CN107064059B - 基于激光吸收光谱的流场测量系统集成样机 - Google Patents
基于激光吸收光谱的流场测量系统集成样机 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于激光吸收光谱的流场测量系统集成样机，样机包含可调谐半导体激光器、激光器控制电路、光纤耦合器件、光电探测器、高速信号采集与存储电路等部件，其中可调谐半导体激光器、光纤耦合器件、光电探测器选用商业器件，激光器控制电路和高速信号采集与存储电路为自主研发，主要实现激光发射和控制以及信号采集与存储等功能。样机采用高集成度设计，整个样机尺寸20cm×15cm×10cm，重量2.6kg，最大功耗25W。支持16个测量通道，数据高速在线存储，总存储带宽160MByte/S，在最大带宽条件下可连续存储数据26分钟，并且各通道采集速率可独立动态配置。
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，特别涉及一种用于激光吸收光谱测量的集成样机技术。
背景技术
先进吸气式发动机和组合循环发动机在未来的科技、军事竞争中具有重要的战略地位，得到航天大国和军事强国的高度重视。发动机流场测试与诊断技术是伴随发动机设计、试验、监测和维护等全过程的核心技术，也是制约发动机性能提升的关键技术之一。目前的发动机流场诊断还主要依靠传统的接触测量技术，随着对燃烧和推进流场研究的不断深入，接触测量技术所表现出的局限性日益凸显，如壁面传感器无法探测流场内部的温度或压力，侵入式探针或测量耙设备复杂、故障率高。而对于超声速推进流场，探针也往往会扰乱流动、产生激波结构，高温下长期工作时探针可能烧毁。为克服传统诊断技术的局限，发展非接触的激光测量技术就成为必然选择。
可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable diode laser absorption spectroscopyTDLAS)技术是通过被测气体组分对激光的共振吸收，使激光能量产生衰减，进而对气体参量进行分析和判断。具有时间响应快、信号强度高、数据分析简单、价格相对低廉等特点，由于可用光纤将远距离传输激光，降低了在发动机上应用的难度和代价。也可以提供足够快的反馈而有潜力用于燃烧和推进系统的闭环控制。随着现代电子技术的发展，TDLAS的小型化传感器技术已获得突破，使其成为唯一有望在不久的将来获得实际飞行应用的光学测量手段，并最终用于发动机的飞行状态监测和反馈控制。
从上世纪90年代开始，以Stanford大学、NASA、Physical Sciences公司、美国空军等为代表的众多科研单位、政府、企业和军方部门都积极开展TDLAS技术及应用研究，先后在激波管、航空发动机、超燃冲压发动机、脉冲爆震发动机、汽轮机、内燃机、工业燃烧炉等流场进行了成功的工程应用。进入新世纪以来，TDLAS技术引起我国科研院所和工业企业的广泛关注，发展较为迅速，目前已开始涉及燃烧和推进流场的应用研究，积累了一定的技术基础和工程应用经验，但研究能力和水平尚有较大差距。
TDLAS测量设备硬件主要包括可调谐半导体激光器、激光器的电源和温控设备、信号采集和存储设备、光电探测器和光纤耦合器件等，这些器件都有成熟的商业产品可用。目前的发动机地面实验普遍采用商业器件，从功能上完全可满足测量需求，但也存在着一些问题：1)商业器件普遍存在设备复杂、体积重量大、价格昂贵；2)各器件独立分散，需要较大的空间才能完全展开，有时在工程环境下应用受限；3)目前的商业器件由于体积、重量和功耗等的限制，无法实现发动机的飞行应用。为解决存在的上述问题，需要研制测量系统集成样机，在满足测量功能的前提下，尽可能降低系统的体积、重量和功耗，与商业器件相比，价格也会大幅下降。
下述文献直接涉及到了测量系统集成样机。
1、为在高超声速飞行计划HIFiRE 1上在验证TDLAS系统的飞行应用能力，美国空军委托Zolo Technologies和Southwest Sciences两家公司各自独立开发TDLAS测量系统集成样机(Barhorst T,Williams S,Chen S J,et al.Development of an in flightnon-intrusive mass capture system[C].45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint PropulsionConference&Exhibit,Denver,Colorado,Aug,2009,AIAA 2009-5067.)。两种样机都分别支持两通道测量(两路输入两路输出)，Zolo Technologies公司的样机重3.5kg，功耗20W，而Southwest Sciences公司的样机重1.8kg，功耗2W。另外两种样机都对原始测量数据进行了预处理，并遥测下传，而原始测量数据没有保留。
