基于吸收光谱技术的气流速度测量研究

1 引 言

对于高速流场,如燃烧流场、发动机流场等,其气流速度对于空气动力学理论研究和实际工程设计具有重要意义[1]。流速测量方法一般分为接触测量和非接触测量,传统的测量方法如毕托管差压法、热线/热膜测速技术以接触测量为主,这些方法响应慢、对流场有干扰,不适合高速流场测量,非接触测量方法有粒子成像测速技术(PIV)[2]、分子示踪速度测量技术(MTV)[3]、瑞利散射测速技术[4]等,这几种方法均采用高功率激光器作为光源,难以系统化且成本较高。

在可调谐二极管激光吸收光谱技术中,当气流速度在激光传输方向上有速度分量时,会使得气体特征吸收谱线频率相比于无速度分量时的频率有一偏移,两者频率之差即为多普勒频移[1],其大小正比于气流速度,因此可以通过测量所选特征谱线的频移量来计算得到气流速度。该方法属于非接触测量,具有实时在线、精度高、响应快、量程大和易小型化等特点,并可以同时在线测量温度、组分浓度、速度和流量等参数[5]。

TDLAS测速最早在国外得到应用并迅速发展,Philippe和Hanson[6]于1993年提出该方法并获得测量专利。目前斯坦福大学高温气体动力学实验室的Hanson等[7-10]引领TDLAS流场测量技术的发展,Lyle等[7-8]通过测量气流速度和浓度,实现了实时测量质量流量；We he等[9]测量了高速气流中的温度、H2O分压和气流速度；Chang等[10]在NASA兰利中心的DCSCTF高速高温流动中进行了质量流量、温度和速度的精确测量。

国内也已逐渐开展高速气流TDLAS测速方面的研究工作,杨斌等[11]采用双吸收谱线,测量得到了吸气式发动机来流中的温度、H2O浓度和气流速度。张亮等[1]验证了TDLAS在风洞中进行高速气流流速实时在线测量的可行性。谷俊青等[12] 选用H2O的吸收谱线,实现了超声速风洞中流场速度的测量。宋俊玲等[13]选用H2O的两条吸收谱线,实现了超声速直连台隔离段内超声速气流温度、组分浓度、速度和质量流量等多参数快速在线测量。贾良权等[14-15]采用O2的吸收谱线,根据波长调制法实现了超声速风洞中气流速度的测量。屈东胜等[16]利用两条H2O吸收谱线的谐波信号,测量得到了超燃直连台隔离段内的超声速气流的温度、H2O组分浓度、压强、速度以及质量流量等参数。

本文将气体吸收光谱技术与多普勒频移原理结合,研发了气体光谱吸收技术测速硬件、软件系统,并选用H2O在1392 nm附近的特征吸收谱线,对速度约为100 m/s的气流进行了实验测量验证,同时分析了该系统的速度测量极限及影响因素。

2 基本原理

TDLAS技术是基于Beer-Lambert定律,其示意图如图1(a)所示,它描述了激光穿过均匀气体介质前后透射光强与初始光强的关系,如式(1)所示:

(1)

其中,It为透射光强;I0为入射光强;P为气体压力,atm;S(T)为线强,cm-2·atm-1;可在HITRAN数据库中根据所选用气体的特征谱线查询得到；X为气体浓；L为路径长度,cm；φ为线型函数；满足归一化条件

TDLAS测速的基本原理是多普勒效应其示意图如图1(b)所示,分光器将同一激光器产生的激光分为相同的两束,当其交叉通过待测流场时,由于气流速度在两束激光传输方向上具有相反的速度分量,两束激光的吸收谱线将分别产生多普勒频移[17]。两束激光气体吸收谱线的多普勒频移量为Δv(cm-1),可由两束激光根据式(1)得到的-ln(It/I0)的中心位置处理得到,然后按式(2)开展流场速度计算:

(2)

其中,v0表示吸收谱线中心频率,cm-1；θ表示两束激光夹角的一半；u表示被测流场速度,m/s；c为光速。

图1 TDLAS技术和TDLAS测速原理示意图

Fig.1 Schematic diagrams of speed measurement principle and technical of TDLAS

3 实验系统

基于TDLAS的高速气流测速系统如图2所示,利用信号发生器AFG3022C(Tektronix)产生10～170 mV、200 Hz的线性度很好的锯齿波,加载到中心电流为105 mA的激光器电流控制器LDC205C(Thorlabs)上,同时使用激光器温度控制器TED200C(Thorlabs),设定激光器温度为35 ℃,从而调制DFB激光器(Nanoplus)产生包含所选用的特征谱线且波长范围为1392.16～1392.38 nm激光,激光经光纤分束器50∶50分为两束光后以36.87°的夹角通过待测流场,由同一型号的两个InGaAs探测器PDA10CS2(Thorlabs)在同一增益下接收光信号并将其转化为电信号,随后通过接线盒BNC-2110(NI)传输到数据采集卡PCI-6132(NI)上,采集卡以500 kHz的采样频率进行数据采集。最后在计算机上,由基于LabVIEW自行编写的软件进行数据处理得到实时频移,从而计算得到流速。

图2 基于TDLAS的速度测量系统

Fig.2 Velocity measurement system based on TDLAS

高速气流由大容量压气机释放的空气经由拉瓦尔喷管加速得到,同时利用毕托管测量其流速,以便与TDLAS测量结果进行对比。本文选用空气中含量较高的H2O来进行速度测量,查询HITRAN数据库可知,H2O在1392 nm附近有大量吸收谱线,且该波长的DFB激光器较为成熟,因此选用1392.3293 nm作为特征吸收谱线进行测速实验。基于LabVIEW,编写TDLAS测速软件,流程示意图如图3所示。软件采用模拟多通道多采集模式,同时采用生产者-消费者模式,由生产者部分实时采集数据并加入队列,消费者部分对采集到的数据进行处理。

