CN110514325A - 一种基于激光吸收的电弧加热设备流场焓值监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光吸收的电弧加热设备流场焓值监测方法，包括：运用光谱吸收效应，在电弧加热设备上安装带有光路传输通道的压缩片或法兰片，激光光束通过该通道与电弧加热设备内的高温气体发生吸收作用，并使用光电探测器检测激光吸收信号，再通过数据收集、转换和处理，从而可以计算出高温气体的温度，结合弧室压力参数可以计算得到高温气体的焓值。本发明采用非接触测量方式，不对高温气体自身产生影响，且响应速度快，可以实时监测电弧加热设备内部气体焓值的变化，为电弧加热设备变状态试验提供更准确的焓值变化测量，通过安装多路激光传输通道，可以实现电弧加热设备内部流场不同位置处的焓值多通道同步测量。
Description
技术领域
本发明属于高超声速地面试验高温流场诊断领域，具体涉及一种基于激光吸收的电弧加热设备流场焓值监测方法。
背景技术
高超声速飞行器特别是行星进入/地球再入航天飞行器在大气层内飞行时，气动加热非常剧烈，因此防热材料/结构的设计是飞行器设计的一个非常重要环节。电弧加热设备就是进行高超声速飞行器防热材料/结构考核的必要地面试验设备，焓值是表征电弧加热设备产生的高温气流的关键性指标参数。以往的焓值测量方法主要包括基于冷却水温升计算焓值的能量平衡法和基于总温或热流测量的焓探针方法。能量平衡法具有不干扰流场、稳定性好、数据易获得的优势，但是由于需要电弧加热设备与冷却水之间建立热平衡，响应时间非常慢，而且冷却水往往在管道中混合不匀使得冷却水温升也难以准确测量。因此，目前，采用最为广泛的方法是焓探针方法，但是，此方法采用接触式测量方式，不能在试验过程中对焓值进行实时监测，无法满足目前测量的需求。
未来高超声速飞行器防热材料/结构的设计越来越精细，对地面考核试验也要求越来越准确，在长时间、多状态，甚至连续变状态的考核试验中，流场性质(包括焓值)的实时监测意义将更加凸显。本发明将激光检测技术应用于电弧加热设备流场焓值测量，采用不同激光器可以实现频率从100Hz到1MHz量级，甚至高于1MHz的快速测量，完全满足实时监测要求。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于激光吸收的电弧加热设备流场焓值监测方法，包括以下步骤：
步骤一、电弧加热设备中的前电极和后电极放电，加热其内部通过的气体，经过加热的气体形成高温流场，高温流场经过喷管后形成超高速的气流场；
步骤二、激光光束从安装在电弧加热设备上的测量压缩片或法兰片一端射出，穿过电弧加热设备中的高温流场，高温流场中高温气体对激光具有吸收作用，即光谱吸收效应，并通过位于测量压缩片或法兰片另一端的光电探测器对透射的激光信号进行检测；
步骤三、在电弧加热设备运行过程中，光电探测器将光信号转换为电信号，电信号经数据采集单元转变为数字信号，数字信号再进入信号处理单元进行数据处理和计算，并将信号反馈到与激光器相连的激光控制单元内，从而控制激光的参数，通过测出的数据可以计算得出高温气体的温度，结合电弧加热设备的弧室压力参数，便可以进一步计算得到高温气体的焓值。
优选的是，所述高温气体对激光的吸收为高温气体中的一种或多种原子、分子、离子组分对激光光束的吸收。
优选的是，所述测量通道通过测量压缩片或法兰片进行安装，且测量压缩片或法兰片上可同时安装多路测量通道，实现对电弧加热设备内部流场不同位置处的焓值进行多通道同步测量。
优选的是，所述激光器为分布反馈式(DFB)、外腔式(ECDL)、垂直腔面发射式(VCSEL)、量子级联式(QCL)波长可调谐激光器中的一种。
优选的是，所述激光器为针对氧原子、氮原子、氩原子、铜原子组分吸收的近红外波长可调谐激光器或针对氧气、氮氧化物、碳氧化物分子组分吸收的中红外波长可调谐激光器中的一种。
优选的是，所述电弧加热设备的内部结构包括：
腔体，其上设置有用于空气进入的进气压缩片；所述腔体一端靠近端部的位置处设置有前电极，所述前电极上连接有前磁线圈，另一端的端部设置有后电极，所述后电极上连接有后磁线圈；
测量压缩片或法兰片，其设置在腔体上靠近前电极一端的端部，所述测量压缩片或法兰片上连接有将高温流场转换为超高速气流场的喷管。
优选的是，所述电弧加热设备中流场焓值的测量装置包括：
用于发射激光的激光器；
