姚 路, 劉文清, 闞瑞峰, 許振宇, 阮 俊, 王 遼, 冮 強(qiáng)

(1. 中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所 國(guó)家環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)儀器工程技術(shù)研究中心, 合肥 230031; 2. 中國(guó)航天科工集團(tuán)三十一研究所, 高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100074)

小型化TDLAS發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)溫系統(tǒng)的研究及進(jìn)展

姚 路1, 劉文清1, 闞瑞峰1, 許振宇1, 阮 俊1, 王 遼2, 冮 強(qiáng)2

(1. 中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所 國(guó)家環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)儀器工程技術(shù)研究中心, 合肥 230031; 2. 中國(guó)航天科工集團(tuán)三十一研究所, 高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100074)

在吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)研究中，需要監(jiān)測(cè)其進(jìn)氣道氣流流場(chǎng)分布、燃燒室溫度分布和燃燒產(chǎn)物濃度來(lái)驗(yàn)證燃燒室內(nèi)的燃燒理論模型并最終改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)；同時(shí)，這些參數(shù)的實(shí)時(shí)獲取還可以用來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)燃燒效率優(yōu)化。TDLAS(可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜)技術(shù)具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快速、靈敏度高和非入侵式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，在高溫、高速和劇烈振動(dòng)等惡劣工作環(huán)境下可實(shí)現(xiàn)隨機(jī)飛行的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量，因此被國(guó)外多家研究機(jī)構(gòu)采用。 調(diào)研了高超聲速燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)研究項(xiàng)目HIFiRE及其在傳感器小型化方面所采用的技術(shù)手段，介紹已有的小型化設(shè)計(jì)思路和取得的進(jìn)展。已集成的小型化系統(tǒng)體積為30×15×10cm3，重量<5kg，功耗<10W。經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可在發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)條件下穩(wěn)定工作，給未來(lái)隨發(fā)動(dòng)機(jī)飛行的小型化測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考。

TDLAS(可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜)；發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)溫；DFB激光器驅(qū)動(dòng)；激光器波長(zhǎng)鎖定；傳感器小型化

0 引 言

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技術(shù)以其高靈敏度、快速響應(yīng)和多組分同時(shí)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域有著潛在的重要應(yīng)用價(jià)值，主要應(yīng)用有：獲得分子結(jié)構(gòu)的信息、研究氣體動(dòng)力學(xué)過(guò)程和痕量氣體監(jiān)測(cè)分析。其測(cè)量的基本原理為分子吸收光譜技術(shù)。利用可調(diào)諧激光二極管的窄線寬和波長(zhǎng)可調(diào)諧特性，測(cè)量特定氣體分子在特定光譜范圍內(nèi)的一條振轉(zhuǎn)吸收線的光譜特征曲線，根據(jù)比爾-朗伯定律，該吸收譜線在頻域的積分正比于吸收系數(shù)。當(dāng)已知?dú)怏w吸收光程、壓強(qiáng)、溫度和氣體分子吸收線線強(qiáng)時(shí)，即可反演出氣體濃度[1]，如圖1所示。

圖1 TDLAS測(cè)量原理示意圖[1]

氣體吸收線強(qiáng)依賴于溫度，由于不同吸收線具有不同的低態(tài)能級(jí)，其溫度依賴特性不同，故可以選取同一氣體分子的兩條吸收線，利用它們的線強(qiáng)比值來(lái)測(cè)溫[2]，如圖2所示。由比爾朗伯定律可知，該線強(qiáng)比正比于兩條吸收線吸光度的積分面積之比，實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)該積分面積反演氣體溫度[3]。

圖2 用于測(cè)溫的氣體吸收線對(duì)

1 國(guó)外研究進(jìn)展

TLDAS技術(shù)以其靈敏度高和響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，近幾年越來(lái)越多的被應(yīng)用于工業(yè)燃燒過(guò)程控制和發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)監(jiān)測(cè)和控制方面的研究，如Mark G. Allen將TDLAS技術(shù)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度和流速監(jiān)測(cè)，測(cè)量到4630m/s的高速氣流[4]；Tudor I. Palaghita將TDLAS測(cè)量到的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度參量用于CFD燃燒模型驗(yàn)證中[5]；Daniel W. Mattison等人將TDLAS應(yīng)用于PDE和HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒狀態(tài)檢測(cè)[6]，Shawn D. Wehe等人利用TDLAS技術(shù)進(jìn)行了高超音速流速測(cè)量[7]。

