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航空 发动机尾气的 温度和组分同时测量的系统

阅读：2发布：2020-09-18

专利汇可以提供航空发动机尾气的温度和组分同时测量的系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种航空发动机尾气的温度和组分同时测量的系统。本实用新型的系统的激光发射模块发射待测定组分强吸收的第一激光；然后激光合波与会聚模块将所述第一激光会聚成第二激光，并使所述第二激光进入航空发动机尾气探测区域被待测定组分吸收；分波模块将未被完全吸收的第三激光由按照波长分开成第四激光，然后光电处理模块对第四激光进行光电转换并提取二次谐波信号和入射光强信号；最后数据采集分析模块对得到的信号进行分析，基于TDLAS技术反演出航空发动机尾气的温度、以及所述待测定组分的浓度。本实用新型的系统能够同时测量温度和组分浓度等参数，具有非接触式，实时在线测量的优点。，下面是航空发动机尾气的温度和组分同时测量的系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种航空发动机尾气的温度和组分同时测量的系统，其特征在于，包括激光发射模块、激光合波和会聚模块、分波模块、光电处理模块和数据采集分析模块；
所述激光发射模块用于发射第一激光；所述第一激光包括n束激光，n为大于等于1的整数；其中n与航空发动机尾气中待测定组分的个数相同；所述第一激光的n束激光的中心波长分别根据待测定组分中每一个组分的分子光谱吸收特性一一对应选择；
所述激光合波和会聚模块用于将所述第一激光合成一束，形成第二激光，并使所述第二激光进入航空发动机尾气的探测区域；所述待测定组分的每个组分吸收所述第二激光中与其对应的中心波长的激光；未被完全吸收的剩余激光从所述航空发动机尾气的探测区域出来形成第三激光；
所述分波模块用于将所述第三激光根据所述中心波长分成包括n束激光的第四激光；
所述光电处理模用于将所述第四激光的n束激光分别进行光电转换，提取出n个与待测定组分中每个组分一一对应的二次谐波信号和入射光强信号；
所述数据采集分析模块用于根据所述二次谐波信号和入射光强信号计算航空发动机尾气的温度和待测组分中每个组分的浓度。
2.如权利要求1所述的航空发动机尾气的温度和组分同时测量的系统，其特征在于，所述激光发射模块包括激光控制器和可调谐半导体激光器；
所述激光控制器用于通过向可调谐半导体激光器注入驱动电流和控制可调谐半导体激光器的温度，调节所述可调谐半导体激光器发射的第一激光中的n束激光的中心波长，并控制第一激光的n束激光波长随驱动电流的周期性变化范围；
所述可调谐半导体激光器用于发射包括n束激光的第一激光。
3.根据权利要求2所述的航空发动机尾气的温度和组分同时测量的系统，其特征在于，所述驱动电流信号是锯齿波叠加一个高频正弦波；所述锯齿波频率为1～500Hz；所述高频正弦波频率为1000～10000Hz。
4.如权利要求1所述的航空发动机尾气的温度和组分同时测量的系统，其特征在于，所述光电处理模块包括光电探测器、锁相放大器和低通滤波器；
所述光电探测器用于分别将第四激光中的n束激光进行光电转换；
所述锁相放大器用于分别提取第四激光中的n束激光的二次谐波信号；
所述低通滤波器用于分别获取第四激光中的n束激光的入射光强信号。
5.根据权利要求1所述的航空发动机尾气的温度和组分同时测量的系统，其特征在于，所述待测定组分包括CO、NO和NO2中的至少一个；
对应CO，所述激光发射模块发射的第一激光的中心波长范围为：4039.315～
4348.174cm-1或6168.979～6409.587cm-1；
对应NO，所述激光发射模块发射的第一激光的中心波长选范围为：3447.133～
3939.859cm-1、5245.224～5735.507cm-1或7090.372～7506.889cm-1；
对应NO2，所述激光发射模块发射的第一激光的中心波长范围为：2719.050～
3073.553cm-1。

