[發(fā)明專利]一種基于光纖傳輸?shù)膰娍陔娀囟确墙佑|測量系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410076691.3
• 申請日: 2014-03-04
• 公開（公告）號: CN103884449A
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王偉宗;王思佳;劉波;史也;林晴晴
• 申請（專利權(quán)）人: 中國空間技術(shù)研究院
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 安麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光纖傳感技術(shù)和光譜輻射理論相結(jié)合的電弧溫度光學(xué)測量系統(tǒng)，特別適用于噴射電推力器、電弧等離子體炬、高壓斷路器等裝置噴口電弧等離子體動態(tài)溫度的非接觸式測量。

背景技術(shù)

電弧放電是一種能獨立存在的自持放電現(xiàn)象。其中，在拉伐爾噴口中放電產(chǎn)生電弧等離子體的方法被廣泛應(yīng)用在航天動力推進(jìn)、表面材料處理制備、電力故障電流開斷等領(lǐng)域。拉法爾噴口是一種軸對稱噴口，具有典型的收縮段、約束段和擴(kuò)張段。由于應(yīng)用背景的差異，其制造材料也有所不同，最常見的主要有兩種：噴口側(cè)壁兼做放電陽極和噴口側(cè)壁由絕緣材料制成（分別如圖2-3所示）。前者被廣泛的應(yīng)用在電弧推進(jìn)器、電弧等離子體噴槍、電弧風(fēng)洞加熱器等裝置中，后者主要應(yīng)用于高壓斷路器中。高功率電弧推進(jìn)器（典型的如電弧發(fā)動機(jī)和磁致等離子體動力推進(jìn)器）由太陽能或核能經(jīng)轉(zhuǎn)換裝置獲得電能，利用電能電離推進(jìn)劑加速工質(zhì)，上游電弧等離子體經(jīng)過噴口的作用在下游擴(kuò)張段膨脹后呈現(xiàn)高速流動，借助有效的反作用力實現(xiàn)航天器的推進(jìn)，將在未來的航天任務(wù)中發(fā)揮更大的作用。電弧風(fēng)洞加熱器是模擬真實再入環(huán)境進(jìn)行飛行器氣動性能測試和熱防護(hù)材料燒燭性能測試的重要地面實驗設(shè)備。測試氣體以亞聲速速度注入收縮段，在噴口喉部約束段段經(jīng)過高強(qiáng)度密集加熱，氣體分子發(fā)生劇烈的電離和分解反應(yīng)，形成高溫高焓值等離子體流，流經(jīng)噴管擴(kuò)張段時以超聲速速度迅速向噴管出口處擴(kuò)散。電弧等離子體噴槍熱噴涂技術(shù)利用電弧等離子體的高焓高能流密度將噴涂材料加熱至熔融狀態(tài)，并通過氣流吹動使其霧化高速噴射到零件表面，以形成噴涂層的表面加工技術(shù)。電弧熱噴涂具有結(jié)合強(qiáng)度高，生產(chǎn)效率高，成本低，安全性好，噴涂質(zhì)量穩(wěn)定的特點。航空航天的表面防護(hù)是熱噴涂持續(xù)多年的研究熱點，在合金表面涂覆隔熱性能良好的高熔點陶瓷涂層，被廣泛應(yīng)用于小型火箭發(fā)動機(jī)噴管、返回地面人造衛(wèi)星回收天線等裝備的熱防護(hù)。高壓斷路器的超音速噴口利用高速對流能量耗散使電力短路故障電弧快速熄滅，以實現(xiàn)故障電流的成功開斷。盡管高壓斷路器在目前的航天器電源系統(tǒng)中尚未使用，可以的預(yù)期的是，隨著空間太陽能電站等超大功率空間航天系統(tǒng)的建設(shè)，作為電力系統(tǒng)安全衛(wèi)士的高壓斷路器必將進(jìn)入空間領(lǐng)域。

要提高電弧發(fā)生器工作特性，必須了解電弧等離子體的工作機(jī)理。其中，電弧溫度是描述電弧等離子體熱力學(xué)狀態(tài)的最重要的參數(shù)之一，通過對電弧溫度的研究，可以獲悉等離子體內(nèi)部的基本物理化學(xué)反應(yīng)過程，為提高電弧發(fā)生器的能量利用效率、改善電弧作用效果奠定基礎(chǔ)，同時，也對提升裝置工作的可靠性和穩(wěn)定性具有重要意義。

電弧等離子體溫度的測量方法可分為接觸測量和非接觸測量。接觸測量（典型方法有探針法和熱電偶法）主要使用傳感器與被測對象相接觸，測量實現(xiàn)容易，使用靈活，缺點是只能測量特定位置的溫度，測溫元件熱容量有限，并且會干擾測試區(qū)的溫度場。非接觸測量（典型方法有輻射測溫法和干涉測溫法）中測溫元件不與被測物接觸，其傳熱慣性小，不會破壞被測物的溫度場和造成感溫元件的損耗，是未來高溫測量的發(fā)展方向，在高溫溫度場測量中得到越來越多的應(yīng)用。其中，干涉法具有、計算量小、結(jié)果精確一次測量能獲得全場信息等特點，但該此法要求電弧等離子體處于折射率梯度小且呈軸對稱狀態(tài)，并且需要專門的光路設(shè)計，對于密閉空間電弧溫度的測量難于實現(xiàn)（廉金瑞，李俊岳.電弧的激光干涉診斷中CCD微機(jī)檢測系統(tǒng)的研究[J].焊接學(xué)報，1989，10（3）：157-163；陳球武，胡特生.焊接電弧形態(tài)和電弧溫度場[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，1986，12（3）：7-16）。

輻射法技術(shù)較為成熟，抗干擾能力好，使用廣泛，主要有全輻射測溫法，亮度測溫法以及雙波長測溫法。一般來講，電弧溫度從邊緣冷流的幾百K到中心上萬K連續(xù)變化，輻射連續(xù)光譜的波長范圍也覆蓋了可見光、紫外線和紅外線，所以輻射法測量成為獲得電弧等離子體溫度的有效手段。