[发明专利]一种波长调制吸收法同步测量流场压强、温度、浓度的方法

说明书

本发明公开一种波长调制吸收法同步测量流场压强、温度、浓度的方法，采用波长调制吸收信号的宽度来反演流场压强，然后利用压强对调制吸收信号强度的影响曲线修正压强对调制吸收信号的强度的影响，最后利用常规的TDLAS双线法测量原理反演流场的温度和组分浓度。利用本发明方法能够精确测量压强动态变化或高压强环境下的流场温度和浓度，同时该方法还实现了流场压强的同步测量，突破了常规压力传感器仅能实现壁面压力测量的限制。

技术领域

本发明涉及一种流场参数非接触测量方法，特别是涉及利用激光吸收光谱技术进行气体流场参数(压强、温度、组分浓度等)的探测。

背景技术

TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)技术，即可调谐二极管激光吸收光谱技术。它是基于二极管激光器的窄线宽和波长快速调谐特性，实现对探测组分的单条或多条吸收线的扫描测量，通过分析吸收谱线的物理参数可实现探测组分的温度、组分浓度、速度等的测量。

TDLAS波长调制吸收法是通过锁相检测原理将激光光强绝对值的测量转化为某一特定调制频率信号的测量，能够有效抑制其它频段噪声对测量的影响，具有测量灵敏度高和抗干扰能力强的优点，是目前复杂流场(含散射颗粒、压强动态变化)激光吸收光谱探测的主要方法。图1为典型的TDLAS波长调制吸收法原理及装置示意，二极管激光器2的波长受一个锯齿波和正弦波叠加的波形1调制，输出的激光穿过待测流场3后由光电探测器4将光强信号转化为电压信号5，最后经过锁相检测6并输出波长调制吸收信号7。

波长调制吸收法的温度测量一般是利用双线法，即通过同一组分两条吸收线的调制信号强度比值是温度的单值函数来反演流场温度。但是，对于压强动态变化的流场，两条吸收线的调制吸收信号强度7及其比值同样随压强的变化而变化，所以压强变化会给流场温度测量带来偏差。

目前，国际上主要有斯坦福大学C.S.Goldenstein等人(Appl.Phys.B,2014,116:705-716)利用TDLAS波长调制吸收法实现了高压强流场的温度反演计算，但其是利用光谱拟合的方法，即通过调整压强、温度、组分浓度参数使得理论计算信号谱与实验测量谱误差最小。该种方法的主要缺点是需要逐点计算波长调制吸收谱，运算量大，只适用于测量信号的后期处理，不利于研制实时在线测量的TDLAS波长调制吸收传感器。国内尚未见到采用调制吸收信号同步反演流场压强、温度、组分浓度的文献报导。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用调制吸收信号同步测量流场压强、温度、组分浓度的方法，解决压强动态变化环境下TDLAS调制吸收法温度与组分浓度测量不可靠的问题。

鉴于波长调制吸收信号的宽度随压强单调变化，且其随温度与组分浓度变化不敏感。本发明的技术解决方案是提供一种波长调制吸收法同步测量流场压强、温度、浓度的方法，包括以下步骤：

步骤一：调制二极管激光器波形，输出激光，所述激光穿过待测流场后由光电探测器将光强信号转化为电压信号，经锁相检测输出波长调制吸收信号；获得调制吸收信号的宽度随待测流场压强变化的曲线；

步骤二：利用调制吸收信号的宽度反演压强；

计算公式为：

P＝f(w) (1)

式中，P为流场的压强，f(w)表示压强随调制信号宽度变化曲线，w表示调制吸收信号宽度；f(w)为采用插值算法对实验测量点的插值函数。

步骤三：计算压强修正系数K，其表达式为：

式中，P为步骤二中获得的压强，T₀为参考温度，H(P,T₀)为在参考温度T₀下调制吸收信号强度H随压强P变化曲线，下标1，2表示吸收线1