[發明專利]基于波長調制吸收光譜的高速流場多參數測量系統及方法

有效

• 申請號: 202011278426.5
• 申請日: 2020-11-16
• 公開（公告）號: CN112378616B
• 公開（公告）日: 2021-12-10
• 發明（設計）人: 王興平;金熠;彭冬;李佳勝
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01M9/06
• 分類號: G01M9/06;G01D21/02
• 代理公司: 合肥天明專利事務所(普通合伙) 34115
• 代理人: 汪貴艷

本發明涉及基于波長調制吸收光譜的高速流場多參數測量系統及方法，包括信號發生器、激光器、數據采集系統以及測量架，所述測量架及風洞試驗艙外部均安裝有一一對應的準直器形成三組準直器組；所述信號發生器的輸出端分別連接有兩激光器，兩激光器的輸出端均通過分束器連接形成四路激光，其中一路激光通過光纖傳輸到近紅外標準具上用于激光頻率標定、另外三路激光通過光纖用于分別測量水氣溫度、水氣分壓和水氣速度；所述三組準直器組和近紅外標準具的輸出端分別與四個探測器一一連接，四個探測器的輸出端與數據采集系統連接。本發明能夠高精度、快速同步反演高速流場中的水氣速度、溫度和分壓，適用于高超聲速風洞中的流場質量評估。

技術領域

本發明涉及可調諧激光氣體吸收光譜探測技術領域，具體涉及一種基于波長調制吸收光譜技術的高速流場多參數快速測量系統及方法。

背景技術

隨著先進航天飛行器的快速發展，與航天飛行器緊密相關的高超聲速氣動力學和氣動加熱問題受到高度重視，而進行這些研究首先要獲取高速流場參數，包括氣體的溫度、分壓及流速等。地面風洞模擬是一種效率高、成本低的研究方案，在與氣流相關的流體力學領域中，已經得到了廣泛的應用。

在風洞試驗中，非接觸測量技術是揭示流場特性的重要方法，這種技術不僅可以獲得有關流動狀態的直接現象及流動的發展過程，還能給出流動參數的定量結果。與其他試驗方法的不同之處在于，非接觸測量使得流場的某些特征可視化并且能獲得整個流場中物理現象的信息。在風洞中常見的非接觸測量可以分為以下6類：光學顯示技術、光學測量技術、光譜診斷技術、微波測量技術、攝影測量及圖像處理技術以及計算流動顯示技術。

光譜診斷技術包括自發輻射光譜探測技術、激光誘導熒光技術、瑞利散射技術、拉曼光譜技術和可調諧二極管激光器吸收光譜法等。其中可調諧二極管激光器吸收光譜(TDLAS)診斷技術能實現待測流場的組分、濃度和溫度信息，測量精度高、速度快，同時器件成熟，成本較低，是進行風洞非接觸高速流場參數測量的有效方法之一。

當前利用TDLAS技術測量風洞流場關鍵參數多采用后期數據處理方法,處理時間長，多達半個月至一個月。也有部分研究人員采用了在線計算方法，但采用的是假設水氣分壓為常數，只求取流場水氣溫度一種關鍵參數，但該常數值通常由CFD模擬估計或經驗判斷，通常具有較大誤差。鑒于此，有必要開發一種可以提高TDLAS技術使用效率、保證高測量精度，同時可實現多參數同步測量的流場關鍵參數快速測量TDLAS應用技術。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于波長調制吸收光譜技術的高速流場多參數快速測量系統及方法，該系統能夠在線快速測量高速流場中的多種關鍵參數，包括流場中的水氣溫度、水氣分壓和水氣速度。解決了目前TDLAS應用技術中數據處理時間長，難以實現快速在線計算的問題，同時保證待測流場中關鍵參數的計算精度。

為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：

基于波長調制吸收光譜的高速流場多參數測量系統，包括信號發生器、激光器、數據采集系統以及架設在風洞試驗艙內部的測量架，所述測量架及風洞試驗艙外部均安裝有一一對應的準直器，并形成三組準直器組；所述信號發生器的輸出端分別連接有第一激光器、第二激光器，所述第一激光器、第二激光器的輸出端均通過分束器連接形成四路激光，其中一路激光通過光纖傳輸到近紅外標準具上用于激光頻率標定、另外三路激光通過光纖分別傳輸至相對應的一組準直器組上，用于分別測量水氣溫度、水氣分壓和水氣速度；所述三組準直器組和近紅外標準具的輸出端分別與四個探測器一一連接，四個探測器的輸出端與數據采集系統連接。

進一步方案，所述第一激光器與信號發生器之間連接有第一激光器控制器，所述第二激光器與信號發生器之間連接有第二激光器控制器；所述第一激光器控制器、第二激光器控制器分別控制第一激光器、第二激光器的電流和溫度。