[发明专利]一种高超声速流场脉动密度测量系统及测量方法

说明书

本发明公开了一种高超声速流场脉动密度测量系统及测量方法，激光经Y形光纤1A、1C、2A、2C传输，输出端通过光纤准直器d将激光对准光电探测器b，对激光器输出激光强度进行监测；激光经Y形光纤1A、1B传输，输出端的激光信号进入流场测试区；另一侧光纤准直器b收集激光信号后再次耦合经Y形光纤3B、3A传输构成干涉的测量光路；激光经Y形光纤1A、1C、2A、2B、3C、3A传输，构成干涉的参考光路，测量光与参考光相遇后产生干涉，Y形光纤3A输出端通过光纤准直器c将激光对准光电探测器a，对干涉信号进行测量。本发明系统测量结果与脉动密度直接相关；灵敏度高；抗干扰能力强；结构紧凑、调节简便，激光光源利用率高；可实现上百兆赫兹的响应频率。

技术领域

本发明属于高超声速风洞中测量设备技术领域，具体涉及一种高超声速流场脉动密度测量系统及测量方法。

背景技术

高超声速脉动特征是衡量风洞流场动态品质的重要参数，同时是研究湍流模型和转捩机理的关键参数。亚声速风洞中常用热线风速仪测量脉动速度，由于热线强度的限制及其对流场引入的干扰而无法在高超声速风洞中应用。高超声速风洞中主要测量脉动压力或脉动密度。脉动压力的测量方法受传感器响应频率限制无法覆盖所有重要的频带，并且流场总温较高时，传感器难以满足热载荷和冲击载荷的要求。已有的脉动密度测量方法，如纹影仪、激光聚焦差分干涉仪，其测量结果为密度梯度，需要经过复杂的换算才能得到脉动密度变化。因此，如何研发一种高超声速流场脉动密度测量方法，具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明针对高超声速流场的测量需求提出了一种高超声速流场脉动密度测量系统，具体涉及一种基于激光干涉的脉动密度测量方法，测量结果与脉动密度直接相关，且具有非接触测量、高响应频率、高灵敏度和抗干扰能力强等特点。

本发明采取的技术方案为：

一种高超声速流场脉动密度测量系统，包括激光能量监测系统、干涉测量系统，

更为具体的是，包括激光器、光纤耦合器、Y形光纤、光纤连接器、光纤准直器、光电探测器及信号采集器，所述激光器和光纤耦合器连接，

所述激光能量监测系统中，光纤耦合器通过Y形光纤1A、Y形光纤1C和光纤连接器a连接，光纤连接器a依次通过Y形光纤2A、Y形光纤2C和激光能量监测组件连接；

所述干涉测量系统包括干涉的参考光路和干涉的测量光路，

所述干涉的测量光路中，光纤耦合器通过Y形光纤1A、Y形光纤1B和光纤准直器a连接，光纤准直器a和光纤准直器b放置于需要测量流场的两侧，光纤准直器b通过Y形光纤3B、Y形光纤3A和干涉测量组件连接；

所述干涉的参考光路中，光纤耦合器通过Y形光纤1A、Y形光纤1C和光纤连接器a连接，光纤连接器a通过Y形光纤2A、Y形光纤2B和光纤连接器b连接，光纤连接器b通过Y形光纤3C、Y形光纤3A和干涉测量组件连接；

所述激光能量监测组件为光纤准直器d和光电探测器b组成的结构，所述干涉测量组件为光纤准直器c和光电探测器a组成的结构，光电探测器a和光电探测器b分别和信号采集器连接，通过信号采集器采集信号。

进一步的，所述Y形光纤的一端设置为一根传导光芯，Y形光纤的另一端设置为两根光芯并排放置，通过Y形光纤将光信号进行分路或复合。

进一步的，所述Y形光纤设为3根，分别通过阿拉伯数字1、2、3进行标注，其三个端口分别标注为A、B、C。

进一步的，所述激光器采用氦氖激光器，在输出端经光纤耦合器将激光束耦合进入Y形光纤中。