CN113281300B - 一种用于狭小环境下弱吸收气体参数高灵敏测量的测量装置 - Google Patents

一种用于狭小环境下弱吸收气体参数高灵敏测量的测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于弱吸收气体参数高灵敏测量的装置，属于光学测量技术领域，能够解决现有技术中由于测量环境恶劣、气体组分浓度低、吸收信号弱导致的测量信号结果较差的问题。所述测量装置包括：密封结构件、腔体发射端、腔体接收端。密封结构件为选择性使用，安装密封结构件可以用于封闭环境下待测气体的测量；卸载密封结构件可以将所述测量装置用于激波管、发动机燃烧气体的测量；腔体发射端用于将入射激光准直后引入腔中，并调节激光的入射角和离轴距离；腔体接收端用于将含有吸收信息的光聚焦后耦合到光纤中。

Description

一种用于狭小环境下弱吸收气体参数高灵敏测量的测量装置
技术领域
一种用于狭小环境下弱吸收气体参数高灵敏测量的测量装置，涉及一种气体测量装置，特别是一种用于狭小环境下弱吸收气体参数高灵敏测量的测量装置，属于光学测量技术领域。
背景技术
激波管、发动机扩张段等流场的气体参数信息测量对于研究化学动力学具有重要意义。激光吸收光谱(Laser Absorption Spectroscopy，LAS)利用气体分子对光线特定波长的吸收特性测量流场气体组分浓度、压强、温度等参数信息，具有非侵入、特异性强、灵敏度高、可靠性好等特点，但是由于在狭小环境下与气体相互作用距离的限制，对于弱吸收气体的测量一直存在信噪比不高的问题。
离轴积分腔输出光谱(Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy,ICOS)是一种高灵敏度检测技术，利用光学谐振腔特性，将激光耦合到两端带有高反射率反射镜的谐振腔内来回反射增加激光与物质作用的距离，相比于传统的可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)具有更高的信噪比，且在有限的空间内可以实现更长的有效光程，更适合在激波管、发动机等流场环境中进行参数测量。
中国发明专利申请(申请号201710696889.5)公开了一种基于自会聚镜片的离轴积分腔输出光谱气体探测装置，包括QCL激光器、激光控制器、信号发生器、锁相放大器、反射镜、积分腔、平凹髙反镜、凹凸髙反镜、光电探测器、采集卡、压力传感器、温度传感器、气泵、质量流量控制器、信号处理系统。该发明在积分腔的激光出射端采用两面曲率特殊设计的凹凸髙反镜片，使透射的激光被自动会聚到探测器上，而不必再使用离轴抛物镜或者透镜对出射光线进行会聚，减少了因透射光发散，导致透射光不能被很好的会聚，同时减少镜片的安装部件对透射光的遮挡，使透射光更好的会聚。该发明去除了聚焦透镜的使用，优化了光路结构，但是仍然不能解决入射光线定量调节的问题，以及在测量环境恶劣的条件下(如发动机隔离段、激波管)，仍能准确运行的问题。本发明将光学结构各个部分模块化，利用同轴系统部件组合在一起，使得可以定量研究入射光线变化对系统的影响，并且解决了在发动机隔离段这种高温和剧烈振动的环境中探测器仍能准确接收信号的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的由于激波管、发动机扩张段较短的空间光程和特定气体吸收较弱导致信号信噪比不高的问题。而提出了一种用于狭小环境下弱吸收气体参数高灵敏测量的测量装置。
本发明的技术方案：
一种用于弱吸收气体参数高灵敏测量的测量装置，该测量装置包括：密封结构件、腔体发射端和腔体接收端；腔体发射端和腔体接收端位于密封结构件的两端，其中：密封结构件具有用于待测气体进气的进口和出气的出口；腔体发射端，包括五维调节准直镜、介质膜反射镜、腔体结构件、同轴安装长接杆、笼板转接件、移动式安装平板；腔体接收端，包括五维调节耦合镜、介质膜反射镜、聚焦透镜、腔体结构件、同轴安装短接杆、笼板转接件。
所说的测量装置发射端由同轴安装短接杆将腔体发射端的五维调节准直镜、笼板转接件和移动式安装平板连接在一起；接收端利用同轴安装长接杆将腔体接收端的腔体结构件、笼板转接件和五维调节耦合镜固定在一起，螺旋压紧件紧固介质膜反射镜和聚焦透镜。
所述移动式安装平板上标有刻度线，用于光线的离轴入射调节；所述笼板转接件用于将五维调节耦合镜和五维调节准直镜同轴心固定在测量装置上。
所说的介质膜反射镜、聚焦透镜和腔体结构件之间存在预设间隙，所述预设间隙内装有缓冲材料。
所说的缓冲材料为四氯乙烯垫圈。
本发明能产生的有益效果：
1)本发明提供的测量装置，通过腔体设计，将两个高反射镜和一个聚焦透镜集成到腔体发射端和腔体接收端两个工件上，在小体积的前提下实现了由谐振腔特性带来的超长吸收光程，提高了测量灵敏度，同时旋入式压紧件的设计有效防止挤压带来镜片的损伤。
