[發明專利]一種提高氣體流速測量精度的方法和裝置

有效

• 申請號: 201711075096.8
• 申請日: 2017-10-31
• 公開（公告）號: CN108008146B
• 公開（公告）日: 2019-11-08
• 發明（設計）人: 李金義;陳佳音;李浩丹
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: G01P5/26
• 分類號: G01P5/26
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明屬于高速氣體濃度、流速的測量技術領域，公開了一種提高氣流速度測量精度的方法和裝置。該方法利用波長調制光譜(WMS)技術，用鎖相放大器同時解調兩個偶次諧波信號(nf和mf，n、m＝2，4，6…且n＞m)，以mf歸一化nf(WMS?nf/mf)得到高信噪比的窄而尖的峰信號，通過窄峰的多普勒頻移計算氣體流速，可以提高測量分辨率和精度。本發明的裝置由可調諧激光器、光電探測器和鎖相放大器等構成。裝置的工作步驟是：兩束激光與氣流方向成一定角度交叉斜射入氣流場，出射激光分別被兩個探測器接收并轉換為電信號，由鎖相放大器解調得到WMS?nf/mf信號，通過兩個信號的多普勒頻移計算氣體的流速。

技術領域

本發明屬于高速氣體的流速、濃度測量技術領域，涉及可調諧二極管激光吸收光譜技術的方法和裝置，通過對目標氣體的待測譜線實施本方案，在測量氣體濃度和流速的同時，可提高流速的測量分辨率和精度。

背景技術

對于高速流場，如航空航天發動機的尾噴口處，氣體流速的測量非常重要。而傳統的測速方法如皮托管、熱線風速儀等，屬于接觸式測量，不但容易對燃燒過程造成干擾，而且惡劣的環境也會影響其壽命和測量結果的可靠性。可調諧半導體激光吸收光譜(TunableDiode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技術，利用半導體激光器的窄線寬和波長調諧等特性，對吸收譜線進行快速掃描，可實現對溫度、壓強、組份濃度的同時測量。TDLAS與激光多普勒技術結合，可進一步實現對高速氣流流速的快速、在線測量，是一種適用于惡劣環境的非接觸式流速測量方法。

TDLAS用于高速流場的測量開始于上世紀90年代。基本方案是基于直接吸收光譜(DAS)技術或波長調制光譜二次諧波(WMS-2f)探測技術，將激光分成兩路相對氣體速度呈交叉入射通過流場，利用DAS信號或WMS-2f信號的多普勒頻移確定流速。在這兩種方案中，多普勒頻移由兩個吸收峰的間距決定，峰寬越窄吸收峰位置的判斷越精準，即流速分辨率與譜線寬度有關。因此，受線寬和采樣率的限制，速度的分辨率往往不高，以常用的水氣位于1398nm處吸收線為例，其吸收譜線的半高半寬大概為0.1cm^-1，可推算出當激光束與氣流方向成45°夾角時，速度分辨率約為59.40m/s。若被測對象的流速低于59.40m/s，測量精度和準確度會降低，不能滿足低速測量及大范圍流速測量的需求。

故本發明在前人的理論研究基礎上提出了基于波長調制光譜雙高次諧波探測的方案，一定程度上提高了檢測精度，并在測量流速的同時測出氣體的組分濃度。

發明內容

本發明旨在克服現有技術的不足，提供一種提高TDLAS流速測量精度的方法和裝置。基于本發明的方法和裝置，同時采集波長調制光譜兩個不同的偶次諧波信號，提高TDLAS系統的測量氣體流速精度和檢測靈敏度，該方法和裝置可用于高速氣流在線、原位、實時的監測應用。

為達到上述目的，本發明的技術方案是：提高氣體流速測量精度的方法，其特征在于，利用波長調制光譜(WMS)技術，通過鎖相放大器同時解調兩個偶高次諧波信號(nf和mf信號，n，m＝2，4，6...且n＞m)，利用mf歸一化nf信號(WMS-nf/mf)得到兩個高信噪比的窄而尖的峰信號，通過觀察這兩個窄峰的多普勒頻移反演出高氣體流速。

氣體流速與頻率偏移Δυ、激光傳輸方向和氣流流速方向之間的夾角θ及沒有發生頻移時氣體吸收線的中心頻率υ₀有關：

其中，c為光速，V_gas為氣流流速，單位：m·s^-1；Δυ為頻率偏移，υ₀為沒有發生頻移時氣體吸收線的中心頻率，單位：Hz；θ為激光傳輸方向和氣流流速方向之間的夾角，單位：°。