2、Zolo Technologies公司在美国空军的资助下，为HIFiRE 2工程研制了飞行用集成样机(Sappey A D,Sutherland L,Owenby D,et al.Flight-Ready TDLAS CombustionSensor for the HIFiRE 2 Hypersonic Research Program[R].AEDC-TR-10-T-6.)。样机有4个测量通道，功耗小于13W，对原始测量数据进行了预处理，并遥测下传，而原始测量数据没有保留。
3、中国科学院安徽光学精密机械研究所研制了小型化的发动机测温系统(姚路，刘文清，阚瑞峰，等.小型化TDLAS发动机测温系统的研究及进展[J].实验流体力学,2015,19(2).)。样机尺寸30cm×15cm×10cm，重量＜5kg，功耗＜10W，8个测量通道，由于存储速率的限制，对原始测量数据进行了预处理，而原始测量数据没有保留。
总体而言，文献中的设计存在如下不足：
1)测量通道普遍偏少。为实现发动机流场参数的二维准确测量，往往对测量的空间分辨率提出较高要求。文献1的样机只有两个测量通道，无法实现二维测量；文献2的样机有4个测量通道，而HIFiRE 2的发动机设置8个测量通道，因此需要两台同样的样机；文献3的测量通道增加到8个，而对于一般的发动机尺寸而言，空间分辨率仍显偏低。
2)存储带宽普遍偏低。由于存储带宽的限制而无法保存原始测量信号，必需进行预处理，降低存储速率需求。而发动机试车是高代价的工程试验，由于原始测量信号具有高时间分辨率，对于分析发动机的详细工作状况、捕捉发动机的工况转换以及点火熄火等瞬态过程都至关重要，因此无法保存原始测量信号降低了TDLAS测量的有效性。
发明内容
本发明的目的是在借鉴国内外设计思想和使用经验的基础上设计一种具有多测量通道和高速数据采集存储能力的高度集成的测量系统样机，提升我国TDLAS技术的工程应用能力，推动先进发动机流场诊断技术的进步。
本发明提供了一种基于激光吸收光谱的流场测量系统集成样机，样机包含可调谐半导体激光器、激光器控制电路、光纤耦合器件、光电探测器、高速信号采集与存储电路等部件，其中可调谐半导体激光器、光纤耦合器件、光电探测器选用商业器件，激光器控制电路和高速信号采集与存储电路为自主研发，主要实现激光发射和控制以及信号采集与存储等功能，其特征在于：
高速信号采集与存储电路板(1)主要由场可编程门阵列(FPGA)(2)、数字信号处理芯片(DSP)(3)、存储器阵列(Memory)(4)、网口(RS485)(5)、2通道数模转换模块(DAC)(18)、16通道模数转换模块(ADC)(19)等组成。来自激光器控制电路板(10)的探测器(15)信号，经ADC模块(19)变成数字信号经FPGA(2)和DSP(3)运算处理后存储到Memory(4)，可通过RS485(5)上传至上位机，另外上位机也通过RS485(5)对采集和存储电路进行初始化设置。同时FPGA(2)产生两路数字信号经DAC(18)变成模拟信号传送到激光器控制电路板(10)的激光器驱动(Laser Driver 1和Laser Driver 2)(11和13)。
激光器控制电路板(10)主要包括两个激光器驱动模块(Laser Driver 1和LaserDriver 2)(11和13)、两个半导体制冷控制模块(TEC Controller 1和TEC Controller 2)(12和14)、二极管激光器(DFB Laser1和DFB Laser2)(7和9)的夹具、集成前置放大器的探测器(Detector Amps)(15)、单片机(MCU)(16)、通用串行数据总线(UART)(17)、串口(RS232)(6)等组成。MCU(16)发出激光器控制指令通过Laser Driver 1(11)和TECController 1(13)以及Laser Driver 2(13)和TEC Controller 2(14)分别对DFB Laser1和DFB Laser2(7和9)进行独立的电流和温度控制，DFB Laser1和DFB Laser2(7和9)发出的激光经光纤耦合器件(Fiber coupling)(8)合束再分束后传输到单模保偏光纤中，穿过流场的激光再经过多模光纤引导到Detector Amps(15)，Detector Amps(15)信号送到ADC模块(19)。由上位机通过RS232(6)对MCU(16)进行初始化设置。
本发明的优势是：
1)结构紧凑。采用高集成度设计，整个样机尺寸20cm×15cm×10cm，重量2.6kg，最大功耗25W。
2)多测量通道。可支持16个测量通道，可获得更多的测量信息，具有更宽的适用范围。
3)数据高速在线存储。总存储带宽160MByte/S，在最大带宽条件下可连续存储数据26分钟，并且各通道采集速率可独立动态配置。
附图说明
图1测量系统样机信号流程示意图；
图2测量系统样机的机壳结构图。
具体实施方式