测量压缩片或法兰片，其上对称设置有激光测量通道，所述激光测量通道内设置有用于将激光转换为空间平行光的光纤准直器，所述光纤准直器中的其中一个通过光纤与激光器相连接，另一个通过光纤与用于将光信号转换为电信号的光电探测器相连；
用于将光电探测器输出的电信号转换数字信号的数据采集单元，其与光电探测器相连；
用于数据分析处理的信号处理单元，其与激光器控制单元相连；
用于控制激光器状态参数的激光器控制单元，其与激光器相连。
优选的是，所述测量压缩片或法兰片上的激光传输通道采用石英玻璃或蓝宝石光学玻璃进行端面密封。
本发明至少包括以下有益效果：
1、此焓值测量方法采用非接触测量方式，不对高温气体自身产生影响。
2、采用激光检测技术，具有响应速度快的特点(测量频率可达MHz以上)，可以实时监测电弧加热设备气体焓值的变化，为电弧加热设备变状态试验提供更准确的焓值变化测量。
3、利用电弧加热设备内部高温气体进行焓值监测，与喷管出射气流速度无关，适用范围广。
4、测量方法中的多通道同步测量方式为检验电弧加热设备中冷气与热气是否混合均匀提供了一种可行的检测方法。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为本发明提供的单通道测量系统结构示意图；
其中，1-激光器；8-测量压缩片或法兰片；81-激光测量通道；2-光纤准直器；21-光纤；3光电探测器；31-数据采集单元；32-信号处理单元；33-激光器控制单元。
图2为本发明提供的多通道测量系统结构示意图；
其中，1-激光器；11-光纤分束器；8-测量压缩片或法兰片；81-激光测量通道；2-光纤准直器；21-光纤；3光电探测器；31-数据采集单元；32-信号处理单元；33-激光器控制单元。
图3为本发明提供的测量通道与电弧加热设备内部结构剖面图。
其中，4-腔体；41-前电极；42-后电极；5-进气压缩片；61-前磁线圈；62-后磁线圈；7-喷管；8-测量压缩片或法兰片；81-激光测量通道。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1：
一种基于激光吸收的电弧加热设备流场焓值监测方法，包括以下步骤：
步骤一、本实施例采用单通道焓值检测方式，电弧加热设备选择片式电弧加热设备，电弧加热设备中的前电极和后电极放电，加热其内部通过的气体，经过加热的气体形成高温流场，高温流场经过喷管后形成超高速的气流场；
步骤二、激光器采用针对氧原子、氮原子、氩原子、铜原子等组分吸收的近红外波长的分布反馈式二极管激光器(DFB)，并采用光纤耦合输出方式，激光测量通道采用石英玻璃封装，光纤准直器采用一体化设计的，避免漏气；激光器发射激光光束，激光光束从安装在电弧加热设备上的测量压缩片或法兰片一端射出，穿过电弧加热设备中的高温流场，高温流场中高温气体对激光具有吸收作用，即光谱吸收效应，并通过位于测量压缩片或法兰片另一端的光电探测器对透射的激光信号进行检测；
步骤三、在电弧加热设备运行过程中，光电探测器将光信号转换为电信号，电信号经数据采集单元转变为数字信号，数字信号再进入信号处理单元进行数据处理和计算，并将信号反馈到与激光器相连的激光控制单元内，从而控制激光的的温度、波长、测量频率参数，通过测出的数据可以计算得出高温气体的温度，结合电弧加热设备的弧室压力参数，便可以进一步计算得到高温气体的焓值。采用近红外可调谐激光器，测量频率可以达到100Hz以上，能够满足焓值实时监测的需求。
如图3所示，在上述技术方案中，所述电弧加热设备的内部结构包括：
腔体4，其上设置有用于空气进入的进气压缩片5；所述腔体4一端靠近端部的位置处设置有前电极41，所述前电极41上连接有前磁线圈61，另一端的端部设置有后电极42，所述后电极42上连接有后磁线圈62；
测量压缩片或法兰片8，其设置在腔体4上靠近前电极41一端的端部，所述测量压缩片或法兰片8上连接有将高温流场转换为超高速气流场的喷管7。
如图1所示，在上述技术方案中，所述电弧加热设备中流场焓值的测量装置包括：
用于发射激光的激光器1；
测量压缩片或法兰片8，其上对称设置有激光测量通道81，所述激光测量通道81内设置有用于将激光转换为空间平行光的光纤准直器2，所述光纤准直器2中的其中一个通过光纤21与激光器1相连接，另一个通过光纤21与用于将光信号转换为电信号的光电探测器3相连；
用于将光电探测器3输出的电信号转换数字信号的数据采集单元31，其与光电探测器3相连；
用于数据分析处理的信号处理单元32，其与激光器1控制单元相连；
用于控制激光器1状态参数的激光器控制单元33，其与激光器1相连。
实施例2：