另外，TDLAS也已經(jīng)被用于超燃發(fā)動(dòng)機(jī)飛行實(shí)驗(yàn)的燃燒測(cè)量，由美國(guó)空軍Wright-Patterson基地和Southwest Sciences Inc.合作，研制了用于飛行測(cè)試的TDLAS測(cè)量系統(tǒng)。此工作是美國(guó)空軍與NASA等合作的高超聲速國(guó)際飛行研究試驗(yàn)(HIFiRE)計(jì)劃的一部分。其中美國(guó)AFRL Aerospace Propulsion Division的一個(gè)重要目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量核心氣流特性的光學(xué)測(cè)量技術(shù)以評(píng)估空氣質(zhì)量俘獲、穩(wěn)定性限度和燃燒過(guò)程等關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)。在HIFiRE1飛行測(cè)試中驗(yàn)證了TDLAS系統(tǒng)的光學(xué)、電子系統(tǒng)的耐受性，并測(cè)量模擬超聲速進(jìn)氣口的氧氣濃度及流速，根據(jù)內(nèi)壁壓力和氣流場(chǎng)特性推導(dǎo)空氣質(zhì)量俘獲能力，在后續(xù)試驗(yàn)中，TDLAS系統(tǒng)將在實(shí)際超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行。HIFiRE2中，TDLAS在燃燒室出口截面上配置8個(gè)光學(xué)通道，測(cè)量水氣并利用斷層重建技術(shù)來(lái)重構(gòu)燃燒室出口場(chǎng)分布，給出水氣濃度、靜壓和靜溫[8]；在HIFiRE6中，系統(tǒng)將再次用來(lái)測(cè)量氧氣，但這次將在發(fā)動(dòng)機(jī)的隔離器中進(jìn)行并用來(lái)測(cè)量體積比濃度10%以內(nèi)的O2質(zhì)量流量。

美國(guó)從2003年起開(kāi)展了基于TDLAS方法的飛行實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)，于2008年研制成功并應(yīng)用于飛行實(shí)驗(yàn)。第1次飛行實(shí)驗(yàn)獲取了進(jìn)氣口、燃燒區(qū)和出氣口3個(gè)位置的溫度和流速，從而獲得流量信息；第2次實(shí)驗(yàn)獲取了燃燒區(qū)端面的溫度場(chǎng)分布。該項(xiàng)目計(jì)劃將該系統(tǒng)用于飛行過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的在線控制[9]。集成后的測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示，質(zhì)量小于2kg，功耗小于14W，在緊湊的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)了激光器控制、信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集等功能。

圖3 Zolo傳感器裝配圖

2 小型化設(shè)計(jì)方案及進(jìn)展

監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程參數(shù)可有效反映發(fā)動(dòng)機(jī)性能，為改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本項(xiàng)目計(jì)劃采用TDLAS技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰及燃燒室的燃燒狀態(tài)進(jìn)行非接觸測(cè)量，并將所測(cè)參數(shù)提供給發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方用于驗(yàn)證燃燒模型或改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，未來(lái)利用小型化TDLAS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)隨發(fā)動(dòng)機(jī)飛行中的燃燒參數(shù)獲取。

本文提出了適用于目前項(xiàng)目需求的設(shè)計(jì)方案，控制系統(tǒng)原理構(gòu)成如圖4所示。在已完成的小型化系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了DFB激光器驅(qū)動(dòng)，掃描波形生成，微弱信號(hào)放大和嵌入式算法等功能。

2.1 小型化激光器驅(qū)動(dòng)

