[发明专利]激光吸收谱测量的光学探头设计方法

说明书

技术领域

本发明属于流场光学测量技术领域，涉及可调谐半导体激光吸收光谱技术，特别涉及一种用于激光吸收光谱测量的嵌入式光学探头技术。

背景技术

由于非接触特性及监测成分的可选择性，激光测量技术已成为燃烧和推进流场诊断技术的重要发展方向。其中可调谐半导体激光吸收光谱（tunable diode laser absorption spectroscopy TDLAS）技术发展相对成熟，可测量气体的温度、组分浓度、速度、质量流量等关键的流场参数。基于TDLAS的测量系统具有时间响应快、数据分析简单、信号强度高、光束可由光纤进行远距离传输、价格相对低廉等显著优势。

从上世纪90年代开始，以Stanford大学、NASA、Physical Sciences公司、美国空军等为代表的众多科研单位、政府、企业和军方部门都积极开展TDLAS技术及应用研究，先后在激波管、航空发动机、超燃冲压发动机、脉冲爆震发动机、汽轮机、内燃机、工业燃烧炉等流场进行了成功的工程应用。进入新世纪以来，TDLAS技术引起我国科研院所和工业企业的广泛关注，发展较为迅速，目前已开始涉及燃烧和推进流场的应用研究，积累了一定的技术基础和工程应用经验，但研究能力和水平尚有较大差距。

光学探头是TDLAS工程应用的关键器件之一，其功能是将激光束准直发射，进入被测流场，并对穿过流场的光束进行捕获，包括发射探头和接收探头。在发动机等实际燃烧流场，面临着振动冲击、气动折射、高温高压等恶劣环境以及安装空间和光学入口都严重受限等苛刻条件，光学探头对测量信号的获取将起到至关重要的作用，直接决定着测量的成败。

下述文献直接涉及到了光学探头的设计。

1、Physical Sciences公司在美国空军的资助下，在Wright-Patterson空军基地的超声速燃烧风洞应用TDLAS传感器测量流场的温度、速度和水蒸气浓度（Upschulte B L,Miller M F,Allen M G,et al..Continuous water vapor mass flux and temperature measurements in a model Scramjet combustor using a diode laser sensor[R].Reno:37th AIAA Aerospace Sciences Meeting&Exhibit.AIAA99-0518.）。传感器安装在风洞的燃烧室，在燃烧室壁面开有4个2.54cm的孔，用于安装光学窗口，为保护光学窗口免于高温损失，在窗口安装孔的旁边开有单独的通气孔，在窗口前端形成气膜。探头安装在壁面外侧并与窗口独立。发射探头包含准直器和支撑架，支撑架没有发射角度的调节功能，光束达到接收探头后先用凹面镜聚焦再由探测器接收。

2、Stanford大学的Hanson实验室与美国Pratt&Whitney飞机公司合作，在PW6000商用航空发动机上应用TDLAS传感器测量进气道的空气质量流量（Lyle K H,Jeffries J B and Hanson R K.Diode laser sensor for air mass flux based on oxygen absorption2:non-uniform flow modeling and aero-engine tests[J].AIAA Journal,2007,45.）。发动机进气道的上游外接钟形口和“辅轮”，用于安装压力和温度探针。TDLAS传感器安装在钟形口，在钟形口上没有专门的光学通道而是借用了压力探针安装孔安装光学窗口。探头安装在壁面外侧并与窗口独立，发射准直器安装在商业多轴调整架上，可进行发射角度的二维调节，接收探头包含聚焦面镜和探测器，用于对光束的捕获。

3、Stanford大学的Hanson实验室在NASA的资助下，在Langley中心的直连式超燃冲压试验台上应用TDLAS传感器测量隔离段气流的质量流量（Chang L S,Jeffries J B and Hanson R K.Mass flux sensing via tunable diode laser absorption of water vapor[C].Orlando:49th AIAA Aerospace Science Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition,AIAA2011-1093.）。该文献中的光学探头的设计与文献2类似。