本实施例与实施例1的实施方式基本相同，主要区别在于所述采用的激光器为针对氧气、氮氧化物、碳氧化物等分子组分吸收的中红外波长的分布反馈式二极管激光器(DFB)，其测量频率可以达到10MHz以上，完全能够满足焓值实时监测的需求。
实施例3：
本实施例与与实施例1的实施方式基本相同，主要区别在于，如图2所示：本实施例采用多通道焓值检测方式，测量压缩片或法兰片上设置有多路激光传输通道，适用于测量当电弧加热设备内部高温流场不均匀时的焓值。激光器输出激光后，被光纤分束器分为多束，每一束单独进入光纤准直器，从而使各路激光经过加热器内部流场横截面的不同位置，并与各位置处的高温气体独立发生吸收作用；之后各路激光被测量压缩片另一侧的多个光纤准直器独立接收，耦合进入光纤，并被多个光电探测器独立测量；在本实施例中，数据采集单元和信号处理单元均为多通道系统，同步采集和处理各个光电探测器的输出信号，最终得到加热器内部各路激光束所经过位置处的焓值，从而实现多通道焓值分布测量。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (8)
1.一种基于激光吸收的电弧加热设备流场焓值监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、电弧加热设备中的前电极和后电极放电，加热其内部通过的气体，经过加热的气体形成高温流场，高温流场经过喷管后形成超高速的气流场；
步骤二、激光光束从安装在电弧加热设备上的测量压缩片或法兰片一端射出，穿过电弧加热设备中的高温流场，高温流场中高温气体对激光具有吸收作用，即光谱吸收效应，并通过位于测量压缩片或法兰片另一端的光电探测器对透射的激光信号进行检测；
步骤三、在电弧加热设备运行过程中，光电探测器将光信号转换为电信号，电信号经数据采集单元转变为数字信号，数字信号再进入信号处理单元进行数据处理和计算，并将信号反馈到与激光器相连的激光控制单元内，从而控制激光的参数，通过测出的数据可以计算得出高温气体的温度，结合电弧加热设备的弧室压力参数，便可以进一步计算得到高温气体的焓值。
2.如权利要求1所述的基于激光吸收的电弧加热设备流场焓值监测方法，其特征在于，所述高温气体对激光的吸收为高温气体中的一种或多种原子、分子、离子组分对激光光束的吸收。
3.如权利要求1所述的基于激光吸收的电弧加热设备流场焓值监测方法，其特征在于，所述测量通道通过测量压缩片或法兰片进行安装，且测量压缩片或法兰片上可同时安装多路测量通道，实现对电弧加热设备内部流场不同位置处的焓值进行多通道同步测量。
4.如权利要求1所述的基于激光吸收的电弧加热设备流场焓值监测方法，其特征在于，所述激光器为分布反馈式、外腔式、垂直腔面发射式、量子级联式波长可调谐激光器中的一种。
5.如权利要求1所述的基于激光吸收的电弧加热设备流场焓值监测方法，其特征在于，所述激光器为针对氧原子、氮原子、氩原子、铜原子组分吸收的近红外波长可调谐激光器或针对氧气、氮氧化物、碳氧化物分子组分吸收的中红外波长可调谐激光器中的一种。
6.如权利要求1所述的基于激光吸收的电弧加热设备流场焓值监测方法，其特征在于，所述电弧加热设备的内部结构包括：
腔体，其上设置有用于空气进入的进气压缩片；所述腔体一端靠近端部的位置处设置有前电极，所述前电极上连接有前磁线圈，另一端的端部设置有后电极，所述后电极上连接有后磁线圈；
测量压缩片，其设置在腔体上靠近前电极一端的端部，所述测量压缩片上连接有将高温流场转换为超高速气流场的喷管。
7.如权利要求1所述的基于激光吸收的电弧加热设备流场焓值监测方法，其特征在于，所述电弧加热设备中流场焓值的测量装置包括：
用于发射激光的激光器；
测量压缩片或法兰片，其上对称设置有激光测量通道，所述激光测量通道内设置有用于将激光转换为空间平行光的光纤准直器，所述光纤准直器中的其中一个通过光纤与激光器相连接，另一个通过光纤与用于将光信号转换为电信号的光电探测器相连；
用于将光电探测器输出的电信号转换数字信号的数据采集单元，其与光电探测器相连；
用于数据分析处理的信号处理单元，其与激光器控制单元相连；
用于控制激光器状态参数的激光器控制单元，其与激光器相连。
8.如权利要求7所述的基于激光吸收的电弧加热设备流场焓值监测方法，其特征在于，所述测量压缩片或法兰片上的激光传输通道可以采用石英玻璃或蓝宝石光学玻璃进行端面密封。
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