CN113514146B - 一种能同时测量爆震燃烧离子信号和燃烧光信号的感应塞 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能同时测量爆震燃烧离子信号和燃烧光信号的感应塞，包括安装座、光信号采集组件和两根离子信号探针；安装座安装在爆震燃烧室的侧壁；其中心同轴设有光信号采集通道，前端和后端各设一个离子信号采集通道；光信号采集通道与其中一个压力传感器均处于垂直于爆震波运动方向的同一截面A；光信号采集组件安装在光信号采集通道中，能够采集途径光信号采集组件的爆震燃烧面的光信号，并记录爆震燃烧面的光信号到达截面A的时刻；每个离子信号采集通道中各设置一根离子信号探针。本发明能根据两根离子信号探针的电流导通信号，判断爆震燃烧速度。还能通过燃烧面的发光信号以及爆震燃烧速度，计算诱导区长度等参数。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天领域，特别是一种能同时测量爆震燃烧离子信号和燃烧光信号的感应塞。
背景技术
以超音速传播的燃烧波称为爆震波，由前导激波及其后跟随的燃烧区耦合组成，其中激波与燃烧面之间压缩燃料的区域为诱导区。爆震波传播速度可达到千米每秒的量级。爆震波是高速高效的燃烧，属于燃烧形式的一种，它能在很短的时间内释放更多的能量，基于这种优势，爆震发动机现在已经成为了一大研究领域，在各类热能动力装置，尤其是航空航天领域有广阔的应用前景。
物质发生爆震燃烧过程中，化学反应中间过程会产生带电基团，也就是带电离子。将外部偏置一定电压的短间距电极对置入燃烧装置中，火焰到达电极对是会使电极导通有所出信号。根据燃烧火焰在接触测量电极时刻的离子电流信号值，尤其是其到达时刻，结合电极的布设间距可以对不同工况下可燃混合物的平均火焰传播速度进行计算。这已经成为燃烧火焰测速尤其是爆震燃烧火焰测速中的一项重要技术，也俗称离子探针技术。
在爆震波的实验研究测量中，对于爆震波结构的实验解析具有重要价值和重大意义。对于爆震波结构的解析首要问题就是搞清楚激波面和燃烧区（火焰面）达到的时刻，从而通过速度和激波与燃烧面耦合状态判断燃烧过程是否达到以爆震速度传播的爆震状态。通常在速度测量过程中，是由高频压力传感器所记录，获得爆震燃烧的压力信号，而且通过测量两支传感器的间隔，也可以得到由激波前行速度推导的爆震波速度。但在传感器使用过程中，与流场接触会对流场造成一定的干扰，且有冲击及燃烧损坏等问题，使用成本高昂（通常一支在上万元），不适于大规模测量燃烧波的区间传播速度，且有密封等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种能同时测量爆震燃烧离子信号和燃烧光信号的感应塞，该能同时测量爆震燃烧离子信号和燃烧光信号的感应塞能基于爆震燃烧激波面与燃烧区相互耦合的特性，二者的间隔距离也即诱导区厚度通常在毫米量级，也即爆震燃烧产生的压力信号与离子信号、光信号近似同时到达。通过记录燃烧区离子电流导通或燃烧面的发光信号也可以替代压力传感器的用途判断火焰的传播速度。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种能同时测量爆震燃烧离子信号和燃烧光信号的感应塞，包括安装座、光信号采集组件和两根离子信号探针。
爆震燃烧室的侧壁上至少安装有一个压力传感器。
安装座安装在爆震燃烧室的侧壁。
安装座的中心同轴设置有光信号采集通道，光信号采用通道的前端和后端各设置一个离子信号采集通道。光信号采集通道与其中一个压力传感器的中心位置均处于垂直于爆震波运动方向的同一截面A。
光信号采集组件安装在光信号采集通道中，能够采集途径光信号采集组件的爆震燃烧面的光信号，并记录爆震燃烧面的光信号到达截面A的时刻t1。
每个离子信号采集通道中各设置一根离子信号探针，两根离子信号探针的采集端均位于爆震燃烧室内。根据两根离子信号探针的电流导通信号，判断爆震燃烧速度V。
截面A中压力传感器能够采集爆震燃烧的激波面到达截面A的时刻t2，结合爆震燃烧速度V，则能计算得到激波面与燃烧面间的诱导区长度L，具体计算公式为：
L=V（t1- t2）。