结合附图对测量系统样机做进一步详细描述。图1给出了测量系统样机的信号流程示意图。
高速信号采集与存储电路板(1)主要由场可编程门阵列(FPGA)(2)、数字信号处理芯片(DSP)(3)、存储器阵列(Memory)(4)、网口(RS485)(5)、2通道数模转换模块(DAC)(18)、16通道模数转换模块(ADC)(19)等组成。来自激光器控制电路板(10)的探测器(15)信号，经ADC模块(19)变成数字信号经FPGA(2)和DSP(3)运算处理后存储到Memory(4)，可通过RS485(5)上传至上位机，另外上位机也通过RS485(5)对采集和存储电路进行初始化设置。同时FPGA(2)产生两路数字信号经DAC(18)变成模拟信号传送到激光器控制电路板(10)的激光器驱动(Laser Driver 1和Laser Driver 2)(11和13)。
激光器控制电路板(10)主要包括两个激光器驱动模块(Laser Driver 1和LaserDriver 2)(11和13)、两个半导体制冷控制模块(TEC Controller 1和TEC Controller 2)(12和14)、二极管激光器(DFB Laser1和DFB Laser2)(7和9)的夹具、集成前置放大器的探测器(Detector Amps)(15)、单片机(MCU)(16)、通用串行数据总线(UART)(17)、串口(RS232)(6)等组成。MCU(16)发出激光器控制指令通过Laser Driver 1(11)和TECController 1(13)以及Laser Driver 2(13)和TEC Controller 2(14)分别对DFB Laser1和DFB Laser2(7和9)进行独立的电流和温度控制，DFB Laser1和DFB Laser 2(7和9)发出的激光经光纤耦合器件(Fiber coupling)(8)合束再分束后传输到单模保偏光纤中，穿过流场的激光再经过多模光纤引导到Detector Amps(15)，Detector Amps(15)信号送到ADC模块(19)。由上位机通过RS232(6)对MCU(16)进行初始化设置。
图2给出了测量系统样机的机壳结构图。测量系统样机采用集成化设计，在满足性能要求的前提下尽可能降低样机尺寸。综合考虑测量通道数、采集和存储速率、散热和电磁屏蔽等需求，测量系统样机的外壳采用高强度铝合金加工制作，外壳尺寸200mm×150mm×100mm。机壳包括主体和上下盖板三部分，两盖板通过螺栓与主体连接，这样整个外壳均可作为散热器。激光器控制电路板的设计尺寸为120mm×90mm，高速信号采集与存储电路板的设计尺寸为120mm×80mm。两个二极管激光器用专用夹具固定在激光器控制电路板上，激光束用光纤耦和器件连接到单模光纤匹配套管上。16路单模光纤和多模光纤的匹配套管安装在主体的前面板上。而系统供电接口、网口和串口及指示灯安装在后面板上。
本发明的基于激光吸收光谱的流场测量系统集成样机的设计步骤是：
步骤一、商业器件选型
样机需要的商业器件包括可调谐半导体激光器、光纤耦合器件、光电探测器、光纤跳线、光纤匹配套管等。
根据一般的测量需求，激光器选用带光纤输出的蝶形封装的分布式反馈(DFB)二极管激光器，主要供应商为日本NEL公司(波长范围1.3-1.5μm，用于探测H2O分子)。光纤耦合器件主要实现激光的合束与分束，选择加拿大OZ Optics公司的2合1波分复用器(WDM-12N-111-1340/1390-7/125-PPP-50-3A3A3A-1-0.6)以及1分16分束器(PLCS-18-7/125-P-1300/1400-12.5-50-3A×17-1-0.6)。光电探测器选择美国EOS公司的集成前置放大器的探测器IGA-030-E5/4MHz(波长范围900-1700nm，带宽DC-4MHz)。光纤跳线包括两类，发射端选用单模保偏光纤，芯径尺寸取决于激光波长；接收端选用400μm芯径的多模光纤，美国Thorlabs和加拿大OZ Optics公司的光纤跳线性能优异、质量可靠。光纤匹配套管有两种类型，一种是用于单模保偏光纤跳线的对接，另一种是将多模光纤跳线进行固定到探测器的端面，分别选择美国Thorlabs公司的ADAFC2-PMW和SM05SMA。
步骤二、激光器控制电路设计
激光器控制电路的主要功能是实现DFB激光器的电流驱动和温度控制。基本方案是用单片机控制双路DFB激光器的直流偏置和温度控制，同时和上位机通讯，用上位机软件可以设置激光器的电流和温度。同时用激光器的背光探测器监测激光器的输出功率。通过模拟加法器电路，把外部调制电信号加到恒流驱动上，实现对激光器的调制。
控制电路采用目前市场上主流32位ARM嵌入式系统STM32F407，其先进的Cortex-M4内核具有浮点运算和DSP运算能力；更大的存贮空间和极高的运行速度满足控制与计算需求；采用一个双路AD公司的16位DACAD5761R实现数字量到模拟量的转换；AD5761R有8种可选择的输出范围，高稳定的2.5V参考电源；可满足精度要求。嵌入式系统接收上位机传来的指令，经计算后通过DAC电路变成模拟量传给驱动电路；系统采用一个4路16位ADC芯片AD7606实时测量计算驱动电流和输出功率的值，并上传给上位机。