说明书全文

航空发动机尾气的 温度和组分同时测量的系统

技术领域

[0001] 本实用新型涉及一种气体非接触式测量领域，具体涉及一种航空发动机尾气的温度和组分同时测量的系统。

背景技术

[0002] 传统的温度测量手段，因探头干扰流场、引起激波破坏流场或因探头的催化作用，均可使测量不精确。因此一般采用一些非接触式的测量手段来进行测量。非接触式方式对传感器耐热性能无特殊要求，避免了传感器和被测目标的相互干扰，测温范围大，无热惯性，响应速度较快，可以测量微小目标的温度，满足众多场合对温度测量范围和精度的要求。常用的非接触式温度测量方式有全辐射测温仪、亮度测温仪、基于彩色CCD三基色的测温技术、拉曼散射技术、基于干涉特性的激光测温技术和基于衍射特性的激光测温技术等。对于尾气组分测量，目前，主要是取样方式检测。除此以外，还有平面激光诱导荧光PLIF和傅里叶红外光谱FTIR等技术。但是这些技术要么设备投资高，系统设计和数据处理复杂，对设计和操作水平要求高，要么不能同时对温度和组分进行测量。亟须更为先进的温度和组分测量技术，以便为航空发动机的研发提供翔实的实验支撑数据，为污染物的排放评估提供参考依据。

[0003] 可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)起源于20世纪70年代，其技术具有高灵敏度、快速响应和多组分多参量同时测量等优点，在许多领域有着潜在的重要应用价值，主要应用有：获得分子结构的信息、研究气体动力学过程和痕量气体监测分析。利用TDLAS技术对航空发动机尾气温度和成分进行测量具有其它方法不具备的优势，能为航空发动机尾气实时解析提供有效的方法，从而为航空发动机视情维修和机场大气环境污染评估提供依据。实用新型内容

[0004] (一)要解决的技术问题

[0005] 本实用新型解决现有测量技术不能多参数多变量同时测量的缺点，提供一种非接触式、成本低廉、结构简单的对航空发动机尾气的温度和组分浓度同时测量的系统。

[0006] (二)技术方案

[0007] 本实用新型的技术方案如下：

[0008] 本实用新型还提供了一种航空发动机尾气的温度和组分同时测量的系统，包括激光发射模块、激光合波和会聚模块、分波模块、光电处理模块和数据采集分析模块；所述激光发射模块用于发射第一激光；所述第一激光包括n束激光，n为大于等于1的整数；其中n与航空发动机尾气中待测定组分的个数相同；所述第一激光的n束激光的中心波长分别根据待测定组分中每一个组分的分子光谱吸收特性一一对应选择；所述激光合波和会聚模块用于将所述第一激光合成一束，形成第二激光，并使所述第二激光进入航空发动机尾气的探测区域；所述待测定组分的每个组分吸收所述第二激光中与其对应的中心波长的激光；未被完全吸收的剩余激光从所述航空发动机尾气的探测区域出来形成第三激光；所述分波模块用于将所述第三激光根据所述中心波长分成包括n束激光的第四激光；所述光电处理模用于将所述第四激光的n束激光分别进行光电转换，提取出n个与待测定组分中每一个组分一一对应的二次谐波信号和入射光强信号；所述数据采集分析模块用于根据所述二次谐波信号和入射光强信号计算航空发动机尾气的温度和待测组分中每一个组分的浓度。

[0009] 所述激光发射模块包括激光控制器和可调谐半导体激光器；所述激光控制器通过向可调谐半导体激光器注入驱动电流和控制可调谐半导体激光器的温度，调节所述可调谐半导体激光器发射的第一激光中的n束激光的中心波长，并控制第一激光的n束激光波长随驱动电流的周期性变化范围。所述可调谐半导体激光器发射包括n束激光的第一激光。所述驱动电流信号是锯齿波叠加一个高频正弦波；所述锯齿波频率为1～500Hz；所述高频正弦波频率为1000～10000Hz。

[0010] 所述光电处理模块包括光电探测器、锁相放大器和低通滤波器；所述光电探测器用于分别将第四激光中的n束激光进行光电转换；所述锁相放大器用于分别提取第四激光中的n束激光的二次谐波信号；所述低通滤波器用于分别获取第四激光中的n束激光的入射光强信号。

[0011] 所述待测定组分包括CO、NO和NO2中的至少一个；对应CO，所述激光发射模块发射的第一激光的中心波长范围为：4039.315～4348.174cm-1或6168.979～6409.587cm-1；对应NO，所述激光发射模块发射的第一激光的中心波长选范围为：3447.133～3939.859cm-1、5245.224～5735.507cm-1或7090.372～7506.889cm-1；对应NO2，所述激光发射模块发射的第一激光的中心波长范围为：2719.050～3073.553cm-1。