两根离子信号探针对称布设在光信号采集组件的前端和后端。
两根离子信号探针的连线平行于爆震波运动方向，则爆震燃烧速度V的计算公式为：
为两根离子信号探针之间的间距。/>为两根离子信号探针电流导通信号的时间差。
位于光信号采集组件前端的离子信号探针为镍硅探针，位于光信号采集组件后端的离子信号探针为镍镉探针。
光信号采集组件包括晶体元件和光纤，晶体元件的一端朝向爆震燃烧室，另一端与光纤电连接，光纤的另一端连接光电转换器。
安装座呈螺栓状，包括螺纹杆部和设置螺纹杆部顶端的螺帽，螺纹杆部底端伸入爆震燃烧室中。安装座螺纹安装在爆震燃烧室的侧壁上。
位于螺纹杆部外周的螺帽底部设置有密封槽，密封槽内设置有密封圈。
安装座采用聚碳酸脂材质制成。
光信号采集通道和两个离子信号采集通道的两端均设置有倒角，便于光信号采集组件和对应离子信号探针的密封固定。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明基于燃烧过程（包括爆震）通常具备发光的特点，火焰向外自发辐射一定波段范围的光谱，记录下自发辐射的光谱信号具有重要意义，且光信号监测具有非接触、响应快等特点，是燃烧过程的一种重要信息。因而，本发明基于爆震燃烧激波面与燃烧区相互耦合的特性，二者的间隔距离也即诱导区厚度通常在毫米量级，也即爆震燃烧产生的压力信号与离子信号、光信号近似同时到达。一方面，通过记录燃烧区离子电流导通信号，能够判断爆震燃烧速度；另一方面，通过燃烧面的发光信号替代一个压力传感器，并与另一个压力传感器相结合，并结合判断得出的爆震燃烧速度，能够计算激波面与燃烧面间的诱导区长度。
2、本发明适用于分析爆震波精细结构，能结合同步测量的压力信息，判断激波面和燃烧面的耦合程度来解决爆震燃烧测量中爆震波和爆燃波区分的问题。
3、本发明结构简单，可缩放比例，也有利于量化生产，安装方便，采用整体安装。光纤不与爆震波直接接触，对爆震波传播的影响较小，获得的数据准确。
附图说明
图1为本发明一种能同时测量爆震燃烧离子信号和燃烧光信号的感应塞的结构示意图。
图2为本发明一种能同时测量爆震燃烧离子信号和燃烧光信号的感应塞的纵剖面图。
其中有：
1.螺帽；2.密封槽；3.螺纹杆部；4. 光信号采集通道；5.第一离子信号采集通道；6.第二离子信号采集通道；7. 第一离子信号探针；8.第二离子信号探针；9.光纤；10.晶体元件。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
爆震燃烧室的侧壁上至少安装有一根压力传感器，优选为一根，且位于垂直于爆震波运动方向的截面A上。
如图1和图2所示，一种能同时测量爆震燃烧离子信号和燃烧光信号的感应塞，包括安装座、光信号采集组件和两根离子信号探针。
安装座优选采用聚碳酸脂材质制成，具有优良的绝缘性能及耐热老化性。
安装座优选可拆卸式安装在爆震燃烧室的侧壁，进一步为螺纹连接。安装座优选呈螺栓状，包括螺纹杆部3和设置螺纹杆部顶端的螺帽1，螺纹杆部底端伸入爆震燃烧室中，并与燃烧室内壁面平齐。本发明中的两根离子信号探针（优选直径为1mm）和光纤直径小（优选直径为0.2mm），安装座大小可根据具体实验条件加工（6mm-14mm不等），对流场干扰小。
当不需要安装感应塞时，可将用于爆震燃烧室侧壁上用于安装感应塞的螺纹孔密封封堵即可。
进一步，位于螺纹杆部外周的螺帽底部设置有密封槽2，密封槽内设置有密封圈。
安装座的中心同轴设置有光信号采集通道4，光信号采用通道的前端和后端各设置一个离子信号采集通道，优选对称布设在光信号采用通道的前端和后端。
光信号采集通道和两个离子信号采集通道的两端均优选设置有倒角，便于光信号采集组件和对应离子信号探针的密封固定。
光信号采集通道与其中一个压力传感器均处于垂直于爆震波运动方向的同一截面A。
光信号采集组件优选粘接固定在光信号采集通道中，能够采集途径光信号采集组件的爆震燃烧面的光信号，并记录爆震燃烧面的光信号到达截面A的时刻t1。
光信号采集组件优选包括晶体元件10和光纤9，晶体元件的一端朝向爆震燃烧室，且优选与基座内表面齐平；晶体元件的另一端与光纤电连接，光纤的另一端连接光电转换器。光纤不与爆震波直接接触，对爆震波传播的影响较小，获得的数据准确。
