CN106568479A - 一种波长调制吸收法同步测量流场压强、温度、浓度的方法 - Google Patents

一种波长调制吸收法同步测量流场压强、温度、浓度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种波长调制吸收法同步测量流场压强、温度、浓度的方法，采用波长调制吸收信号的宽度来反演流场压强，然后利用压强对调制吸收信号强度的影响曲线修正压强对调制吸收信号的强度的影响，最后利用常规的TDLAS双线法测量原理反演流场的温度和组分浓度。利用本发明方法能够精确测量压强动态变化或高压强环境下的流场温度和浓度，同时该方法还实现了流场压强的同步测量，突破了常规压力传感器仅能实现壁面压力测量的限制。

Description

一种波长调制吸收法同步测量流场压强、温度、浓度的方法
技术领域
本发明涉及一种流场参数非接触测量方法，特别是涉及利用激光吸收光谱技术进行气体流场参数(压强、温度、组分浓度等)的探测。
背景技术
TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)技术，即可调谐二极管激光吸收光谱技术。它是基于二极管激光器的窄线宽和波长快速调谐特性，实现对探测组分的单条或多条吸收线的扫描测量，通过分析吸收谱线的物理参数可实现探测组分的温度、组分浓度、速度等的测量。
TDLAS波长调制吸收法是通过锁相检测原理将激光光强绝对值的测量转化为某一特定调制频率信号的测量，能够有效抑制其它频段噪声对测量的影响，具有测量灵敏度高和抗干扰能力强的优点，是目前复杂流场(含散射颗粒、压强动态变化)激光吸收光谱探测的主要方法。图1为典型的TDLAS波长调制吸收法原理及装置示意，二极管激光器2的波长受一个锯齿波和正弦波叠加的波形1调制，输出的激光穿过待测流场3后由光电探测器4将光强信号转化为电压信号5，最后经过锁相检测6并输出波长调制吸收信号7。
波长调制吸收法的温度测量一般是利用双线法，即通过同一组分两条吸收线的调制信号强度比值是温度的单值函数来反演流场温度。但是，对于压强动态变化的流场，两条吸收线的调制吸收信号强度7及其比值同样随压强的变化而变化，所以压强变化会给流场温度测量带来偏差。
目前，国际上主要有斯坦福大学C.S.Goldenstein等人(Appl.Phys.B,2014,116:705-716)利用TDLAS波长调制吸收法实现了高压强流场的温度反演计算，但其是利用光谱拟合的方法，即通过调整压强、温度、组分浓度参数使得理论计算信号谱与实验测量谱误差最小。该种方法的主要缺点是需要逐点计算波长调制吸收谱，运算量大，只适用于测量信号的后期处理，不利于研制实时在线测量的TDLAS波长调制吸收传感器。国内尚未见到采用调制吸收信号同步反演流场压强、温度、组分浓度的文献报导。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种采用调制吸收信号同步测量流场压强、温度、组分浓度的方法，解决压强动态变化环境下TDLAS调制吸收法温度与组分浓度测量不可靠的问题。
鉴于波长调制吸收信号的宽度随压强单调变化，且其随温度与组分浓度变化不敏感。本发明的技术解决方案是提供一种波长调制吸收法同步测量流场压强、温度、浓度的方法，包括以下步骤：
步骤一：调制二极管激光器波形，输出激光，所述激光穿过待测流场后由光电探测器将光强信号转化为电压信号，经锁相检测输出波长调制吸收信号；获得调制吸收信号的宽度随待测流场压强变化的曲线；
步骤二：利用调制吸收信号的宽度反演压强；
计算公式为：
P＝f(w) (1)
式中，P为流场的压强，f(w)表示压强随调制信号宽度变化曲线，w表示调制吸收信号宽度；f(w)为采用插值算法对实验测量点的插值函数。
步骤三：计算压强修正系数K，其表达式为：
式中，P为步骤一中获得的压强值，T0为参考温度，H(P,T0)为在参考温度T0下调制吸收信号强度H随压强P变化曲线，下标1，2表示吸收线1与吸收线2；
步骤四：引入压强修正系数，利用TDLAS双线法测量原理计算流场的温度；
式中，h是普朗克常量(J·s)，c是光速(cm·s-1)，k是波尔兹曼常量(J·K-1)，E"是吸收谱线下能级的能量(cm-1)，T0为参考温度(K)，H为测量的吸收线调制吸收信号强度；I(ν)为吸收线处的激光光强，下标1，2表示吸收线1与吸收线2；
步骤五：利用任意一条调制吸收信号强度计算组分浓度，计算公式为：
式中，X是吸收组分的摩尔分数，H为测量的任意一条吸收线的调制吸收强度，P为压强(atm)，L为激光在吸收介质中的传播长度(cm)，S(T)为吸收线的谱线强度(cm-2·atm-1)，H(P,T0)为在参考温度T0下调制吸收信号强度H随压强P变化曲线。
上述的吸收线1与吸收线2分别对应水在1342.114nm与1454.826nm处的吸收谱线。
其中I(ν)采用同步监测激光光强或一次谐波信号的方式获取。
上述二极管激光器的波长受一个锯齿波和正弦波叠加的波形调制。
本发明的有益效果是：
利用本发明方法能够精确测量压强动态变化或高压强环境下的流场温度和浓度，同时该方法还实现了流场压强的同步测量，突破了常规压力传感器仅能实现壁面压力测量的限制。
附图说明
图1典型的TDLAS波长调制吸收法原理及装置示意；
图2本发明的压强、温度、组分浓度反演计算流程图；
图3典型实施例-测量的航空发动机燃烧室压强值；
图4典型实施例-测量的航空发动机燃烧室温度值。
附图标记：1-激光器波长调制波形，2-二极管激光器，3-待测流场，4-光电探测器，5-吸收后的光强，6-锁相检测，7-调制吸收信号。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的描述。
如图2所示，本发明方法采用波长调制吸收信号的宽度来反演流场压强，然后利用压强对调制吸收信号强度的影响曲线修正压强对调制吸收信号的强度的影响，最后利用常规的TDLAS双线法测量原理反演流场的温度和组分浓度。
在航空发动机燃烧室温度测量中，利用TDLAS技术波长调制吸收法对燃烧流场压强、温度进行监测。典型的测量参数为：两条吸收线分别对应水在1342.114nm与1454.826nm处的吸收谱线，激光器采用日本NTT Electronics公司生产NLK1E5EAAA型二极管激光器，其中心波长分别为1342.11nm与1454.83nm，典型功率为10mW；激光控制器采用美国Thorlabs公司生产的ITC502型激光温度电流控制器；激光器的调制参数为：锯齿波频率500Hz、幅度2.5V，正弦波频率为50kHz,幅度0.5V；锁相检测采用瑞士苏伊士公司生产的HF2LI型锁相放大器；探测器为美国Thorlabs公司生产的DET50B型光电二极管。
附图3为测量的航空发动机燃烧室压强值，可以看出本专利所述测量的压强值压强值与压力传感器测量结果基本一致，但比压力传感器的测量值具有更好的频率响应特性，突破了壁面压力测量有一定时间延迟的限制。
附图4为测量的航空发动机燃烧室温度值，可以看出常规的TDLAS双线法测量的温度值偏低且随着压强升高温度逐渐降低，这与发动机的实际工作状况及发动机运行常识不符，而采用本专利所述方法测量的温度能够更加真实的反映实际的发动机工作状况。