激光器驅(qū)動(dòng)電路中選取商用激光器控制模塊，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。該模塊內(nèi)已集成了溫度控制和電流控制功能。其TEC制冷制熱電流最大為2.5A，通過(guò)合理設(shè)置其PID環(huán)路參數(shù)，溫控穩(wěn)定性在±0.01℃之內(nèi)，其目標(biāo)溫度可以通過(guò)數(shù)字電位器或DAC設(shè)置。經(jīng)測(cè)試，該模塊控制激光器可在40℃環(huán)境溫度變化下穩(wěn)定工作。電流模塊控制精度<0.1%，最大輸出電流200mA，調(diào)制信號(hào)帶寬2MHz，可以實(shí)現(xiàn)高頻率的掃描波形。該控制模塊體積分別為2.5×2×0.5cm3和2×1.5×0.5cm3，功耗<3W，在添加適當(dāng)?shù)耐鈬娐泛螅纯蓪?shí)現(xiàn)對(duì)DFB激光器溫度和電流的精確控制。相比實(shí)驗(yàn)室所用的激光器驅(qū)動(dòng)電源，體積和功耗顯著減小，如圖5所示。激光器驅(qū)動(dòng)的緊湊設(shè)計(jì)是系統(tǒng)小型化中設(shè)計(jì)的重要前提。

圖4 系統(tǒng)整體框圖

圖5 小型化激光器驅(qū)動(dòng)(下)和原有驅(qū)動(dòng)(上)

2.2 激光器波長(zhǎng)穩(wěn)定技術(shù)

考慮到在實(shí)際彈載工作環(huán)境下的大范圍溫度變化可能使激光器波長(zhǎng)發(fā)生漂移，因此在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了環(huán)境溫度在0～60℃范圍變化的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。在環(huán)境溫度發(fā)生大范圍變化時(shí)，激光器波長(zhǎng)會(huì)隨之發(fā)生明顯漂移甚至出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，在高溫時(shí)，最大漂移波長(zhǎng)將近0.1nm，這會(huì)對(duì)溫度的反演產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

分析其原因，一是由于環(huán)境溫度和激光器工作溫度差別過(guò)大時(shí)，其內(nèi)部負(fù)責(zé)制冷制熱的TEC不足以產(chǎn)生足夠的熱量來(lái)使激光器溫度穩(wěn)定在設(shè)置溫度；二是由于電路板上器件的溫漂引起的激光器設(shè)置溫度變化和PID網(wǎng)絡(luò)參數(shù)變化。

圖6 激光器未加帕爾帖時(shí)的波長(zhǎng)漂移

為解決以上問(wèn)題，文中系統(tǒng)采用了二級(jí)制冷方式，使激光器內(nèi)外溫差不致過(guò)大，從而保證激光器內(nèi)部TEC的有效溫控。將另外2個(gè)制冷片分別貼在激光器封裝的上下表面，其制冷制熱電流由激光器溫控模塊統(tǒng)一提供。

另外，為解決元器件溫漂帶來(lái)的波長(zhǎng)漂移，采用了數(shù)字溫度補(bǔ)償方案。根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的環(huán)境溫度，反向補(bǔ)償激光器的設(shè)置溫度，抵消由于器件溫漂引起的設(shè)置溫度的變化，也起到了降低激光器芯片周圍溫差的效果。在采取了以上2種措施后，在0～60℃變化范圍內(nèi)，激光器波長(zhǎng)漂移如圖7所示，最大漂移為8pm，這在算法反演中是可以容忍的。

圖7 激光器加入二級(jí)帕爾帖后的波長(zhǎng)漂移

除了開(kāi)環(huán)的數(shù)字溫度補(bǔ)償技術(shù)，波長(zhǎng)穩(wěn)定技術(shù)還包括閉環(huán)波長(zhǎng)鎖定功能[10]。如圖8所示，上位機(jī)采集到參考池中的光譜信號(hào)后，計(jì)算得到吸收線位置，根據(jù)當(dāng)前位置和目標(biāo)位置之間的誤差，確定波長(zhǎng)漂移的方向，通知MCU對(duì)激光器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。MCU以中斷方式接受上位機(jī)指令，方便波長(zhǎng)隨時(shí)可調(diào)。

圖8 激光器波長(zhǎng)鎖定示意圖

采用開(kāi)環(huán)閉環(huán)結(jié)合的波長(zhǎng)穩(wěn)定技術(shù)后，可將激光器波長(zhǎng)漂移控制在1pm內(nèi)，保證了溫度反演精度，提高了系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下工作的可靠性。

2.3 線性頻率掃描技術(shù)

在直接吸收技術(shù)中，需要對(duì)激光器波長(zhǎng)進(jìn)行掃描，掃過(guò)特定吸收位置時(shí)，得到吸收譜線，進(jìn)行溫度或濃度反演，通常使用鋸齒波形進(jìn)行掃描。