每个离子信号采集通道中各设置一根离子信号探针，两根离子信号探针的采集端均位于爆震燃烧室内，且优选与基座内表面齐平。离子信号探针与离子信号采集通道的密封固定方式优选为粘接固定。
两根离子信号采集通道分别为第一离子信号采集通道5和第二离子信号采集通道6。其中，第一离子信号采集通道位于光信号采集通道的前端（也即位于光信号采集通道上游），第二离子信号采集通道位于光信号采集通道的后端。
两根离子信号探针分别为第一离子信号探针7和第二离子信号探针8。其中，第一离子信号探针7优选为镍硅探针，第二离子信号探针8优选为镍镉探针。以镍镉-镍硅材料分别作为正负极，能承受上千度的高温，并且具有线性度好、抗氧化能力强和灵敏度高的优点。
一、判断爆震燃烧速度V
本发明根据两根离子信号探针的电流导通信号，判断爆震燃烧速度V。两根离子信号探针的连线优选平行于爆震波运动方向，则爆震燃烧速度V的计算公式为：
为两根离子信号探针之间的间距。/>为两根离子信号探针电流导通信号的时间差。
二、计算激波面与燃烧面间的诱导区长度L
截面A中压力传感器能够采集爆震燃烧的激波面到达截面A的时刻t2，结合爆震燃烧速度V，则能计算得到激波面与燃烧面间的诱导区长度L，具体计算公式为：
L=V（t1- t2）。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种能同时测量爆震燃烧离子信号和燃烧光信号的感应塞，其特征在于：包括安装座、光信号采集组件和两根离子信号探针；
爆震燃烧室的侧壁上至少安装有一根压力传感器；
安装座安装在爆震燃烧室的侧壁；
安装座的中心同轴设置有光信号采集通道，光信号采用通道的前端和后端各设置一个离子信号采集通道；光信号采集通道与其中一个压力传感器均处于垂直于爆震波运动方向的同一截面A；
光信号采集组件安装在光信号采集通道中，能够采集途径光信号采集组件的爆震燃烧面的光信号，并记录爆震燃烧面的光信号到达截面A的时刻t1；
每个离子信号采集通道中各设置一根离子信号探针，两根离子信号探针的采集端均位于爆震燃烧室内；根据两根离子信号探针的电流导通信号，判断爆震燃烧速度V；
截面A中压力传感器能够采集爆震燃烧的激波面到达截面A的时刻t2，结合爆震燃烧速度V，则能计算得到激波面与燃烧面间的诱导区长度L，具体计算公式为：
L=V（t1- t2）。
2.根据权利要求1所述的能同时测量爆震燃烧离子信号和燃烧光信号的感应塞，其特征在于：两根离子信号探针对称布设在光信号采集组件的前端和后端。
3.根据权利要求1所述的能同时测量爆震燃烧离子信号和燃烧光信号的感应塞，其特征在于：两根离子信号探针的连线平行于爆震波运动方向，则爆震燃烧速度V的计算公式为：
V=Δx/Δt
为两根离子信号探针之间的间距；/>为两根离子信号探针电流导通信号的时间差。
4.根据权利要求1所述的能同时测量爆震燃烧离子信号和燃烧光信号的感应塞，其特征在于：位于光信号采集组件前端的离子信号探针为镍硅探针，位于光信号采集组件后端的离子信号探针为镍镉探针。
5.根据权利要求1所述的能同时测量爆震燃烧离子信号和燃烧光信号的感应塞，其特征在于：光信号采集组件包括晶体元件和光纤，晶体元件的一端朝向爆震燃烧室，另一端与光纤电连接，光纤的另一端连接光电转换器。
6.根据权利要求1所述的能同时测量爆震燃烧离子信号和燃烧光信号的感应塞，其特征在于：安装座呈螺栓状，包括螺纹杆部和设置螺纹杆部顶端的螺帽，螺纹杆部底端伸入爆震燃烧室中；安装座螺纹安装在爆震燃烧室的侧壁上。
7.根据权利要求6所述的能同时测量爆震燃烧离子信号和燃烧光信号的感应塞，其特征在于：位于螺纹杆部外周的螺帽底部设置有密封槽，密封槽内设置有密封圈。
8.根据权利要求1所述的能同时测量爆震燃烧离子信号和燃烧光信号的感应塞，其特征在于：安装座采用聚碳酸脂材质制成。
9.根据权利要求1所述的能同时测量爆震燃烧离子信号和燃烧光信号的感应塞，其特征在于：光信号采集通道和两个离子信号采集通道的两端均设置有倒角，便于光信号采集组件和对应离子信号探针的密封固定。
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