驱动电路完成输入调制信号和直流偏置电流的叠加，经电压/电流转换电路变成电流源驱动激光器，通过电路负反馈实现电流的控制；通过激光器的内部自带的温度传感器(热敏电阻)测量激光器的温度，用TEC模块以PWM方式进行温度控制；通过PID控制算法实现温度的控制。通过采样电阻测量输出的电流；利用激光器自带的ADP测量激光器的发光功率。选择专用夹具固定激光器，同时进行热沉设计，便于进行散热。
步骤三、高速信号采集与存储电路设计
信号采集与存储电路的主要功能是：1)实现16通道的信号的高速采集和存储；2)实现2通道模拟信号输出，用于对DFB激光器进行调制。基本方案采用嵌入式系统完成数据采集、存储，通过上位机对系统功能进行配置、控制和数据读取。
嵌入式系统采用Xilinx公司的Zynq SOC芯片作为系统的主控制器，该SOC芯片内置双核1Ghz Cortex A9 ARM处理器和FPGA逻辑资源，是高性能嵌入式系统的首选方案。16通道数据采集采用Analog公司高性能多通达AD芯片，数据存储单元采用多片高可靠MLCNand Flash构建高性能存储阵列，实现160Mbyte/S的高速写入性能。
为解决高数据率输入与低带宽存储的矛盾，保证实时采集性能，采用两级缓存机制：1)在数据输入与存储之间采用大容量高存储带宽的QDR2+作为采集数据中间缓存，保证高速输入的码流能够在后端未及时存储时不被丢弃；2)采用16信道阵列并行存储模式，增加存储带宽。
步骤四、样机系统集成设计
综合考虑测量通道数、采集和存储速率、散热和电磁屏蔽等需求，测量系统样机的外壳采用高强度铝合金加工制作，外壳尺寸200mm×150mm×100mm。机壳包括主体和上下盖板三部分，上下盖板尺寸相同200mm×150mm×3mm，主体部分尺寸200mm×150mm×94mm，中部有一横板，尺寸140mm×110mm×6mm，与主体部分的相邻两侧相接，主要用于安装激光器控制电路板和高速信号采集和存储电路板，电路板的发热部件通过导热硅脂与横板紧密接触，两盖板通过螺栓与主体连接，这样整个外壳均可作为散热器，特别有利于在真空环境下系统的散热。为满足样机整体性能指标要求，激光器控制电路板的设计尺寸为120mm×90mm，高速信号采集与存储电路板的设计尺寸为120mm×80mm。两个二极管激光器用专用夹具固定在激光器控制电路板上，激光束用光纤耦和器件连接到单模光纤匹配套管上。16路单模光纤和多模光纤的匹配套管安装在主体的前面板上。而系统供电接口、网口和串口及指示灯安装在后面板上。
Claims (3)
1.基于激光吸收光谱的流场测量系统集成样机，其特征在于：样机包含可调谐半导体激光器、激光器控制电路板、光纤耦合器件、光电探测器和高速信号采集与存储电路板；
其中，可调谐半导体激光器、光纤耦合器件、光电探测器以及激光器控制电路板和高速信号采集与存储电路板(1)实现激光发射和控制以及信号采集与存储功能；
其中，所述的高速信号采集与存储电路板(1)由场可编程门阵列FPGA(2)、数字信号处理芯片DSP(3)、存储器阵列Memory(4)、网口RS485(5)、2通道数模转换模块DAC(18)、16通道模数转换模块ADC(19)组成；
来自激光器控制电路板(10)的探测器(15)信号，经ADC模块(19)变成数字信号经FPGA(2)和DSP(3)运算处理后存储到Memory(4)，通过RS485(5)上传至上位机；另外，
上位机也通过RS485(5)对采集和存储电路进行初始化设置，同时FPGA(2)产生两路数字信号经DAC(18)变成模拟信号传送到激光器控制电路板(10)的激光器驱动Laser Driver1(11)和Laser Driver 2(13)；
所述的激光器控制电路板(10)包括两个激光器驱动模块Laser Driver 1(11)和LaserDriver 2(13)、两个半导体制冷控制模块TEC Controller 1(12)和TEC Controller 2(14)、二极管激光器DFB Laser1(7)和DFB Laser2(9)的夹具、集成前置放大器的探测器Detector Amps(15)、单片机MCU(16)、通用串行数据总线UART(17)、串口RS232(6)；
MCU(16)发出激光器控制指令通过Laser Driver 1(11)和TEC Controller 1(12)以及Laser Driver 2(13)和TEC Controller 2(14)分别对DFB Laser1(7)和DFB Laser2(9)进行独立的电流和温度控制，DFB Laser1(7)和DFB Laser2(9)发出的激光经光纤耦合器件Fiber coupling(8)合束再分束后传输到单模保偏光纤中，穿过流场的激光再经过多模光纤引导到Detector Amps(15)，Detector Amps(15)信号送到ADC模块(19)，由上位机通过RS232(6)对MCU(16)进行初始化设置。