[0012] (三)有益效果

[0013] 1、本实用新型基于TDLAS技术进行航空发动机尾气的温度和组分浓度等参数进行在线监测，具有非接触式，实时在线测量的优点，不影响流场，同时测量系统不受高温影响；

[0014] 2、本实用新型选取适合的测量谱线，能够同时测量温度和组分浓度等参数，克服其它非接触方式只能测量某一种参数的缺点；

[0015] 3、本实用新型相较其它测量系统，成本低廉，结构简单，维护容易。附图说明

[0016] 图1是本实用新型一实施例的航空发动机尾气的温度和组分同时测量的系统的工作流程图；

[0017] 图2是根据一实施例的气体温度测量原理图；

[0018] 图3是本实用新型另一实施例的航空发动机尾气的温度和组分同时测量的系统结构示意图；

[0019] 图4是本实用新型另一实施例中CO、NO和NO2在近中红外的吸收谱线图；

[0020] 其中：激光控制器1，可调谐半导体DFB激光器2a、2b、2c，合波器3，光纤4a、4b，透镜5a、5b，航空发动机排气道6，待测量尾气7，分波器8，探测器9a、9b、9c，前置放大器10，锁相放大器11，低通滤波器12，数据采集及分析系统13，上位机14。

具体实施方式

[0021] 为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。

[0022] 为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。应理解的是，本实用新型系统的结构并不限于以下的实施例，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

[0023] 本实用新型为解决现有测量技术不能多参数多变量同时测量的缺点，提供一种非接触式、成本低廉、结构简单和多组分多参数同时测量的航空发动机尾气温度和组分浓度的测量系统。

[0024] 图1是本实用新型一实施例的航空发动机尾气的温度和组分同时测量的系统的工作流程图。如图1所示，本实用新型一实施例系统的工作流程包括以下步骤：

[0025] S1、激光发射模块发射第一激光；第一激光包括n束激光，n为大于等于1的整数；其中n与航空发动机尾气中待测定组分的个数相同；第一激光的n束激光的中心波长分别根据待测定组分中每一个组分的分子光谱吸收特性一一对应选择。其中激光发射模块包括激光控制器和可调谐半导体激光器；激光控制器通过向可调谐半导体激光器注入驱动电流和控制可调谐半导体激光器的温度，调节所述可调谐半导体激光器发射的第一激光中的n束激光的中心波长，并控制第一激光的n束激光波长随驱动电流的周期性变化范围；然后可调谐半导体激光器发射包括n束激光的第一激光。通过激光控制器对可调谐半导体激光器的调节作用，使可调谐半导体发射的第一激光的n束激光的中心波长可以根据待测定组分中每一种组分分子吸收光谱特性进行调节和选择，选取待测定组分中每一种组分具有强吸收性能的激光波长。优选的，待测定驱动电流信号的波形为锯齿波叠加高频正弦波；所述锯齿波频率为1～500Hz；所述高频正弦波频率为1000～10000Hz。本实施例使用锯齿波叠加高频正弦波的驱动电流信号，可以进一步提高待测定组分浓度测量的信噪比，提高测量结果的准确性。

[0026] S2、激光合波和会聚模块将第一激光合成一束，形成第二激光；激光合束后使激光聚焦，可以传播较远，提高测量结果精度。

[0027] S3、第二激光照射进入航空发动机尾气的探测区域，待测定组分的每个组分吸收与其对应的中心波长的激光；未被完全吸收的剩余激光从航空发动机尾气的探测区域出来形成第三激光。当第二激光的频率刚好满足待测定组分的气体分子的自然振动频率时，光子与分子共振，引起分子内部偶极矩变化，导致光子被分子所吸收，剩余激光经过处理可得到其二次谐波信号。每个组分对应的单根吸收谱线的二次谐波信号吸收峰高度和平均入射光强的比值跟该组分的浓度成正比；同时，待测组分中任意一种组分的二次谐波信号中的相邻两个吸收峰高度的比值跟航空发动机尾气温度成单值函数关系。由于半导体激光器窄线宽的特征，其每个气体组分的吸收不受其它组分的干扰，因此可以准确的反演出被测气体的浓度与温度。

[0028] S4、分波模块将第三激光根据所述中心波长分成包括n束激光的第四激光。这样方便后续分别提取第四激光中各个波长的激光信号中的二次谐波信号和入射光强信号。

[0029] S5、光电处理模块将第四激光的n束激光分别进行光电转换，提取出n个与待测定组分中每一个组分一一对应的二次谐波信号和入射光强信号。先由光电处理模块对第四激光中的n束激光分别进行光电转换得到电信号，再经过信号放大等处理，然后使用锁相放大器提取其中的二次谐波信号，使用低通滤波器获取其中的入射光强信号。