图3 程序流程示意图

Fig.3 Program flow diagram

程序运行时,首先设置采样通道、采样模式、采样频率、锯齿波频率等初始参数,然后利用LabVIEW中的索引数组模块将数据分为两路,分别对应两个探测器。然后根据两个锯齿波之间的突降进行数据处理程序的触发,判定得到第1路数据的触发位置后,因两路激光是同步的,所以使第二路数据也在同一位置触发,然后分别进行多次平均处理,根据采样情况,舍弃首尾部分采样点数,再根据直接吸收信号中吸收峰的位置,设置选取的两端线性部分进行基线拟合时所需的采样点数,从而得到入射光强I0的拟合公式及其相关系数,随后处理得到-ln(It/I0),并将两路放在一起观察频移情况。采用LabVIEW中的波峰检测功能得到波形中心位置,进而根据已知波长扫描范围可换算得到其对应的波长,此即中心波长。由两路激光的中心波长可换算得到频差,从而计算得到气流速度。

4 实验结果及分析

实验过程中,锯齿波扫描频率为200 Hz,数据采集卡采样频率为500 kHz,因此每个波形由2500个采样点组成,同时开头和结尾各舍弃200个因触发而不稳定的采样点,只保留2100个有效数据点,并进行多次平均以平滑处理。两探测器的直接吸收信号如图4所示,激光经光纤分束器50∶50分为两束后,经过同样的光程,被设置为相同增益的同一型号的两个探测器接收,由图4可知两探测器信号中吸收峰在同一位置。

图4 两探测器直接吸收信号

Fig.4 Direct absorption signals of two detectors

选取探测器信号两端线性部分进行拟合,得到原始光强信号I0,通过计算-ln(It/I0)得到吸收光谱,因实验气流速度不够高,其造成的频移较小,因此进行拟合及归一化处理,得到两路信号吸收光谱如图5所示,可以观察到两光束有较小的频移产生。

图5 两探测器归一化吸收光谱

Fig.5 Normalized absorption spectrum of two detectors

图6 未加载气流时测速结果

Fig.6 Velocity measurement results when airflow is not loaded

图7 加载气流时测速结果

Fig.7 Velocity measurement results when airflow is loaded

实验时使用程序实时检测两光束频移,并计算得到气流速度,未加载气流时测量结果如图6所示,平均流速为3.7 m/s,标准差为0.99 m/s。加载气流后如图7所示,扣除背景后平均气流速度为122 m/s,标准差为25 m/s,同时使用毕托管进行测量,得到气流速度为116 m/s,两者相对误差为5.1%。

根据光路及软件的已知条件,并进行部分合理假设,可进行理论上的精准度分析。已知信号发生器输出锯齿波频率设定为200 Hz,采集卡采样频率为500 kHz,由波长计MS9710C测得激光器输出波长为1392.16～1392.38 nm,选用H2O特征谱线中心波长为1392.3293 nm(7181.2091 cm-1),两束交叉激光夹角为36.87°,气流方向垂直于两束激光夹角法线。假设激光器输出波长随扫描电流均匀变化,程序计算得到的多普勒频移准确,分辨率极限为1个采样点的位移。

由已知条件,可得H2O吸收峰所在采样点位置为1923.86,取整约为1924,因多普勒效应产生频移后,在1个采样点的分辨率极限下,假设此时波形中心位于第1923个采样点,对应的波长为1392.3292 nm(7182.2093 cm-1),由此可得产生的频移为3.9204×10-4 cm-1。代入公式(2),计算得到该系统的气流速度测量极限为25.9 m/s。

在其他条件不变的前提下,两束激光夹角、采样点数分辨极限等因素对速度测量极限的影响分别如图8、图9所示。速度测量极限随两束激光夹角的增加而下降,但减小速度逐渐变慢,且夹角过大不利于光路布置。结合实际光路,60°～90°左右的夹角较为合适。如若对采集到的原始信号进行拟合,得到拟合公式,则可较精确的计算得到其频移,采样点分辨率极限可小于1。图9中采样分辨率极限大于1时,进行了上述取整操作,此时仅能分辨出整数个采样点。对原始信号进行拟合,假设可以精确测量得到吸收峰所在位置,使得分辨率极限小于1个采样点,达到超分辨。由图9可知速度测量极限随采样点分辨率极限近似线性变化,因此进行拟合,尽量使得软件的分辨率极限降低,能显著降低测速极限。

图8 测速极限随两激光束夹角变化

Fig.8 The speed limit varies with the angle between the two laser beams

图9 测速极限随采样点分辨率极限变化

Fig.9 The speed limit varies with the resolution limit of the sample point

4 结 论

本文基于吸收光谱技术中特征吸收谱线的多普勒频移效应,利用搭建的高速气流测速系统,对经过拉瓦尔喷管加速的高速气流进行了气流速度测量,并基于LabVIEW编写了速度测量软件进行实时测量,测量结果相对误差为5.1 %,同时分析了该系统的速度测量极限及其影响因素。实验结果表明,基于TDLAS的速度测量系统可以实现对高速气流的实时在线检测。后续可进行如下改进:1)进一步加大气流速度,以测量不同工况下的流速；2)改进实验系统和测速软件,提高测量结果的稳定性并减小误差；3)提高采样频率,对测量信号进行拟合,从而进一步降低速度测量极限,并实现瞬态高速气流的测量。