CN112747891A - 基于中红外激光吸收光谱的高焓气流空间分辨测量装置及方法 - Google Patents

基于中红外激光吸收光谱的高焓气流空间分辨测量装置及方法 Download PDF

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基于中红外激光吸收光谱的高焓气流空间分辨测量装置及方法，所述装置包括试验模型、送进机构、激光器、多模光纤、准直器、二维位移机构、聚焦装置、探测器、数据采集装置、工控机；本发明装置及方法可以实现对飞行器再入过程流场主要组分(CO,NO,CO2)和气流的空间分辨、定量测量。

Description

基于中红外激光吸收光谱的高焓气流空间分辨测量装置及 方法
技术领域
本发明涉及基于中红外激光吸收光谱的高焓气流空间分辨测量装置及方法，用于确定地面模拟试验中高焓气流自由流-激波层流场温度和组分浓度参数，属于飞行器地面气动热试验研究领域。
背景技术
等离子体风洞是进行高超声速飞行器再入和热防护研究的重要地面试验设备，常规电弧加热设备通过电弧加热方式产生高焓等离子体气流，同步产生电极烧蚀，高焓气流不可避免会引入铜原子污染组分，给地面试验准确再入流场提出了难题，高频感应风洞通过感应耦合的方式加热气体，产生高焓等离子体，因其无电极的加热方式可产生化学纯净、无污染的高焓气流，解决了地面试验气流被污染的难题，是用于飞行器再入过程启动热化学非平衡研究的主要设备，国际上利用该类型加热器开展真实气体效应试验和防热材料壁面催化效应试验研究。对于下一代飞行器热防护系统精细化设计，高频感应风洞地面试验高焓流场工作特性的定量研究十分重要，是评估风洞模拟再入流场能力的有效依据，对于提升再入热化学非平衡过程的认识和理解有重要意义。目前的地面热考核试验常常将流场进行一维简化处理，而对于飞行器防热设计的进一步优化，要求获得防热材料再入环境的空间分布，其关键在于获得准确的高焓等离子体流场气体组分浓度和气流静温。在高频感应风洞流场空间分布诊断方面，国内外相关研究还处于起步阶段。
发明内容
本发明的技术解决问题：本发明的内容提供了一种测量基于中红外激光吸收光谱的高焓气流空间分辨测量装置及方法，可以实现对飞行器再入过程流场主要组分(CO,NO,CO2)摩尔浓度和气流温度的空间分辨、定量测量。
本发明的技术方案：基于中红外激光吸收光谱的高焓气流空间分辨测量装置，包括：试验模型、送进机构、激光器、多模光纤、准直器、二维位移机构、聚焦装置、探测器、数据采集装置、工控机；
外部高频感应等离子体发生器对进入的试验介质加热，形成高温气流，经外部喷管膨胀加速后在外部喷管出口形成超声速自由流；
所述送进机构用于将试验模型送入外部喷管出口中心区域，所述超声速自由流经过试验模型后，被外部真空系统收集；
激光器产生的一束激光信号通过多模光纤耦合，所述的二维位移机构包括发射端和接收端，二者放置在试验舱相对的两侧；准直器安装在发射端上，用于对多模光纤耦合后的激光信号进行准直，聚焦装置以及探测器安装在接收端；发射端和接收端通过水平移动和垂直移动，使得准直器准直后的激光信号扫描不同空间位置，透过的激光信号由聚焦装置聚焦，被探测器采集并光电转换后，经数据采集装置传输至工控机，进而实现对外部喷管出口超声速自由流到试验模型近壁面驻点激波层不同位置的测量；
工控机对数据采集装置采集的信号进行分析，获得其光谱吸收信号，获得上述超声速自由流-驻点激波层的温度和组分信息。
优选的，激光器为量子级联中红外激光器，激光器线宽＜0.5MHz，激光器波长调谐＞10cm-1。
优选的，激光器由激光控制器实现激光波长调谐，调谐方式包括温度调谐和电流调谐，温度调谐范围：-30℃-30℃，电流调谐范围：0-200mA。
优选的，激光控制器电流调谐范围由信号发生器输入的外部调制信号实现，外部调制信号幅值-10V-10V，频率1Hz-10kHz，外部调制信号为锯齿波或正弦波。
优选的，准直器准直后的激光信号光束直径在1mm-2mm，能够实现≤2mm的空间分辨能力。