2)本发明提供的测量装置，通过同轴系统将发射端的五维调节准直镜、接收端的五维调节耦合镜与腔体结构件连接在一起，一方面准确定位了激光的入射和接收；另一方面，将此测量装置固定在发动机扩张段上时，有效避免了由于激波管、发动机抖动带来对测量信号的影响。
附图说明
本发明共有3幅附图，其中图1为本发明的摘要附图。
图1.为本发明实施例提供的测量装置结构示意图；
图2.为本发明实施例提供的封闭环境测量应用示意图；
图3.为本发明实施例提供的激波管测量应用示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述，但本发明并不局限于这些实施例。
本发明实施例提供了一种用于发动机扩张段气体参数测量的测量装置，如图1所示，所述测量装置包括：密封结构件100，所述密封结构件具有用于待测气体进气的进口和出气的出口；腔体发射端，包括五维调节准直镜101、介质膜反射镜107、同轴安装短接杆103a、笼板转接件102、移动式安装平板104、腔体结构件108；腔体接收端，包括五维调节耦合镜110、介质膜反射镜107、聚焦透镜109、同轴安装长接杆103b、笼板转接件102、腔体结构件108。
本发明实施例提供的测量装置可以用于激波管、超燃冲压发动机、航空发动机等狭小空间内流场弱吸收气体的高灵敏测量。
如图1至图3所示，外部激光器发出的激光经过五维调节准直镜101准直后照射到介质膜反射镜107上，其中大部分光被反射回去，小部分光线进入被测区域在两面反射镜之间来回反射，与被测区域的物质发生相互作用，每一次照射到第二片反射镜上的光大部分会被反射回腔内，小部分会透射出去，这些含有吸收信息的小部分透射光线经过聚焦透镜109汇聚成空间光，通过五维调节耦合镜110耦合进光纤，并被外部光电探测器接收。本发明实施例对所有镜片参数不做限定，本领域技术人员可以根据所用激光器功率、光电探测器转换率和采集卡的采样速度等限制条件进行综合性考量设计。
本发明提供的测量装置，通过在腔体结构件108上连接同轴系统，将外部激光器发出的激光以设定的离轴距离和入射角度射入光学腔中，有利于控制实验的变量，降低腔内光学干涉噪声对测量结果的影响。由于本发明中五维调节耦合镜110将含有吸收信息的空间光耦合进光纤，通过光纤与外部光电探测器连接，这样做极大提高了测量信号的稳定性，避免激波管、发动机的抖动对测量信号的影响，并且减少了测量装置的空间占用率。另外，腔体结构件108的尺寸可以根据实际测量需求灵活改变，扩大了测量装置的适用范围。
如图1所示，利用同轴安装接杆103将腔体发射端的五维调节准直镜101、笼板转接件102和移动式安装平板104连接在一起，激光器发出的激光经过单模光纤传输到FC-APC接口的五维调节准直镜101，通过调节五维调节准直镜101上的三个螺丝实现对激光入射角的微调，通过调节移动式安装平板104的移动距离实现对入射光线离轴距离的调节；利用同轴安装长接杆103b将腔体接收端的腔体结构件108、笼板转接件102和五维调节耦合镜110固定在一起，同轴系统的使用更加方便快捷将空间光耦合进光纤。
进一步的，螺旋压紧件105通过旋入压紧的方式紧固介质膜反射镜107、密封缓冲垫圈106和聚焦透镜109，密封缓冲垫圈106可以缓冲腔体结构件和镜片间的压力，避免镜片损伤，同时实现了一定的密封效果。
在实际应用中，腔体接收端同轴系统转接板102可以在同轴安装长接杆103b上轴向移动，根据聚焦透镜109的焦点距离确定腔体接收端同轴系统转接板102的轴向固定位置。
如图2所示，使用密封结构件100时，密封结构件100通过螺纹与腔体结构件108固定在一起，密封结构件100上设置有进气口111和出气口112，用于对有密封需求的气体进行测量。
进一步的，密封结构件100与腔体结构件108连接处存在预设间隙，所述预设间隙嵌有密封垫圈，用于对待测气体进行密封处理。本发明实施例对于密封垫圈材料的具体材料不做限定，示例的，该密封垫圈材料为四氯乙烯。
如图3所示，不使用密封结构件100时，所述测量装置可以用于激波管化学动力学领域研究，通过螺杆将所述测量装置固定在激波管管道两侧，对激波管内气体组分浓度、压强和温度的微弱变化进行监测。
实际应用中，可以利用腔体发射端的五维调节准直镜101和同轴系统移动式安装平板104调节入射条件，使光斑在反射镜107上的形状呈椭圆形，短轴方向设置为激波来流方向，这样做可以减少激波经过测量区域的时间，提高系统的响应速度。
本发明提供的测量装置工作在激波管流场环境下，其工作过程如下：首先，通过五维调节准直镜101的FC-APC接口接收外部激光器发出的激光，调节移动式安装平板104的离轴移动距离和五维调节准直镜101的倾斜角度使入射激光达到最佳的入射条件，激光进入两片介质膜反射镜107之间来回多次反射，激发腔内光场，在短距离下实现超长的吸收光程，激光与气体分子相互作用后，含有吸收信息的光线透过介质膜反射镜107后被聚焦透镜109汇聚成空间光，通过SMA接口的五维调节耦合镜110耦合进外部多模光纤，由外部探测设备接收。

