[發明專利]一種基于高頻參考光頻分復用技術的氣體濃度測量裝置及測量方法

有效

• 申請號: 202010314386.9
• 申請日: 2020-04-20
• 公開（公告）號: CN111474138B
• 公開（公告）日: 2023-03-28
• 發明（設計）人: 周賓;連久翔;王一紅
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39;G01N21/27
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 李倩

本發明公開了一種基于高頻參考光頻分復用技術的氣體濃度測量裝置，本發明還公開了一種基于高頻參考光頻分復用技術的氣體濃度測量方法。本發明將高頻參考光路與波長調制測量光路進行耦合，實現對干擾信號的提取與探測光強的修正進而準確提取探測光強的諧波信號，提高了氣體參數測量的準確性，拓展了光譜吸收法的應用范圍；本發明方法具有適用性好，應用場景廣泛等特點，因此本發明方法對于航空航天發動機燃燒室等復雜環境下火焰溫度、組分濃度的檢測具有重要的應用價值。

技術領域

本發明涉及一種基于高頻參考光頻分復用技術的氣體濃度測量裝置，還涉及一種基于高頻參考光頻分復用技術的氣體濃度測量方法，屬于光學測量技術領域。

背景技術

航空發動機是一種復雜而精密的熱力機械，直接影響到飛機的性能、可靠性和經濟性。燃燒室是發動機必不可少的重要部件，通過燃燒釋放燃料中的化學能，將化學能轉化為熱能，產生高溫、高壓燃氣，提高發動機的做功能力。設計燃燒室時，需要保證燃燒穩定性好，燃燒效率高，排放污染少。燃燒產物中主要有殘余空氣(O₂和N₂)、碳氧化物(CO和CO₂)、氮氧化物(NO和NO₂)、未燃烴類化合物(TCH)等氣體以及固態細微顆粒。其中特征氣體是反映燃燒特性的重要指示性氣體。它的存在表明燃料沒有完全燃燒，燃燒效率有待提高。對特征氣體參數的檢測，有利于燃燒效率的優化，獲得燃燒室設計、燃料當量比選擇的重要數據。

氣體檢測技術按照測量原理主要分為兩類：光譜法和非光譜法。非光譜法主要有化學分析法、電學式氣體檢測法。化學分析法能夠有效地分離混合氣體，但響應時間較慢。電學式氣體檢測法靈敏度高、探測范圍廣，但需要接觸測量環境，且鑒別氣體種類的能力較差。光譜法通過測量目標氣體光譜相關參數，反演氣體濃度信息，可以檢測氣體的種類多，具有非接觸測量、響應時間快等優點，是目前氣體檢測的研究熱點。光譜法主要有傅里葉變換紅外吸收光譜法(FTIR)、可調諧半導體激光吸收光譜(TDLAS)等。FTIR技術主要基于邁克爾遜干涉儀原理，紅外光源經準直透鏡準直后發出平行光，經待測氣體吸收后由望遠鏡系統接收，再經過干涉儀匯聚到探測器，從而得到待測氣體的干涉信號，經傅里葉變換后即可得到不同濃度下氣體的吸收光譜信息，從而計算出氣體的濃度。但是FTIR設備比較龐大，響應速度也相對較慢，并且價格相對昂貴，因此未來還需要一定的發展。TDLAS技術是基于半導體激光器的窄線寬特性的一種光譜測量方法，可以實現混合氣體的多組分、多參數同時測量，其通用性非常強，測量分辨率高，選擇合式的待測氣體特征吸收譜線即可測出痕量氣體的濃度。其中，基于TDLAS的波長調制光譜法(WMS)具有信噪比高和測量靈敏度高等優點，已被廣泛應用于紅外波段的痕量氣體探測和航空航天發動機燃燒火焰溫度、組分濃度檢測等方面。

在復雜環境下的氣體參數檢測中，由于環境中湍流、強振動等干擾因素的影響，依賴傳統WMS方法測量的信號將失真，無法用于提取有用的信息。例如，在航空發動機燃燒診斷過程中，發動機點火和燃燒階段的強振動、燃燒流場的強湍流將對透射光強帶來嚴重干擾，影響發動機燃燒診斷測量精度。對此，在對實驗信號進行處理時，可以采用光強多周期平均的方式對噪聲進行抑制。波長調制技術通過疊加高頻調制信號，將高頻吸收信號與低頻噪聲在頻域上進行分離，借助鎖相濾波技術，將吸收信號在特定倍頻處解調出來，從而有效地抑制了低頻噪聲干擾。然而，目前對航空發動機燃燒診斷使用的調制頻率仍然較低，多在200kHz以下。提高傳統WMS方法的調制頻率，又容易引起激光控制器對激光出光中心控制不穩、探測器帶寬不足、采集設施不能滿足要求等問題。此外，在機械振動和火焰抖動嚴重等測量環境中，尤其是對超燃發動機的瞬態流場而言，干擾頻率和調制頻率相當，極易產生串擾，無法實現干擾和吸收信號在頻域上的分離，嚴重影響了測量精度。

發明內容

發明目的：本發明所要解決的技術問題是提供一種基于高頻參考光頻分復用技術的氣體濃度測量裝置。

本發明還要解決的技術問題是提供一種基于高頻參考光頻分復用技術的氣體濃度測量方法，該測量方法通過從原始光強信號中提取出有效信息，能夠極大的提高復雜環境下氣體參數測量的準確性。