[发明专利]一种基于光纤传输的喷口电弧温度非接触测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤传感技术和光谱辐射理论相结合的电弧温度光学测量系统，特别适用于喷射电推力器、电弧等离子体炬、高压断路器等装置喷口电弧等离子体动态温度的非接触式测量。

背景技术

电弧放电是一种能独立存在的自持放电现象。其中，在拉伐尔喷口中放电产生电弧等离子体的方法被广泛应用在航天动力推进、表面材料处理制备、电力故障电流开断等领域。拉法尔喷口是一种轴对称喷口，具有典型的收缩段、约束段和扩张段。由于应用背景的差异，其制造材料也有所不同，最常见的主要有两种：喷口侧壁兼做放电阳极和喷口侧壁由绝缘材料制成（分别如图2-3所示）。前者被广泛的应用在电弧推进器、电弧等离子体喷枪、电弧风洞加热器等装置中，后者主要应用于高压断路器中。高功率电弧推进器（典型的如电弧发动机和磁致等离子体动力推进器）由太阳能或核能经转换装置获得电能，利用电能电离推进剂加速工质，上游电弧等离子体经过喷口的作用在下游扩张段膨胀后呈现高速流动，借助有效的反作用力实现航天器的推进，将在未来的航天任务中发挥更大的作用。电弧风洞加热器是模拟真实再入环境进行飞行器气动性能测试和热防护材料烧烛性能测试的重要地面实验设备。测试气体以亚声速速度注入收缩段，在喷口喉部约束段段经过高强度密集加热，气体分子发生剧烈的电离和分解反应，形成高温高焓值等离子体流，流经喷管扩张段时以超声速速度迅速向喷管出口处扩散。电弧等离子体喷枪热喷涂技术利用电弧等离子体的高焓高能流密度将喷涂材料加热至熔融状态，并通过气流吹动使其雾化高速喷射到零件表面，以形成喷涂层的表面加工技术。电弧热喷涂具有结合强度高，生产效率高，成本低，安全性好，喷涂质量稳定的特点。航空航天的表面防护是热喷涂持续多年的研究热点，在合金表面涂覆隔热性能良好的高熔点陶瓷涂层，被广泛应用于小型火箭发动机喷管、返回地面人造卫星回收天线等装备的热防护。高压断路器的超音速喷口利用高速对流能量耗散使电力短路故障电弧快速熄灭，以实现故障电流的成功开断。尽管高压断路器在目前的航天器电源系统中尚未使用，可以的预期的是，随着空间太阳能电站等超大功率空间航天系统的建设，作为电力系统安全卫士的高压断路器必将进入空间领域。

要提高电弧发生器工作特性，必须了解电弧等离子体的工作机理。其中，电弧温度是描述电弧等离子体热力学状态的最重要的参数之一，通过对电弧温度的研究，可以获悉等离子体内部的基本物理化学反应过程，为提高电弧发生器的能量利用效率、改善电弧作用效果奠定基础，同时，也对提升装置工作的可靠性和稳定性具有重要意义。

电弧等离子体温度的测量方法可分为接触测量和非接触测量。接触测量（典型方法有探针法和热电偶法）主要使用传感器与被测对象相接触，测量实现容易，使用灵活，缺点是只能测量特定位置的温度，测温元件热容量有限，并且会干扰测试区的温度场。非接触测量（典型方法有辐射测温法和干涉测温法）中测温元件不与被测物接触，其传热惯性小，不会破坏被测物的温度场和造成感温元件的损耗，是未来高温测量的发展方向，在高温温度场测量中得到越来越多的应用。其中，干涉法具有、计算量小、结果精确一次测量能获得全场信息等特点，但该此法要求电弧等离子体处于折射率梯度小且呈轴对称状态，并且需要专门的光路设计，对于密闭空间电弧温度的测量难于实现（廉金瑞，李俊岳.电弧的激光干涉诊断中CCD微机检测系统的研究[J].焊接学报，1989，10（3）：157-163；陈球武，胡特生.焊接电弧形态和电弧温度场[J].北京航空航天大学学报，1986，12（3）：7-16）。

辐射法技术较为成熟，抗干扰能力好，使用广泛，主要有全辐射测温法，亮度测温法以及双波长测温法。一般来讲，电弧温度从边缘冷流的几百K到中心上万K连续变化，辐射连续光谱的波长范围也覆盖了可见光、紫外线和红外线，所以辐射法测量成为获得电弧等离子体温度的有效手段。