[0030] S6、数据采集分析模块利用提取的二次谐波信号和入射光强信号计算航空发动机尾气的温度和待测组分的浓度。

[0031] 本实施例中航空发动机尾气温度计算为：选取所述待测定组分中任意一个组分M，通过激光控制器调节可调谐半导体激光器发射的第一激光的n束激光波长变化范围，使得其对应的二次谐波信号中存在任意的两个相邻吸收峰，如图2所示，这两个相邻吸收峰对应的激光频率分别为v01和v02，这两个相邻吸收峰高度的比值R为：

[0032]

[0033] 其中Sv01(T)是频率为v01的激光的吸收谱线线强，Sv02(T)是频率为v02的激光的吸收谱线线强。对于已知的气体分子和已知频率的激光，其激光的吸收谱线强度仅是温度T的是单值函数，因此R也是温度T的单值函数。在400-2000K范围内，选择400K，1200K，2000K三个点进行标定，并利用二次函数拟合得到温度T与比值R的函数关系。本实施例测量时根据测量得到的比值R代入标定得到的函数即可算出尾气温度。

[0034] 本实施例中航空发动机尾气组分浓度计算为：根据待测定组分中每一的分子光谱吸收特性一一对应选择的中心波长的n束激光组成的第一激光，经过会聚合成第二聚光，穿过航空发动机尾气探测区域，会被每个组分吸收与其对应的中心波长的激光，未被完全吸收的激光会从所述航空发动机尾气的探测区域透射出来。

[0035] 例如，对于组分X，当一束特定频率的激光进入探测区域时，该激光会被其所吸。在其他条件不变的情况下，该激光被吸收的量由组分X的浓度，即包含的分子数决定。而未被吸收的部分就从航空发动机尾气的探测区域透射出来，成为第三激光的组成部分。然后再从第三激光中分离出单束仅与X对应的中心波长的第四激光光束，从该第四激光光束中提取出组分X对激光的吸收信号，即二次谐波信号。对组分X进行浓度计算时，预先标定组分X的摩尔分数为0.01、温度为T0时的二次谐波信号吸收峰高度P2f，calibration@0.01(v)和平均入射光强值。然后，将计算得到的航空发动机尾气温度T代入下式计算组分X的浓度：

[0036]

[0037] Sv(T0)是组分X对频率为v的激光在温度T0时的吸收谱线线强，Sv(T)是组分X对频率为v的激光在温度T的吸收谱线线强。如前所述，已知组分X的分子以及对应的激光频率v，S(T0)和S(T)均可相应得到。最终，得到组分X的浓度x％与成正比关系。

[0038] 对于计算航空发动机尾气温度时选取的组分M进行浓度计算时，P2f(v)可以为P2f(v01)或P2f(v02)任意一值，Sv(T0)和Sv(T)也对应于组分M在相应频率的激光的吸收谱线强度。

[0039] 本实施例系统中各模块使用的光学器件均不与被测航空发动机尾气直接接触，因此被测航空发动机尾气中的污染物不会对光学器件造成影响。为了排除噪声波动带来的影响，二次谐波信号吸收峰高度P2f(v)一般取波峰波谷值之差来计算，而不是直接采用峰值大小来计算，如图3所示。对于平均入射光强的取值，由于低通滤波器提取的入射光强信号高频正弦波信号和吸收信号的叠加，因此，要对入射光强信号进行滤波，然后取其一个扫描周期内入射光强信号的强度平均值。一些低频噪音在通过锁相放大器后被滤掉，因此能够大大提高测量信噪比。另外，因为P2f(v)与受到颗粒物等因素影响而减弱的比例一致，因此通过将P2f(v)除以平均入射光强有效地去掉气体中存在颗粒物等因素导致激光信号减弱的影响。在测量温度过程中，只需关心选定的任意某个组分M的二次谐波信号的两个相邻吸收峰高度的比值同样不受探测区域内尾气颗粒等污染物的影响。

