观察范围,再利用数据采集卡对放大器输出信 号进行采集,采集的数据信号送到上位机数据处理软件进行在线处理或者后续离线处理。 [00化]所述数据处理的软件分为前面板界面和后台程序。
[0066] 本发明所述波长调制原理为:
[0067] 当一束强度为I。,频率为V的激光,通过光程为L的气体池,输出光强I与I。关 系为:
[0068] I(w) = 1〇 (w)exp(- 〇 (w)LN) (1)
[0069] 式中0(w)为吸收系数,L为吸收光程长度,N为吸收气体的浓度。
[0070] 当激光器的中屯、频率受到频率为《m的正弦波调制时,其瞬时频率可表示为;
[0071] 〇 = 〇L+5«COS(«mt) (2)
[0072] 式中5 «是调制幅度。激光束通过样吸收池后,其强度可W用的余弦傅 里叶级数来表示:
[0073]
Figure CN104749396AD00091
(3)
[0074] I(0^)每个谐波分量用锁相放大器可W测得为:
[0075]
Figure CN104749396AD00092
(4)
[0076] 式中 0 = «mt。
[0077]对于卵m量级的弱吸收气体而言,0LN«1,不考虑光强调制效应,1。(《1+5OCOS 白)>I〇L) 1〇,可得到:
[007引
Figure CN104749396AD00093
W
[0079] 对上式中的0 («)在0^处进行泰勒级数展开,整理(5)式得到:
[0080]
Figure CN104749396AD00094
(6)
[0081] 可W看出n次谐波的幅值正比于吸收系数0 (W)的n次导数、原始光强I。、吸收 光程长度LW及吸收气体的浓度N。
[0082] 任意次谐波分量与气体浓度成正比,因此都可W用来表示气体的浓度等特性,实 际应用时,一般多使用二次谐波,二次谐波分量如式(7)所示:
[008引
Figure CN104749396AD00095
(7)
[0084] 本发明所述流速测量原理如下:
[0085] 根据激光多普勒原理,当气流流速在激光传输方向上有速度分量时,激光接收频 率与实际激光发生频率之间有一定的偏移,二者频率之差即为多普勒频移,其频移公式 为:
[0086]
Figure CN104749396AD00096
(8)
[0087] 其中,U。为无频移时气体吸收线中屯、频率,0为激光束方向和气流速度方向的夹 角,C为光速,Vgas为待测气体流速。
[008引实际测量中,往往采用双光路方法,如附图3所示,利用吸收谱线的二次谐波的频 移来反演气体流速。双光路可W抵消实验系统中由于环境因素变化导致的频移偏差。双光 路测量气体流速计算公式为:
[0089]
Figure CN104749396AD00097
[0090] 其中0 1,0 2分别是两路激光束与气流的夹角。U12为两路二次谐波吸收信号的 频移差值。

Claims (7)

1. 一种基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统,包括有激光器模块、高速气流 模块、信号采集和数据处理模块以及上位机,其特征在于:所述激光器模块包括激光器、激 光器驱动电路、控制激光器驱动电路的信号调制和扫描电路、加法电路;还包括设置在激光 器输出激光光路上的分束器、两路准直器;所述信号采集和数据处理模块包括位于准直器 焦点上的探测器、依次连接探测器的放大电路、信号采集电路和数据处理模块,还包括信号 采集控制模块;所述信号调制和扫描电路、激光器驱动电路以及信号采集电路连接信号采 集控制模块;所述数据处理模块位于上位机软件内;所述信号调制和扫描电路的输出信号 经加法电路处理后作用到激光器驱动电路上,激光器驱动电路控制激光器输出激光,激光 器输出激光经分束器和两路准直器器后,位于高速气流流速方向的同一侧,一路顺着高速 气流流速方向,一路逆着高速气流流速方向穿过气流,均和高速气流流速不成90°夹角,之 后被信号采集和数据处理模块接收,信号采集和数据处理模块接收并处理通过高速气流得 到的高速气流吸收光谱二次谐波信号,得到高速气流信息。
2. 根据权利要求1所述的基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统,其特征在 于:还包括连接信号采集电路的标准具,对激光器扫描波长进行标定。
3. 根据权利要求1所述的基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统,其特征在 于:所述信号调制和扫描电路包括函数信号发生器,用于向加法电路输出选定频率、幅值、 相位的正弦波调制信号和锯齿波扫描信号;所述激光器驱动电路包括温度控制电路和电流 驱动电路,采用ITC102激光器驱动器,该激光驱动器利用加法电路输出信号控制激光器的 输出激光波长与频率,所述激光器为Nanoplus公司的DFB激光器,其输出激光为探测氧气 用的波长761nm激光,或探测水汽用的波长1392nm激光。
4. 根据权利要求1所述的基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统,其特征在 于:所述高速气流模块为超音速风洞,所述超音速风洞的试验段设置有一个观测窗口,所述 观测窗口的两侧分别放置有准直器和探测器。
5. 根据权利要求1所述的基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统,其特征在 于:所述的分束器为两等分功率光分束器。
6. 根据权利要求1所述的基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统,其特征在 于:所述的信号采集电路采用德国Spectrum公司M2i. 4021采集卡,该采集卡为12位位宽, 最高采用速率20Msps。
7. 根据权利要求1所述的基于波长调制-TDLAS的高速气流流速系统,其特征在于:所 述信号采集和数据处理模块接收并处理高速气流吸收光谱的二次谐波信号的工作流程如 下: (1) 信号采集模块采集探测器探测到的两路高速气流的吸收光谱信号,一路为待测信 号,一路为参考信号,在上位机控制模块中设置信号采集模块的基本参数; (2) 数据处理模块对采集的高速气流的吸收光谱二次谐波信号进行预处理和并结合数 字锁相算法提取二次谐波信号,首先对采集的待测信号进行累加平均、小波滤波处理等去 噪处理,再利用数字锁相算法提取二次谐波信号,数据采集控制模块中设置参考信号频率, 幅值,初始相位,数字滤波器的参数。 (3) 采用最小二乘拟合对提取得到二次谐波信号进行数据拟合; (4) 高速气流流速信息反演:计算拟合后的两路二次谐波的中心频率u p u 2及其差值 U r u 21,根据多普勒频移测量流速原理,计算出高速气流信息。
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