CN106017725B - 一种适用于燃烧流场气体二维重建的测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于燃烧流场气体二维重建的多光路多角度测量装置。包括电控旋转台、电控平移台、激光发射接收端面、激光耦合器、多通道数据采集卡、激光控制器、平移台控制器、标准具、激光器、探测器、计算机。测量装置采用全光纤发射接收，激光发射接收端面的两端分别固定在两个电控平移台上，使得装置最大测量区域为350mm×350mm，可调节最小平移距离为1mm。平移台底端固定在电控旋转台上，使得整个测量装置能够进行360°旋转测量，可调节最小旋转角度为1°。激光控制器用于控制激光的输出波长，标准具用于激光频率校准，探测器将采集的光信号转换为电信号，传输给数据采集卡进行处理。整套装置测量范围宽、测量精度高，可以实现对高温燃烧流场的二维测量。
Description
技术领域
本发明属于流场光学测量技术领域，涉及可调谐半导体激光吸收光谱技术，是针对燃烧流场气体二维重建开发的通用、可靠的测量装置。
背景技术
随着航空航天技术的不断发展和国防建设需求的日益增长，发动机燃烧流场诊断和性能评估受到越来越多的关注。高效的燃烧流场测量手段，可以为提升发动机的燃烧效率提供重要参考。传统的流场测量主要采用接触式测量手段，如气动式速度探针、气体取样探针、热电偶温度探针等。接触式测量存在维护成本高、故障率高、响应速度慢、不便于携带和安装等不足，而且侵入式的探针会破坏被测流场，产生激波，对气流干扰严重，影响测量的准确性。因此，发展先进的非接触测量手段势在必行。
可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)是一种在线测量技术，具有灵敏度高、抗噪声能力强、环境适应性强等优势，近年来已经广泛应用于燃烧和推进流场的诊断研究。TDLAS是一种视线测量技术，只能获取沿着光路方向的平均值，然而在实际流场中由于流动混合、相变、化学反应、与壁面的热交换等效应的存在，使得沿着光线传播方向有明显的梯度变化，单一路径上气体的平均参数不能满足准确预测气体流动特性的要求。因此，需要增加同一平面上的光线空间分布信息，满足获取气体二维分布的要求。但是由于燃烧流场测量空间有限，对测量装置结构设计提出了更高的要求。此外，由于实验装置中需要采集几十多条光路数据，实验中数据量非常大，对测量装置的结构、测量方法、数据传输和数据处理都提出了很高的要求。
面对燃烧流场气体二维重建测量的挑战，如何设计测量装置、改进测量方法、减少测量时间、提高测量精度，实现燃烧流场气体温度和组分浓度的二维测量的目的，是本领域技术人员极为关注的技术问题。
下述文献报道涉及燃烧流场气体二维重建测量方法和实验装置设计的相关内容。
1.美国弗吉尼亚大学E Bryner等人在论文“Tunable diode laser absorptiontechnique development for determination of spatially resolved waterconcentration and temperature”(48th AIAA Aerospace Sciences Meeting includingthe New Horizons Forum and Aerospace Exposition，AIAA-2010-0299)采用滤波反投影方法测量了燃烧室出口处的温度和组分浓度二维分布，由于需要对被测区域完全投影，实验采用移动旋转方式采集了72个角度共1800条光线数据，实验数据采集耗时近一小时。
2.美国空军实验室Michael S.Bown的论文“Application of Diode-Laser-BasedMeasurements in Hypersonic Flows”(50th AIAA Aerospace Sciences Meetingincluding the New Horizons Forum and Aerospace Exposition,AIAA-2012-0555)针对HIFiRE-2燃烧室出口的温度和H2O的浓度分布，开展了地面实验，在出口水平方向安装6路，垂直方向安装8路激光光路，燃烧室出口的温度和H2O的浓度二维分布。由于实验中只有两个方向投影，得到的结果只能用于定性分析。
