基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统的制作技术

本技术公开了一种基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统，包括激光器模块、高速气流模块、信号采集和数据处理模块以及上位机，激光器模块发射的两路激光位于高速气流流速方向的同一侧，一路顺着高速气流流速方向，一路逆着高速气流流速方向，均和高速气流流速不成90°夹角，位于高速气流后方的信号采集和数据处理模块接收并处理高速气流的吸收光谱二次谐波信号，得到高速气流信息。本技术操作简单、测量精度高，能消除背景信号、激光强度波动和光电放大系数等因素的影响，解决了目前高速气流中测量需要直接接触气体源导致气流受到干扰的难题，能够用于高温、高流速、振动等恶劣环境的检测，从而拓宽了WMS技术的应用范围。

权利要求书

1.一种基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统，包括有激光器模块、高速气流模块、信号采集和数据处理模块以及上位机，其特征在于：所述激光器模块包括激光器、激光器驱动电路、控制激光器驱动电路的信号调制和扫描电路、加法电路；还包括设置在激光器输出激光光路上的分束器、两路准直器；所述信号采集和数据处理模块包括位于准直器焦点上的探测器、依次连接探测器的放大电路、信号采集电路和数据处理模块，还包括信号采集控制模块；所述信号调制和扫描电路、激光器驱动电路以及信号采集电路连接信号采集控制模块；所述数据处理模块位于上位机软件内；所述信号调制和扫描电路的输出信号经加法电路处理后作用到激光器驱动电路上，激光器驱动电路控制激光器输出激光，激光器输出激光经分束器和两路准直器器后，位于高速气流流速方向的同一侧，一路顺着高速气流流速方向，一路逆着高速气流流速方向穿过气流，均和高速气流流速不成90°夹角，之后被信号采集和数据处理模块接收，信号采集和数据处理模块接收并处理通过高速气流得到的高速气流吸收光谱二次谐波信号，得到高速气流信息。

2.根据权利要求1所述的基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统，其特征在于：还包括连接信号采集电路的标准具，对激光器扫描波长进行标定。

3.根据权利要求1所述的基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统，其特征在于：所述信号调制和扫描电路包括函数信号发生器，用于向加法电路输出选定频率、幅值、相位的正弦波调制信号和锯齿波扫描信号；所述激光器驱动电路包括温度控制电路和电流驱动电路，采用ITC102激光器驱动器，该激光驱动器利用加法电路输出信号控制激光器的输出激光波长与频率，所述激光器为Nanoplus公司的DFB激光器，其输出激光为探测氧气用的波长761nm激光，或探测水汽用的波长1392nm激光。

4.根据权利要求1所述的基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统，其特征在于：所述高速气流模块为超音速风洞，所述超音速风洞的试验段设置有一个观测窗口，所述观测窗口的两侧分别放置有准直器和探测器。

5.根据权利要求1所述的基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统，其特征在于：所述的分束器为两等分功率光分束器。

6.根据权利要求1所述的基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统，其特征在于：所述的信号采集电路采用德国Spectrum公司M2i.4021采集卡，

该采集卡为12位位宽，最高采用速率20Msps。

7.根据权利要求1所述的基于波长调制-TDLAS的高速气流流速系统，其特征在于：所述信号采集和数据处理模块接收并处理高速气流吸收光谱的二次谐波信号的工作流程如下：

(1)信号采集模块采集探测器探测到的两路高速气流的吸收光谱信号，一路为待测信号，一路为参考信号，在上位机控制模块中设置信号采集模块的基本参数；

(2)数据处理模块对采集的高速气流的吸收光谱二次谐波信号进行预处理和并结合数字锁相算法提取二次谐波信号，首先对采集的待测信号进行累加平均、小波滤波处理等去噪处理，再利用数字锁相算法提取二次谐波信号，数据采集控制模块中设置参考信号频率，幅值，初始相位，数字滤波器的参数。

(3)采用最小二乘拟合对提取得到二次谐波信号进行数据拟合；

(4)高速气流流速信息反演：计算拟合后的两路二次谐波的中心频率υ1、υ2及其差值|υ1-υ2|，根据多普勒频移测量流速原理，计算出高速气流信息。技术说明书

一种基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统

技术领域

本技术涉及气流测量领域，特别涉及一种基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统。

背景技术

目前国内外吸气式发动机的流速测量方法主要有四种方法，1是利用皮托管基于流体力学的流量方程来测量流速，2是利用热线/热膜测速仪器利用放置在流场中具有加热电流的细金属丝(直径0.5～5μm)来测量流速的仪器，3是利用激光多普勒粒径分析仪利用流体中运动微粒散射光的多普勒频移来获得流体速度信息，利用4是利用使用粒子图像测速仪(PIV),皮托管对流场的干扰较大，热线风速仪有无法弥补的原理性缺陷,如热丝长细比、需要标定等,,对被测流场产生也会产生干扰，激光多普勒测速仪的最大优点在于测量的非接触性,但强调它是非接触式测量的同时必须说明其测量结果并不是流体流动的速度,而是示踪颗粒的速度采用机械式仪表进行直接测量，容易对流场造成干扰，测量精度也受到一定影响，PIV是目前发展最快的测量流速方法，但是其测量的结果仍然只是颗粒的运动速度,也需要示踪粒子的问题。

因此，迫切需求一种非接触式不干扰流场、无需示踪粒子的新型测量手段。

TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)是近些年发展起来的、先进的、可直接测量气体参数的检测技术，该技术利用波长可调谐的窄带激光扫描气体分子特征吸收谱线，通过分析吸收光谱谐波信号中心频率的偏移，得到待测气体速度，因此具有极高的波长选择性、高灵敏度、系统通用性等优点。

TDLAS技术主要有直接吸收光谱技术和波长调制光谱技术为主的两种测量方法。直接吸收光谱技术通过入射光强和透射光强的比值直接拟合气体吸收率函数，进而通过吸收率函数测量气体温度，但直接吸收在测量中容易受到颗粒物浓度、激光强度波动等因素的影响而无法精确拟合气体吸收率函数，进而导致温度测量误差。而波长调制光谱技术(Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS)在测量过程中通过对目标信号进行高频调制，而非目标信号由于没有经过调制在后续的谐波检测过程中被除去，因此可以有效地降低测量系统中背景信号的干扰，极大地提高温度测量精度和灵敏度，尤其适用于恶劣环境或弱吸收条件下气体温度的在线测量

基于波长调制TDLAS技术的流速测量方法，利用吸收气体的二次谐波信号来反演气体流速信息，能够提取微弱的吸收信号、具有很高的信噪比，适宜于高速气流气源环境的测量具有非接触测量、动态响应快、测量精度高、测量量程大、易小型化等特点。