优选的，所述发射端和接收端均为步进式电机同步传动机构且均能够实现水平方向和垂直方向两个方向的移动，发射端和接收端步进式电机同步传动机构同步移动，移动速度10-400mm/s,定位精度小于5μm，水平方向行程500mm,垂直方向行程200mm，通过水平方向移动实现对所述外部喷管出口超声速自由流到试验模型近壁面驻点激波层的空间扫描测量，通过垂直方向移动实现对试验模型近壁面驻点激波层不同高度方向的空间扫描测量。
优选的，聚焦装置为透镜，透镜材质为氟化钙或蓝宝石，焦距4-10mm，尺寸5-12.7mm。
优选的，探测器为制冷型InSb红外探测器，制冷方式为热电制冷或液氮制冷，探测波长响应范围：1-8μm。
优选的，送进机构采用气缸送进方式，且采用水冷方式保证机构长时间运行，运行时间＞3000s。
优选的，数据采集装置为高速数据采集示波器，采样率＞1M/S,带宽＞350MHz，采样长度＞10M。
高焓气流空间分辨测量方法，包括如下步骤：
步骤(1)、控制外部高频感应等离子体发生器对进入的试验介质加热，形成高温气流，经外部喷管膨胀加速后在外部喷管出口形成超声速自由流；
步骤(2)、控制送进机构将试验模型送入外部喷管出口中心区域；
步骤(3)、控制激光器产生一束激光信号；
步骤(4)、控制二维位移机构的发射端和接收端同步运动，通过水平移动和垂直移动，使得准直器准直后的激光信号扫描不同空间位置，实现对外部喷管出口超声速自由流到试验模型近壁面驻点激波层不同位置的测量；
步骤(5)、工控机对接收的数据采集装置采集的光电信号进行分析处理，获得光谱吸收信号，获得上述超声速自由流-驻点激波层的温度和组分信息。
本发明与现有技术相比的优点如下：
(1)本发明利用中红外激光吸收光谱，可以实现对高频感应风洞高焓自由流-驻点激波层流场参数的定量测量，为研究地面防热材料-流场相互作用、真实气体效应试验和防热材料壁面催化效应提供了直接定量测量手段。
(2)本发明利用中红外量子级联激光器结合二维位移机构，可以实现流场结构空间分辨测量，空间分辨率≤2mm。
(3)本发明的中红外光谱测量装置具有非常高的时间分辨率，可实现数10kHz量级的流场参数测量，可以实现对流场参数的精细、高动态分辨。
附图说明
图1为本发明的基于中红外激光吸收光谱的高焓气流空间分辨测量装置的布局示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1为本发明实施例中的基于中红外激光吸收光谱的高焓气流空间分辨测量装置的结构图，包括：试验模型3、送进机构4、信号发生器6、激光控制器7、激光器8、多模光纤9、准直器10、二维位移机构11、聚焦装置12、探测器13、数据采集装置14、工控机15；
外部高频感应等离子体发生器1对进入的试验介质加热，形成高温气流，经外部喷管2膨胀加速后在外部喷管出口形成超声速自由流；
试验模型3，安装在所述外部喷管3下游，通过送进机构4将试验模型3送入外部喷管3出口中心区域，所述超声速自由流经过试验模型3后，被外部真空系统5收集；
激光器8产生一束激光信号，所述激光信号通过多模光纤9耦合，准直器10准直后穿过试验模型3近壁面；在另一侧，透过的激光信号被聚焦装置12聚焦后，被探测器13采集，经光电转换，被数据采集装置14采集后，传输至工控机15。
二维位移机构11通过水平移动和垂直移动，使得准直器10准直后的激光信号扫描不同空间位置，实现对外部喷管3出口超声速自由流到试验模型3近壁面驻点激波层不同位置的测量。
工控机15直接对所述透过得光电信号进行分析处理，获得其光谱吸收信号，获得上述超声速自由流-驻点激波层的温度和组分信息。