3.北京航空航天大学徐立军等人的论文“Tunable diode laser absorptionspectroscopy-based tomography system for on-line monitoring of two-dimensional distributions of temperature and H2O mole fraction”(Review ofScientific Instruments，2016年第87卷第1期)采用扇形光束投影方式，选用5个投影角度，并且使用圆柱棱镜进行分光，共得到60条光线，有效减少激光发射器数目。实验装置中的柱透镜、变形棱镜等均是需要固定在实验平台上，且占用空间较大，实验装置只适用于实验室桌面实验研究，用于发动机燃烧流场测量较为困难。
4.中国科学院力学研究所李飞等人的论文“基于TDLAS的层析成像技术TDLAS”(2014年第46卷第1期)设计了一套基于6条平行光束的旋转测量装置。实验中由于硬件条件的限制，旋转角度为90度，使得重建结果的误差较大。
发明内容
本发明的目的是设计一种适用于燃烧流场气体二维重建的多光路多角度测量装置。该发明首次采用电控旋转台和电控平移台相结合的方式实现对燃烧流场气体参数的多光路多角度二维测量。发明中的测量装置采用全光纤耦合结构实现探测设备的嵌入式、插拔式使用，节省了实验空间，提高了装置通用性。发明中的数据采集部件采用探测器阵列和多通道数据采集设计，可以实现16条光路数据同步采集。利用该实验装置，可以实现针对燃烧流场如航空发动机，冲压发动机、脉冲爆震发动机、燃煤炉等内部流场参数的二维测量，特别针对测量空间受限的燃烧流场区域可以实现密集光路、多投影角度的二维测量。
本发明提供了一种适用于燃烧流场气体二维重建的测量装置，包括电控旋转台、电控平移台组合、激光发射接收端面、被测区域、激光耦合器组合、激光发射器、标准具、探测器阵列、激光器、多通道数据采集卡、平移台控制器、激光控制器、计算机，其特征在于：
DFB激光器发射激光后经1×2光纤分束器合成一路后，再通过1×2光纤分束器分束，其中一路光线通过激光发射器发出后经过标准具被探测器阵列接收，另一路光线通过1×16光纤分束器分成16条光线，16条光线由单模光纤传输到发射探头，引导激光进入被测区域，激光穿出被测区域由接收探头内的大直径的耦合透镜捕获，后经多模光纤传输进入探测器阵列，探测器阵列将光信号转换为电信号，传输给多通道数据采集卡，数据采集卡将接收的数据输入到计算机进行数据处理。
激光发射接收端面是测量装置的关键执行部件，四个侧壁分别安装有发射探头和接收探头，通过固定板连接在电控平移台上。利用发射探头和接收探头经由光纤将激光引入和引出被测流场区域，实现测量装置的全光纤耦合。通过电控平移台和电控旋转台控制激光发射接收端面，实现对被测区域多光路多角度的平面二维测量。
本发明的优势是：
1.结构紧凑。采用全光纤耦合设计，可以有效较少发射探头和接收探头的尺寸，实现探测设备的嵌入式使用，节省测量空间。
2.精度较高。采用移动和旋转相结合的光线投影方式，可以实现对被测流场多投影角度、多光路的二维测量，避免了由于投影光线不足引起的重建误差，极大的提高测量精度。
3.控制方便。采用电控平移台和电控旋转台控制激光发射接收端面的移动，实现对被测区域的自动化测量，节省测量时间，提高测量效率。此外，采用全光纤耦合结构，可以实现插拔式使用，操作简单。
4.通用性强。可以实现对350mm×350mm以内的测量区域进行二维测量，可以根据实际流场环境调整移动范围和旋转角度，满足不同量级、不同类型的燃烧流场的二维测量。
附图说明
图1为二维重建测量装置示意图；
图2为旋转平移台示意图；
图3为温度场二维重建测量结果；
图3(a)10个投影角度的光线分布图；
图3(b)测量区域温度测量结果；
图3(c)为150mm×150mm炉面区域温度测量结果。
图中：1-电控旋转台；2-电控平移台组合；3-激光发射接收端面；4-被测区域；5-激光耦合器组合；6-激光发射器；7-标准具；8-探测器阵列；9-激光器；10-多通道数据采集卡；11-平移台控制器；12-激光控制器；13-计算机。
