[發明專利]基于激光吸收光譜的流場測量系統集成樣機

有效

• 申請號: 201710142697.X
• 申請日: 2017-05-09
• 公開（公告）號: CN107064059B
• 公開（公告）日: 2019-01-29
• 發明（設計）人: 王廣宇;洪延姬;宋俊玲;金星;饒偉
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍戰略支援部隊航天工程大學
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 北京中政聯科專利代理事務所(普通合伙) 11489
• 代理人: 陳超

本發明提供了一種基于激光吸收光譜的流場測量系統集成樣機，樣機包含可調諧半導體激光器、激光器控制電路、光纖耦合器件、光電探測器、高速信號采集與存儲電路等部件，其中可調諧半導體激光器、光纖耦合器件、光電探測器選用商業器件，激光器控制電路和高速信號采集與存儲電路為自主研發，主要實現激光發射和控制以及信號采集與存儲等功能。樣機采用高集成度設計，整個樣機尺寸20cm×15cm×10cm，重量2.6kg，最大功耗25W。支持16個測量通道，數據高速在線存儲，總存儲帶寬160MByte/S，在最大帶寬條件下可連續存儲數據26分鐘，并且各通道采集速率可獨立動態配置。

技術領域

本發明屬于流場光學測量技術領域，涉及可調諧半導體激光吸收光譜技術，特別涉及一種用于激光吸收光譜測量的集成樣機技術。

背景技術

先進吸氣式發動機和組合循環發動機在未來的科技、軍事競爭中具有重要的戰略地位，得到航天大國和軍事強國的高度重視。發動機流場測試與診斷技術是伴隨發動機設計、試驗、監測和維護等全過程的核心技術，也是制約發動機性能提升的關鍵技術之一。目前的發動機流場診斷還主要依靠傳統的接觸測量技術，隨著對燃燒和推進流場研究的不斷深入，接觸測量技術所表現出的局限性日益凸顯，如壁面傳感器無法探測流場內部的溫度或壓力，侵入式探針或測量耙設備復雜、故障率高。而對于超聲速推進流場，探針也往往會擾亂流動、產生激波結構，高溫下長期工作時探針可能燒毀。為克服傳統診斷技術的局限，發展非接觸的激光測量技術就成為必然選擇。

可調諧二極管激光吸收光譜(Tunable diode laser absorption spectroscopyTDLAS)技術是通過被測氣體組分對激光的共振吸收，使激光能量產生衰減，進而對氣體參量進行分析和判斷。具有時間響應快、信號強度高、數據分析簡單、價格相對低廉等特點，由于可用光纖將遠距離傳輸激光，降低了在發動機上應用的難度和代價。也可以提供足夠快的反饋而有潛力用于燃燒和推進系統的閉環控制。隨著現代電子技術的發展，TDLAS的小型化傳感器技術已獲得突破，使其成為唯一有望在不久的將來獲得實際飛行應用的光學測量手段，并最終用于發動機的飛行狀態監測和反饋控制。

從上世紀90年代開始，以Stanford大學、NASA、Physical Sciences公司、美國空軍等為代表的眾多科研單位、政府、企業和軍方部門都積極開展TDLAS技術及應用研究，先后在激波管、航空發動機、超燃沖壓發動機、脈沖爆震發動機、汽輪機、內燃機、工業燃燒爐等流場進行了成功的工程應用。進入新世紀以來，TDLAS技術引起我國科研院所和工業企業的廣泛關注，發展較為迅速，目前已開始涉及燃燒和推進流場的應用研究，積累了一定的技術基礎和工程應用經驗，但研究能力和水平尚有較大差距。

TDLAS測量設備硬件主要包括可調諧半導體激光器、激光器的電源和溫控設備、信號采集和存儲設備、光電探測器和光纖耦合器件等，這些器件都有成熟的商業產品可用。目前的發動機地面實驗普遍采用商業器件，從功能上完全可滿足測量需求，但也存在著一些問題：1)商業器件普遍存在設備復雜、體積重量大、價格昂貴；2)各器件獨立分散，需要較大的空間才能完全展開，有時在工程環境下應用受限；3)目前的商業器件由于體積、重量和功耗等的限制，無法實現發動機的飛行應用。為解決存在的上述問題，需要研制測量系統集成樣機，在滿足測量功能的前提下，盡可能降低系統的體積、重量和功耗，與商業器件相比，價格也會大幅下降。

下述文獻直接涉及到了測量系統集成樣機。