[0040] 本实用新型另一实施例的航空发动机尾气的温度和组分同时测量的系统结构示意图如图3所示，包括激光控制器1，可调谐半导体DFB激光器2a、2b、2c，合波器3，光纤4a、4b，透镜5a、5b、分波器8，探测器9a、9b、9c，前置放大器10，锁相放大器11，低通滤波器12，数据采集与处理系统13，上位机14等。其中激光控制器1的主要作用是向可调谐半导体DBF激光器2a、2b、2c注入驱动电流并控制激光器温度。驱动电流信号为一个频率为10Hz锯齿波叠加一个4000Hz高频正弦波。可调谐半导体DFB激光器2a、2b、2c的温度由激光控制器1控制的热电制冷片控制。系统中有三个不同波长范围的可调谐半导体DFB激光器2a、2b、2c，分别发射对应于CO、NO和NO2测量的第一激光。合波器3用于将激光器发出的包括三束激光的第一激光合束成第二激光。光纤4a、4b用于传导第二激光。透镜5a用于将第二激光再次聚焦，确保第二激光通过测量区域后斑点仍然很小，不会发散。第二激光进入航空发动机排气道6，被其中的航空发动机尾气7部分吸收，穿过探测区域的剩余激光为第三激光。透镜5b用于接收第三激光，将第三激光耦合进光纤。分波器8用于将第三激光按照不同波长分光，形成包括有三束激光的第四激光。探测器9a、9b、9c用于将接收到的第四激光转换为电信号。前置放大器10用于将探测器9a、9b、9c输出的电信号放大。锁相放大器11用于提取电信号中的二次谐波信号。低通滤波器12用于获得电信号中携带的入射光强信号。数据采集与处理系统
13用于采集及分析温度和组分浓度相关数据并送至上位机14保存与显示。本实施例中可同时测量航空发动机尾气中的三个组分，如需增加或减少测量组分，只需增加相应器件数量即可。

[0041] 本实用新型另一实施例测量中需要测量CO、NO和NO2三个组分。测量时，激光控制器1驱动可调谐半导体DFB激光器2a、2b、2c工作，并控制调节可调谐半导体DFB激光器2a、2b、2c温度。可调谐半导体DFB激光器2a、2b、2c被一个频率为10Hz锯齿波叠加一个4000Hz高频正弦波电流信号驱动。可调谐半导体DFB激光器2a、2b、2c温度由激光控制器1控制的热电制冷片控制。通过温度和电流双重控制使各组分的吸收峰处于扫描的中心波长处。激光控制器1分别需要三个电流输出和温度控制的通道。

[0042] 图4中上中下三幅子图分别为CO、NO和NO2的吸收谱线图。由图可以看出CO分子具有强吸收能力的谱线范围是4039.315～4348.174cm-1或6168.979～6409.587cm-1，NO具有强吸收能力的范围是3447.133～3939.859cm-1，5245.224～5735.507cm-1或7090.372～-1 -17506.889cm ，NO2具有强吸收能力的谱线范围是2719.050～3073.553cm 。根据该谱线选择标准，本实施例中利用NO2的谱线来测量温度，所以NO2选择2930.657cm-1和2930.910cm-1这两根相邻的吸收谱线来测量尾气温度。CO和NO分别选择4331.003cm-1、3771.466cm-1吸收谱线来测量浓度。激光器选择对应的波长即可。

[0043] 三个可调谐半导体DFB激光器2a、2b、2c发出的第一激光通过合波器3合成一束第二激光后，经过透镜5a聚焦，再被探测区域的气体吸收，剩余的第三激光经再过透镜5b聚集后，会集到分波器8上，分波器8将第三激光按不同波长分开成第四，探测器9a、9b、9c能够将第四激光分别转换为电信号，经过前置放大器10将信号放大，然后一路被放大后电信号进入锁相放大器11提取二次谐波信号，其中锁相放大器11的参考信号来自激光控制器1中的高频正弦波。另外一路被放大后的电信号进入低通滤波器，提取其中携带的入射光强信号。两路信号再同时到数据采集与处理系统13完成最终的数据处理并将结果送入上位机14显示及存储。两个透镜5a、5b上都镀有增透膜，增加激光的透过率。

[0044] 在实际测量之前需要对系统进行标定，在400-2000K范围内，选择400K，1200K，2000K三个点进行标定，并利用二次函数拟合得到温度与比值R的函数关系。实际测量中根据测量得到的比值R代入标定得到的函数即可算出尾气温度。同时在各个组分摩尔分数为
0.01情况下，测量三种组分的P2f，calibrated(v)值和平均入射光强值同时将测量得到的温度浓度计算公式，可得到组分浓度。本实施例系统的温度测量精度为±2％，各组分浓度的测量精度为±2％。

[0045] 以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

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