Claims (4)

1.一种波长调制吸收法同步测量流场压强、温度、浓度的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：调制二极管激光器波形，输出激光，所述激光穿过待测流场后由光电探测器将光强信号转化为电压信号，经锁相检测输出波长调制吸收信号；获得调制吸收信号的宽度随待测流场压强变化的曲线；
步骤二：利用调制吸收信号的宽度反演压强；
计算公式为：
P＝f(w) (1)
式中，P为流场的压强，f(w)表示压强随调制信号宽度变化曲线，w表示调制吸收信号宽度；
步骤三：计算压强修正系数K，其表达式为：
K = H 2 ( P , T 0 ) H 1 ( P , T 0 ) - - - ( 2 )
式中，P为步骤一中获得的压强值，T0为参考温度，H(P,T0)为在参考温度T0下调制吸收信号强度H随压强P变化曲线，下标1，2表示吸收线1与吸收线2；
步骤四：引入压强修正系数，利用TDLAS双线法测量原理计算流场的温度；
T = h c k ( E 2 ′ ′ - E 1 ′ ′ ) l n H 1 H 2 + l n K + h c k ( E 2 ′ ′ - E 1 ′ ′ ) T 0 + l n I ( v 2 ) I ( v 1 ) - - - ( 3 )
式中，h是普朗克常量(J·s)，c是光速(cm·s-1)，k是波尔兹曼常量(J·K-1)，E"是吸收谱线下能级的能量(cm-1)，T0为参考温度(K)，H为测量的吸收线调制吸收信号强度；I(ν)为吸收线处的激光光强，下标1，2表示吸收线1与吸收线2；
步骤五：利用任意一条调制吸收信号强度计算组分浓度，计算公式为：
X = S ( T 0 ) P · L · S ( T ) · H ( P , T 0 ) · H - - - ( 4 )
式中，X是吸收组分的摩尔分数，H为测量的任意一条吸收线的调制吸收强度，P为压强(atm)，L为激光在吸收介质中的传播长度(cm)，S(T)为吸收线的谱线强度(cm-2·atm-1)，H(P,T0)为在参考温度T0下调制吸收信号强度H随压强P变化曲线。
2.根据权利要求1所述的波长调制吸收法同步测量流场压强、温度、浓度的方法，其特征在于：所述的吸收线1与吸收线2分别对应水在1342.114nm与1454.826nm处的吸收谱线。
3.根据权利要求1所述的波长调制吸收法同步测量流场压强、温度、浓度的方法，其特征在于：I(ν)采用同步监测激光光强或一次谐波信号的方式获取。
4.根据权利要求1所述的波长调制吸收法同步测量流场压强、温度、浓度的方法，其特征在于：所述二极管激光器的波长受一个锯齿波和正弦波叠加的波形调制。
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