[發(fā)明專利]一種高焓流場(chǎng)自由流的速度測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110448728.0
• 申請(qǐng)日: 2021-04-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113280996B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-02-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋華振;文帥;諶君謀;陳星;陳勇富
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院
• 主分類號(hào): G01M9/06
• 分類號(hào): G01M9/06;G01P5/26
• 代理公司: 中國(guó)航天科技專利中心 11009
• 代理人: 李晶堯

1.一種高焓流場(chǎng)自由流的速度測(cè)量方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟一、搭建可調(diào)諧二極管激光器吸收光譜測(cè)量系統(tǒng)，包括DFB近紅外激光器(1)、激光分束器(2)、信號(hào)發(fā)生器(3)、激光控制器(4)、4條傳輸光纖(5)、上垂直準(zhǔn)直鏡(61)、上傾斜準(zhǔn)直鏡(62)、下垂直準(zhǔn)直鏡(63)、下傾斜準(zhǔn)直鏡(64)、2個(gè)探測(cè)器(7)和工作站(8)；其中，上垂直準(zhǔn)直鏡(61)、上傾斜準(zhǔn)直鏡(62)、下垂直準(zhǔn)直鏡(63)、下傾斜準(zhǔn)直鏡(64)設(shè)置在高焓流場(chǎng)均勻區(qū)內(nèi)；

所述信號(hào)發(fā)生器(3)的輸出端與激光控制器(4)的輸入端連接；激光控制器(4)的輸出端與DFB近紅外激光器(1)的輸入端連接；DFB近紅外激光器(1)的輸出端通過(guò)光纖與激光分束器(2)的輸入端連接；激光分束器(2)的輸出端通過(guò)2條傳輸光纖(5)分別與上垂直準(zhǔn)直鏡(61)和上傾斜準(zhǔn)直鏡(62)連通；下垂直準(zhǔn)直鏡(63)對(duì)應(yīng)上垂直準(zhǔn)直鏡(61)設(shè)置；下傾斜準(zhǔn)直鏡(64)對(duì)應(yīng)上傾斜準(zhǔn)直鏡(62)設(shè)置；實(shí)現(xiàn)上垂直準(zhǔn)直鏡(61)和上傾斜準(zhǔn)直鏡(62)連線與流場(chǎng)來(lái)流方向平行，下垂直準(zhǔn)直鏡(63)和下傾斜準(zhǔn)直鏡(64)連線與流場(chǎng)來(lái)流方向平行，上垂直準(zhǔn)直鏡(61)和下垂直準(zhǔn)直鏡(63)連線垂直與流場(chǎng)來(lái)流方向，且上傾斜準(zhǔn)直鏡(62)和下傾斜準(zhǔn)直鏡(64)連線與上垂直準(zhǔn)直鏡(61)和下垂直準(zhǔn)直鏡(63)連線的夾角為θ；下垂直準(zhǔn)直鏡(63)通過(guò)1條傳輸光纖(5)與1個(gè)探測(cè)器(7)連通；下傾斜準(zhǔn)直鏡(64)通過(guò)1條傳輸光纖(5)與另1個(gè)探測(cè)器(7)連通；2個(gè)探測(cè)器(7)均與工作站(8)連通；

步驟二、設(shè)置信號(hào)發(fā)生器(3)的輸出激光頻率和占空比；通過(guò)可調(diào)諧二極管激光器吸收光譜測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行激光探測(cè)試驗(yàn)；工作站(8)獲得2個(gè)分路激光的光譜信號(hào)；

步驟三、激光探測(cè)試驗(yàn)結(jié)束，對(duì)可調(diào)諧二極管激光器吸收光譜測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行干涉儀標(biāo)定；獲得多項(xiàng)式方程，并將多項(xiàng)式方程導(dǎo)入工作站(8)；信號(hào)發(fā)生器(3)的輸出激光頻率大于5kHz，且輸出激光為50％占空比的高阻抗鋸齒波；通過(guò)激光控制器(4)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出激光波長(zhǎng)的調(diào)整；

步驟四、在每個(gè)分路激光的光譜信號(hào)中查找?guī)в形辗宓闹C波曲線，采用基線擬合法，根據(jù)諧波曲線未吸收部分?jǐn)M合出諧波基線；計(jì)算諧波曲線與諧波基線時(shí)域下的吸收率-時(shí)間曲線；將吸收率-時(shí)間曲線中的時(shí)間坐標(biāo)代入多項(xiàng)式方程，得到每個(gè)分路激光的光譜信號(hào)的頻域-吸收率曲線；計(jì)算諧波曲線與諧波基線時(shí)域下的吸收率曲線的方法為：

計(jì)算諧波曲線與諧波基線的比值，即得到吸收率曲線；

步驟五、使用Voigt函數(shù)分別對(duì)2路光譜信號(hào)的頻域-吸收率曲線進(jìn)行擬合，獲得2路光譜信號(hào)最大吸收率處的頻率值V₁和V₂；由于多普勒頻移效應(yīng)，2路光譜信號(hào)最大吸收率處的頻率值存在偏差，計(jì)算偏差值ΔV；計(jì)算高焓流場(chǎng)速度值U；

偏差值ΔV的計(jì)算方法為：

ΔV＝|V₁-V₂|

高焓流場(chǎng)速度值U的計(jì)算方法為：

式中，c為光速；

V₀為DFB近紅外激光器(1)的中心頻率；

夾角θ的范圍為20°-35°；上垂直準(zhǔn)直鏡(61)和下垂直準(zhǔn)直鏡(63)連線與下垂直準(zhǔn)直鏡(63)和下傾斜準(zhǔn)直鏡(64)連線之間的距離小于流場(chǎng)來(lái)流的寬度。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高焓流場(chǎng)自由流的速度測(cè)量方法，其特征在于：所述步驟二中，激光探測(cè)的過(guò)程為：

信號(hào)發(fā)生器(3)發(fā)出輸出激光，輸出激光依次經(jīng)激光控制器(4)、DFB近紅外激光器(1)和激光分束器(2)，生成2路參數(shù)相同的分路激光；其中1路分路激光通過(guò)上垂直準(zhǔn)直鏡(61)發(fā)射，經(jīng)高焓流場(chǎng)均勻區(qū)后由下垂直準(zhǔn)直鏡(63)接收；另1路分路激光通過(guò)上傾斜準(zhǔn)直鏡(62)發(fā)射，經(jīng)高焓流場(chǎng)均勻區(qū)后由下傾斜準(zhǔn)直鏡(64)接收；下垂直準(zhǔn)直鏡(63)和下傾斜準(zhǔn)直鏡(64)接收的兩路分路激光經(jīng)對(duì)應(yīng)的2個(gè)探測(cè)器(7)轉(zhuǎn)化為光譜信號(hào)，并將2路光譜信號(hào)發(fā)送至工作站(8)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高焓流場(chǎng)自由流的速度測(cè)量方法，其特征在于：所述DFB近紅外激光器(1)實(shí)現(xiàn)吸收高焓流場(chǎng)中的H₂O分子；所述DFB近紅外激光器(1)的中心頻率V₀和激光控制器(4)的參數(shù)通過(guò)波長(zhǎng)計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。