[發明專利]一種用于狹小環境下弱吸收氣體參數高靈敏測量的測量裝置

在審

• 申請號: 202110560382.3
• 申請日: 2021-05-21
• 公開（公告）號: CN113281300A
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發明（設計）人: 饒偉;宋俊玲;婁登程;馮高平;王殿愷
• 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;G01N21/01
• 代理公司: 北京眾元弘策知識產權代理事務所(普通合伙) 11462
• 代理人: 宋磊

本發明公開了一種用于弱吸收氣體參數高靈敏測量的裝置，屬于光學測量技術領域，能夠解決現有技術中由于測量環境惡劣、氣體組分濃度低、吸收信號弱導致的測量信號結果較差的問題。所述測量裝置包括：密封結構件、腔體發射端、腔體接收端。密封結構件為選擇性使用，安裝密封結構件可以用于封閉環境下待測氣體的測量；卸載密封結構件可以將所述測量裝置用于激波管、發動機燃燒氣體的測量；腔體發射端用于將入射激光準直后引入腔中，并調節激光的入射角和離軸距離；腔體接收端用于將含有吸收信息的光聚焦后耦合到光纖中。

技術領域

一種用于狹小環境下弱吸收氣體參數高靈敏測量的測量裝置，涉及一種氣體測量裝置，特別是一種用于狹小環境下弱吸收氣體參數高靈敏測量的測量裝置，屬于光學測量技術領域。

背景技術

激波管、發動機擴張段等流場的氣體參數信息測量對于研究化學動力學具有重要意義。激光吸收光譜(Laser?Absorption?Spectroscopy，LAS)利用氣體分子對光線特定波長的吸收特性測量流場氣體組分濃度、壓強、溫度等參數信息，具有非侵入、特異性強、靈敏度高、可靠性好等特點，但是由于在狹小環境下與氣體相互作用距離的限制，對于弱吸收氣體的測量一直存在信噪比不高的問題。

離軸積分腔輸出光譜(Off-Axis?Integrated?Cavity?Output?Spectroscopy,ICOS)是一種高靈敏度檢測技術，利用光學諧振腔特性，將激光耦合到兩端帶有高反射率反射鏡的諧振腔內來回反射增加激光與物質作用的距離，相比于傳統的可調諧半導體激光吸收光譜(Tunable?Diode?Laser?Absorption?Spectroscopy,TDLAS)具有更高的信噪比，且在有限的空間內可以實現更長的有效光程，更適合在激波管、發動機等流場環境中進行參數測量。

中國發明專利申請(申請號201710696889.5)公開了一種基于自會聚鏡片的離軸積分腔輸出光譜氣體探測裝置，包括QCL激光器、激光控制器、信號發生器、鎖相放大器、反射鏡、積分腔、平凹髙反鏡、凹凸髙反鏡、光電探測器、采集卡、壓力傳感器、溫度傳感器、氣泵、質量流量控制器、信號處理系統。該發明在積分腔的激光出射端采用兩面曲率特殊設計的凹凸髙反鏡片，使透射的激光被自動會聚到探測器上，而不必再使用離軸拋物鏡或者透鏡對出射光線進行會聚，減少了因透射光發散，導致透射光不能被很好的會聚，同時減少鏡片的安裝部件對透射光的遮擋，使透射光更好的會聚。該發明去除了聚焦透鏡的使用，優化了光路結構，但是仍然不能解決入射光線定量調節的問題，以及在測量環境惡劣的條件下(如發動機隔離段、激波管)，仍能準確運行的問題。本發明將光學結構各個部分模塊化，利用同軸系統部件組合在一起，使得可以定量研究入射光線變化對系統的影響，并且解決了在發動機隔離段這種高溫和劇烈振動的環境中探測器仍能準確接收信號的問題。

發明內容

本發明的目的在于解決現有技術中存在的由于激波管、發動機擴張段較短的空間光程和特定氣體吸收較弱導致信號信噪比不高的問題。而提出了一種用于狹小環境下弱吸收氣體參數高靈敏測量的測量裝置。

本發明的技術方案：

一種用于弱吸收氣體參數高靈敏測量的測量裝置，該測量裝置包括：密封結構件、腔體發射端和腔體接收端；腔體發射端和腔體接收端位于密封結構件的兩端，其中：密封結構件具有用于待測氣體進氣的進口和出氣的出口；腔體發射端，包括五維調節準直鏡、介質膜反射鏡、腔體結構件、同軸安裝長接桿、籠板轉接件、移動式安裝平板；腔體接收端，包括五維調節耦合鏡、介質膜反射鏡、聚焦透鏡、腔體結構件、同軸安裝短接桿、籠板轉接件。

所說的測量裝置發射端由同軸安裝短接桿將腔體發射端的五維調節準直鏡、籠板轉接件和移動式安裝平板連接在一起；接收端利用同軸安裝長接桿將腔體接收端的腔體結構件、籠板轉接件和五維調節耦合鏡固定在一起，螺旋壓緊件緊固介質膜反射鏡和聚焦透鏡。

所述移動式安裝平板上標有刻度線，用于光線的離軸入射調節；所述籠板轉接件用于將五維調節耦合鏡和五維調節準直鏡同軸心固定在測量裝置上。