本发明给出一优选实例中，激光器8为量子级联中红外激光器，激光器线宽＜0.5MHz，激光器波长调谐＞10cm-1，激光器中心波长也可为5.2μm，也可为4.3μm，可以实现对CO,NO,CO2多种流场组分的光谱测量。激光器8由激光控制器7实现激光波长调谐，调谐方式包括温度调谐和电流调谐，温度调谐范围：-30℃-30℃，电流调谐范围：0-200mA。激光控制器7电流调谐范围由信号发生器6输入的外部调制信号进行控制，外部调制信号幅值-10V-10V，频率1Hz-10kHz，外部调制信号一般为锯齿波或正弦波。
准直器10准直后的激光信号光束直径在1mm-2mm，可以实现≤2mm的空间分辨能力。
本发明给出一优选实例中，二维位移机构包含发射端和接收端，均为步进式电机同步传动机构，可以实现水平方向和垂直方向两个方向的移动，发射端和接收端步进式电机同步传动机构基于软件控制可以实现同步移动，移动速度10-400mm/s,定位精度小于5μm，水平方向行程500mm,垂直方向行程200mm，通过水平方向移动可以实现对所述外部喷管2出口超声速自由流到试验模型3近壁面驻点激波层的空间扫描测量，通过垂直方向移动可以实现对试验模型3近壁面驻点激波层不同高度方向的空间扫描测量。二维位移机构11发射端固定安装准直器10，二维位移机构11接收端安装有聚焦装置12和探测器13。
本发明给出一优选实例中，聚焦装置12为透镜，透镜材质为氟化钙或蓝宝石，焦距4-10mm，尺寸5-12.7mm。探测器13为制冷型InSb红外探测器，制冷方式为热电制冷或液氮制冷，探测波长响应范围：1-8μm。
送进机构4采用气缸送进方式，通过高压气+电磁阀控制机构的送进和送出，送进机构为水冷设计，保证机构长时间运行，最大运行时间＞3000s。
数据采集装置14为高速数据采集示波器，采样率＞1M/S,带宽＞350MHz，采样长度＞10M。
基于中红外激光吸收光谱的高焓气流空间分辨测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(1)、外部高频感应等离子体发生器1对进入的试验介质加热，形成高温气流，经外部喷管2膨胀加速后在外部喷管出口形成超声速自由流；
步骤(2)、试验模型3，安装在所述外部喷管3下游，通过送进机构4将试验模型3送入外部喷管3出口中心区域，所述超声速自由流经过试验模型3后，被外部真空系统5收集；
步骤(3)、激光器8产生一束激光信号，所述激光信号通过多模光纤9耦合，准直器10准直后穿过试验模型3近壁面；在另一侧，透过的激光信号被聚焦装置12聚焦后，被探测器13采集，经光电转换，被数据采集装置14采集后，传输至工控机15。
步骤(4)、二维位移机构11通过水平移动和垂直移动，使得准直器10准直后的激光信号扫描不同空间位置，实现对外部喷管3出口超声速自由流到试验模型3近壁面驻点激波层不同位置的测量。
步骤(5)、工控机15直接对所述透过得光电信号进行分析处理，获得其光谱吸收信号，获得上述超声速自由流-驻点激波层的温度和组分信息。上述光谱吸收信号获得气流温度和组分浓度的分析过程遵循Beer-Lambert定律：
Figure BDA0002855919680000061
Figure BDA0002855919680000062
其中T，P分别为气体温度和压力，X,M分别为待测组分摩尔浓度和摩尔质量，ΔνD、A、ν0分别为上述光谱吸收信号的半高宽、积分吸收面积和光谱中心波长。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (11)

1.基于中红外激光吸收光谱的高焓气流空间分辨测量装置，其特征在于包括：试验模型、送进机构、激光器、多模光纤、准直器、二维位移机构、聚焦装置、探测器、数据采集装置、工控机；
外部高频感应等离子体发生器对进入的试验介质加热，形成高温气流，经外部喷管膨胀加速后在外部喷管出口形成超声速自由流；
所述送进机构用于将试验模型送入外部喷管出口中心区域，所述超声速自由流经过试验模型后，被外部真空系统收集；