具体实施方式
下面结合附图对燃烧流场气体二维重建测量装置作进一步的详细说明描述。
图1给出了二维重建测量装置示意图，测量装置包括电控旋转台(1)、电控平移台组合(2)、激光发射接收端面(3)、被测区域(4)、激光耦合器组合(5)、激光发射器(6)、标准具(7)、探测器阵列(8)、激光器(9)、多通道数据采集卡(10)、平移台控制器(11)、激光控制器(12)、计算机(13)。
图2给出了旋转平移台示意图，其中包括电控旋转台(1)、电控平移台(201、202)、两个固定板(203、204)、固定框架(301)、发射探头(302)和接收探头(303)。电控平移台底座通过四个螺丝固定在电控旋转台旋转面上，电控平移台台面上安装固定支柱，固定支柱另外一端安装固定板，固定框架底侧分别与两块固定板连接。
固定框架选用不锈钢材料，为矩形框结构，外框长280mm，宽275mm，厚28mm，内框为正方形，长250mm。固定框架四个侧壁分别开八个螺纹孔，其中用于安装发射探头和接收探头，螺纹孔直径为24mm。电控旋转台选用合金铝材料，旋转盘外径350mm，旋转盘内径196mm，最大旋转角度为360°，最大旋转速度14°/s，最小步进角度为1°。通过平移控制台实现电控旋转台的轴向旋转，进而实现固定框架的自动旋转。电控平移台的最大行程为100mm，最大速度20mm/s，最小移动距离1mm。通过平移台控制器实现电控平移台的同步水平移动，进而实现固定框架的水平移动。
发射探头选用不锈钢材料，拥有三个角度调节螺钉，通过手动拧紧或放松的方式调节激光的发射方向，同时拥有一个锁死机构，一旦调节到正确的位置，就可以进行固定。发射探头内有聚焦透镜，用于发射光束的准直，聚焦透镜两端配有密封圈，可以避免透镜在锁紧时被压坏。
测量装置采用全光纤耦合结构即光纤发射、光纤接收。单模光纤与发射探头连接，引导激光进入被测区域。激光穿出被测区域由接收探头内的大直径的耦合透镜捕获后经多模光纤传输进入探测器阵列。探测器阵列由17个InGaAs探测器构成，带宽为4MHz，光敏面直径为3mm，探测波长范围为波长范围为800nm～1700nm，实现对近红外波段H2O吸收光谱的测量。
本发明装置工作在燃烧环境下，其工作过程过程如下：首先，两台DFB激光器发射激光后经1×2的50/50光纤分束器合成一路光后，通过1×2的90/10光纤分束器分束，其中一路光线通过激光发射器发出后经过标准具被探测器阵列接收，另一路光线通过1×16光纤分束器分成16条光线，16条光线由单模光纤传输到发射探头，引导激光进入被测区域，激光穿出被测区域由接收探头内的大直径的耦合透镜捕获，后经多模光纤传输进入探测器阵列，探测器阵列将光信号转换为电信号，传输给多通道数据采集卡，数据采集卡将接收的数据输入到计算机进行数据处理。通过控制电控旋转台旋转测量装置，实现对被测区域不同投影角度的测量；通过控制电控平移台水平移动测量装置，实现对被测区域不同投影光线数目的测量。
图3给出了温度场二维重建测量结果。其中图3(a)10个投影角度的光线分布图，图3(b)测量区域温度测量结果，图3(c)为150mm×150mm炉面区域温度测量结果。投影角度在180°范围内均匀分布，测量空间分辨率为5mm×5mm。重建区域是以炉面中心为圆心，半径为220mm的圆形区域，包含了炉面和周围的室温区域，所测截面距炉面高度为5mm。测量结果表明利用本发明装置，可以实现对燃烧流场气体温度的多光路多角度二维重建测量。
本发明所述的整套装置可以用于燃烧流场气体温度和组分浓度的测量。本发明设计巧妙、结构紧凑、便于拆装、易于操作、通用性强，适用于温度在1500K以内、测量区域范围在350mm×350mm以内的燃烧流场温度和浓度二维测量。
Claims (7)