2.如权利要求1所述的基于激光吸收光谱的流场测量系统集成样机，其特征在于：样机外壳采用高强度铝合金加工制作，外壳尺寸：长200mm×宽150mm×高100mm；
机壳包括主体和上下盖板三部分，上下盖板的尺寸相同，上下盖板的尺寸为：长200mm×宽150mm×高3mm，主体部分尺寸长200mm×宽150mm×高94mm，中部有一横板，尺寸为：长140mm×宽110mm×高6mm，与主体部分的相邻两侧相接，用于安装激光器控制电路板和高速信号采集和存储电路板，电路板的发热部件通过导热硅脂与横板紧密接触，两盖板通过螺栓与主体连接；
为满足样机整体性能指标要求，激光器控制电路板的设计尺寸为：长120mm×宽90mm，高速信号采集与存储电路板的设计尺寸为：长120mm×宽80mm，两个二极管激光器用专用夹具固定在激光器控制电路板上，激光束用光纤耦合器件连接到单模光纤匹配套管上，16路单模光纤和多模光纤的匹配套管安装在主体的前面板上，而系统供电接口、网口和串口及指示灯安装在后面板上。
3.如权利要求1或2所述的基于激光吸收光谱的流场测量系统集成样机，其特征在于：所述的激光器选用带光纤输出的蝶形封装的分布式反馈DFB二极管激光器，供应商为日本NEL公司，所述二极管激光器的输出激光的波长范围为1.3-1.5μm，用于探测H2O分子；
光纤耦合器件实现激光的合束与分束，选择加拿大OZ Optics公司的2合1波分复用器WDM-12N-111-1340/1390-7/125-PPP-50-3A3A3A-1-0.6以及1分16分束器PLCS-18-7/125-P-1300/1400-12.5-50-3A×17-1-0.6，光电探测器选择美国EOS公司的集成前置放大器的探测器IGA-030-E5/4MHz，所述探测器的输出激光波长范围900-1700nm，带宽DC-4MHz；
光纤跳线包括两类，发射端选用单模保偏光纤，芯径尺寸取决于激光波长，接收端选用400μm芯径的多模光纤；
光纤匹配套管有两种类型，一种是用于单模保偏光纤跳线的对接，另一种是将多模光纤跳线进行固定到探测器的端面，分别选择美国Thorlabs公司的ADAFC2-PMW和SM05SMA。
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| CN107064059A (zh) | 2017-08-18 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 101416 3380 mailbox No. 86, equipment college, Bayi Road, Huairou District, Beijing, No. 86 Applicant after: China People's Liberation Army Strategic Support Unit Space Engineering University Address before: 101416 3380 mailbox No. 86, equipment college, Bayi Road, Huairou District, Beijing, No. 86 Applicant before: PLA 'S Equipment College |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
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Address after: 101416 3380 mailbox No. 86, equipment college, Bayi Road, Huairou District, Beijing, No. 86 Applicant after: China People's Liberation Army Strategic Support Unit Space Engineering University Address before: 101416 3380 mailbox No. 86, equipment college, Bayi Road, Huairou District, Beijing, No. 86 Applicant before: PLA 'S Equipment College |
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| GR01 | Patent grant | ||
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