激光器产生的一束激光信号通过多模光纤耦合，所述的二维位移机构包括发射端和接收端，二者放置在试验舱相对的两侧；准直器安装在发射端上，用于对多模光纤耦合后的激光信号进行准直，聚焦装置以及探测器安装在接收端；发射端和接收端通过水平移动和垂直移动，使得准直器准直后的激光信号扫描不同空间位置，透过的激光信号由聚焦装置聚焦，被探测器采集并光电转换后，经数据采集装置传输至工控机，进而实现对外部喷管出口超声速自由流到试验模型近壁面驻点激波层不同位置的测量；
工控机对数据采集装置采集的信号进行分析，获得其光谱吸收信号，获得上述超声速自由流-驻点激波层的温度和组分信息。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：激光器为量子级联中红外激光器，激光器线宽＜0.5MHz，激光器波长调谐＞10cm-1。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：激光器由激光控制器实现激光波长调谐，调谐方式包括温度调谐和电流调谐，温度调谐范围：-30℃-30℃，电流调谐范围：0-200mA。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：激光控制器电流调谐范围由信号发生器输入的外部调制信号实现，外部调制信号幅值-10V-10V，频率1Hz-10kHz，外部调制信号为锯齿波或正弦波。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：准直器准直后的激光信号光束直径在1mm-2mm，能够实现≤2mm的空间分辨能力。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述发射端和接收端均为步进式电机同步传动机构且均能够实现水平方向和垂直方向两个方向的移动，发射端和接收端步进式电机同步传动机构同步移动，移动速度10-400mm/s,定位精度小于5μm，水平方向行程500mm,垂直方向行程200mm，通过水平方向移动实现对所述外部喷管出口超声速自由流到试验模型近壁面驻点激波层的空间扫描测量，通过垂直方向移动实现对试验模型近壁面驻点激波层不同高度方向的空间扫描测量。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：聚焦装置为透镜，透镜材质为氟化钙或蓝宝石，焦距4-10mm，尺寸5-12.7mm。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：探测器为制冷型InSb红外探测器，制冷方式为热电制冷或液氮制冷，探测波长响应范围：1-8μm。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：送进机构采用气缸送进方式，且采用水冷方式保证机构长时间运行，运行时间＞3000s。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：数据采集装置为高速数据采集示波器，采样率＞1M/S,带宽＞350MHz，采样长度＞10M。
11.一种利用权利要求1所述高焓气流空间分辨测量装置实现的高焓气流空间分辨测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(1)、控制外部高频感应等离子体发生器对进入的试验介质加热，形成高温气流，经外部喷管膨胀加速后在外部喷管出口形成超声速自由流；
步骤(2)、控制送进机构将试验模型送入外部喷管出口中心区域；
步骤(3)、控制激光器产生一束激光信号；
步骤(4)、控制二维位移机构的发射端和接收端同步运动，通过水平移动和垂直移动，使得准直器准直后的激光信号扫描不同空间位置，实现对外部喷管出口超声速自由流到试验模型近壁面驻点激波层不同位置的测量；
步骤(5)、工控机对接收的数据采集装置采集的光电信号进行分析处理，获得光谱吸收信号，获得上述超声速自由流-驻点激波层的温度和组分信息。
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