1.一种适用于燃烧流场气体二维重建的测量装置，其特征在于：所述装置包括电控旋转台(1)、电控平移台组合(2)、激光发射接收端面(3)、被测区域(4)、激光耦合器组合(5)、激光发射器(6)、标准具(7)、探测器阵列(8)、激光器(9)、多通道数据采集卡(10)、平移台控制器(11)、激光控制器(12)、计算机(13)；电控平移台组合(2)由两个电控平移台(201、202)、两个固定板(203、204)和四个固定支柱(205、206、207、208)组成；电控平移台(201、202)底座通过螺丝固定在电控旋转台(1)旋转面上；电控平移台(201、202)台面安装固定支柱(205、206、207、208)；固定支柱(205、206)和固定支柱(207、208)分别与固定板(203、204)连接；激光发射接收端面(3)由固定框架(301)、16个发射探头(302)、16个接收探头(303)组成；固定框架(301)的四个侧壁分别有8个圆孔，用于安装16条发射探头(302)、16条接收探头(303)；固定框架(301)底侧分别与固定板(203、204)连接；激光耦合器组合(5)包括1×2光纤分束器(501、502)、和1×16光纤分束器(503)；激光器(9)由中心波长不同的DFB激光器(901、902)组成；DFB激光器(901、902)发射激光后经1×2光纤分束器(501)合成一路后，再通过1×2光纤分束器(502)分束，其中一路光线通过1×16光纤分束器(503)分成16条光线，16条光线由光纤传输到发射探头(302)；1×2光纤分束器(502)分束的另外一路光线通过单模光纤传输到激光发射器(6)；标准具(7)接收激光发射器(6)发出的自由光；探测器阵列(8)由17个InGaAs探测器组成；探测器阵列(8)接收标准具(7)和接收探头(303)由光纤传递的光信号；探测器阵列(8)将光信号转换为电信号，通过同轴电缆将信号输入给多通道数据采集卡(10)；多通道数据采集卡(10)将接收的数据输入到计算机(13)；平移台控制器(11)与电控旋转台(1)、电控平移台(201、202)连接；激光控制器(12)与DFB激光器(901、902)连接。
2.如权利要求1所述的一种适用于燃烧流场气体二维重建的测量装置，其特征在于：固定框架(301)选用不锈钢材料，为矩形框结构，外框长280mm，宽275mm，厚28mm，内框为正方形，长250mm；固定框架(301)四个侧壁分别开八个螺纹孔，其中用于安装发射探头(302)的螺纹孔直径为24mm，安装接收探头(303)的螺纹孔直径为24mm。
3.如权利要求1所述的一种适用于燃烧流场气体二维重建的测量装置，其特征在于：发射探头(302)选用不锈钢材料，发射探头(302)拥有三个角度调节螺钉，通过手动拧紧或放松的方式调节激光的发射方向，同时拥有一个锁死机构，一旦调节到正确的位置，就可以进行固定；发射探头(302)内有聚焦透镜，用于发射光束的准直，聚焦透镜两端配有密封圈，可以避免透镜在锁紧时被压坏。
4.如权利要求1所述的一种适用于燃烧流场气体二维重建的测量装置，其特征在于：测量装置采用全光纤耦合结构即光纤发射、光纤接收；单模光纤与发射探头(302)连接，引导激光进入被测区域(4)；激光穿出被测区域(4)由接收探头(303)内的大直径的耦合透镜捕获后经多模光纤传输进入探测器阵列(8)；其中发射端的单模光纤芯径9μm；接收端的多模光纤芯径400μm。
5.如权利要求1所述的一种适用于燃烧流场气体二维重建的测量装置，其特征在于：电控旋转台(1)为高精密电控旋转台,电控旋转台(1)选用合金铝材料，旋转盘外径350mm，旋转盘内径196mm，最大旋转角度为360°，最大旋转速度14°/s，最小步进角度为1°，通过平移台控制器(11)实现电控旋转台(1)的水平旋转，进而实现固定框架(301)的自动旋转。
6.如权利要求1所述的一种适用于燃烧流场气体二维重建的测量装置，其特征在于：电控平移台(201、202)最大行程为100mm，最大速度20mm/s，最小移动距离1mm；通过平移台控制器(11)实现电控平移台(201、202)的同步水平移动，进而实现固定框架(301)的水平移动。
7.如权利要求1所述的一种适用于燃烧流场气体二维重建的测量装置，其特征在于：探测器阵列(8)由17个InGaAs探测器构成，带宽为4MHz，光敏面直径为3mm，探测波长范围为800nm～1700nm，实现对近红外波段H2O吸收光谱的测量。
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