基于吸收光谱波长调制技术的高速流场温度测量系统研究

【摘要】由于高速流场的特殊性,为了准确地获得高速流场的温度,要求测量方法对流场无干扰,能够进行非接触测量,具有高的时间分辨率。与传统的测量方法相比,基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术的测量技术能够满足这些要求。通过TDLAS技术能够获得流场的温度等特性,因此对于高速流场的参数测量具有重要的意义。TDLAS技术主要有两种方法：直接吸收法与波长调制法。直接吸收法的理论成熟实现简单,但测量信号依赖于绝对吸收水平,而且对于基线拟合误差非常敏感,因此适用于吸收线型孤立、谱线吸收度适中、所测流场压力不超过2atm的情况。而波长调制法在低频扫描信号的基础上,利用高频信号调制激光器,使得探测器探测到信号含有高频的谐波分量,进而通过锁相放大器进行提取。由于探测信号的频率较高,波长调制法能够获得较高的信噪比。随着TDLAS的不断发展,免标定技术的波长调制法逐渐成熟起来,减少了标定环节并使得可操作性更强,这为波长调制法的广泛应用奠定了基础。本文针对高速流场的特点,选择水蒸气作为吸收组分,设计并实现了TDLAS波长调制测量系统,应用于激波管驻室温度的测量,获得了激波管5区高压下的温度变化过程。主要研究结果有以下几个方面：1、介绍了直接吸收法与波长调制法的基本原理和谱线选择的原则,详细叙述了波长调制测量系统的软硬件构成,并重点介绍了谐波信号的提取方法。2、总结了波长调制法中的免标定波长调制法测温的原理以及主要的优势所在,对免标定数据处理迭代算法的实现进行了详细的介绍。3、根据TDLAS的理论,通过仿真程序分析调制度、吸收率、压力以及浓度等参数对谐波信号的影响,从而为实验中调制参数的选择提供了依据。4、利用Hitran2008,选择1409nm与1395nm两条水吸收谱线,建立了波长调制法测量系统,室温试验结果显示通过软件提取的谐波信号与锁相放大器获得的结果一致,温度测量误差5%左右。根据激波管驻室的流场条件,选择1392nm与1395nm两条水吸收线,在扫描频率1KHz调制频率250KHz的条件下实现对激波管驻室温度的监测。
【作者】邸越；
【导师】金熠；翟超；
【作者基本信息】中国科学技术大学，精密仪器及机械，2014，硕士
【关键词】可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)；波长调制；高速流场；温度测量；

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