Claims (2)

1.一种用于弱吸收气体参数高灵敏测量的测量装置，其特征在于：所述测量装置包括：密封结构件(100)、腔体发射端和腔体接收端；腔体发射端和腔体接收端位于密封结构件(100)的两端，其中：密封结构件(100)具有用于待测气体进气的进口(111)和出气的出口(112)；腔体发射端，包括五维调节准直镜(101)、介质膜反射镜(107)、腔体结构件(108)、同轴安装短接杆(103a)、笼板转接件(102)、移动式安装平板(104)；腔体接收端，包括五维调节耦合镜(110)、介质膜反射镜(107)、聚焦透镜(109)、腔体结构件(108)、同轴安装长接杆(103b)、笼板转接件(102)；
所说的测量装置发射端由同轴安装短 接杆(103a)将腔体发射端的五维调节准直镜(101)、笼板转接件(102)和移动式安装平板(104)连接在一起，激光器发出的激光经过单模光纤传输到FC-APC接口的五维调节准直镜(101)，通过调节五维调节准直镜(101)上的三个螺丝实现对激光入射角的微调；接收端利用同轴安装长接杆(103b)将腔体接收端的腔体结构件(108)、笼板转接件(102)和五维调节耦合镜(110)固定在一起，螺旋压紧件(105)通过旋入压紧的方式紧固介质膜反射镜(107)和聚焦透镜(109)；
所述移动式安装平板(104)上标有刻度线，用于光线的离轴入射调节；所述笼板转接件(102)用于将五维调节耦合镜(110)和五维调节准直镜(101)同轴心固定在测量装置上，所述笼板转接件(102)能在同轴安装长接杆(103b)上轴向移动，根据聚焦透镜(109)的焦点距离确定腔体接收端笼板转接件(102)的轴向固定位置；
密封结构件(100)与腔体结构件(108)连接处存在预设间隙，所述预设间隙嵌有密封垫圈；
所说的介质膜反射镜(107)、聚焦透镜(109)和腔体结构件(108)之间存在预设间隙，所述预设间隙内装有缓冲材料。
2.根据权利要求1所述的一种用于弱吸收气体参数高灵敏测量的测量装置，其特征在于：所说的缓冲材料为四氯乙烯垫圈。
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