由于激光器自身特性，其注入電流和輸出波長(zhǎng)并非嚴(yán)格的線性關(guān)系，當(dāng)使用傳統(tǒng)的鋸齒波電流時(shí)，需要依據(jù)波長(zhǎng)標(biāo)定系統(tǒng)對(duì)每個(gè)掃描點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的波長(zhǎng)標(biāo)定步驟，這不僅增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，也增大了后期算法處理的時(shí)間復(fù)雜度。因此，本文選用了非線性注入電流，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出電流-波長(zhǎng)曲線后，定義掃描波形上每個(gè)采樣點(diǎn)的電流值，使用該非線性注入電流，可以得到線性掃描頻率，從而直接得到頻率域的光譜曲線，避免了后期算法中的頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程，降低了算法復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時(shí)光譜處理。另外，為了更精確的扣除背景光干擾，所選取的掃描波形并非嚴(yán)格的鋸齒波[10]。

2.4 光強(qiáng)自適應(yīng)放大技術(shù)

激光光束經(jīng)過(guò)待測(cè)氣體區(qū)域后由光電探測(cè)器接收，將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，但該電流信號(hào)通常都較弱(nA到μA量級(jí))，并不能直接進(jìn)行采集，需要經(jīng)過(guò)跨導(dǎo)放大電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)[11]，再送至ADC芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)時(shí)，由于燃燒產(chǎn)物在窗片上的附著，會(huì)導(dǎo)致光強(qiáng)減弱，最終信號(hào)信噪比下降，溫度反演精度下降。為避免信號(hào)幅值過(guò)低，在信號(hào)放大電路中，加入了自動(dòng)增益控制功能。假設(shè)信號(hào)幅值的變化過(guò)程相對(duì)于波長(zhǎng)掃描是慢變化，該部分電路根據(jù)當(dāng)前周期信號(hào)幅值自動(dòng)調(diào)整下一周期的跨導(dǎo)放大倍數(shù)，使最終信號(hào)幅值滿足采集要求。方案采用了MCU+ADC+模擬開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)，依據(jù)的數(shù)字AGC原理如圖9所示：模擬開(kāi)關(guān)每個(gè)通道上接入不同阻值的跨導(dǎo)電阻，MCU通過(guò)ADC采集當(dāng)前信號(hào)的最大值，根據(jù)該結(jié)果判定當(dāng)前增益是否合適，若過(guò)高或過(guò)低，則通過(guò)I/O口控制模擬開(kāi)關(guān)8個(gè)通道的開(kāi)合，實(shí)現(xiàn)不同增益檔位之間的切換[12]，電路原理如圖10所示。切換動(dòng)作可以在20ns內(nèi)完成[13]，為避免切換前后信號(hào)的突變現(xiàn)象，切換時(shí)間選取在每個(gè)掃描周期尾段的4μs無(wú)效信號(hào)內(nèi)。受信號(hào)帶寬限制，最終系統(tǒng)的增益調(diào)節(jié)范圍為200倍。最終電路如圖11所示。

圖9 數(shù)字AGC原理

圖10 基于多路開(kāi)關(guān)的數(shù)字AGC示意圖

圖11 自動(dòng)增益控制的跨導(dǎo)運(yùn)放電路

2.5 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

要測(cè)量溫度場(chǎng)分布，必須保證多路信號(hào)采集的同步進(jìn)行，使獲取的數(shù)據(jù)處于同一時(shí)間點(diǎn)上才能實(shí)時(shí)真實(shí)地反演出場(chǎng)分布[14]。因此，該系統(tǒng)中的8路數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換和采集也要同步完成，這部分功能由適合并行處理的FPGA完成。FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)ADC的控制和原始光譜數(shù)據(jù)讀取，同時(shí)在硬件級(jí)完成對(duì)光譜數(shù)據(jù)的快速平均。由于數(shù)據(jù)平均和反演算法分別由FPGA和DSP完成，二者可以同步協(xié)調(diào)工作[15]，這大大提高了總的數(shù)據(jù)處理速率。本方案中選用的16位A/D轉(zhuǎn)換速率最高為50MS/s，在50kHz的掃描頻率下，每個(gè)周期能采集1000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

反演算法由DSP完成，流程如圖12所示。由于基線擬合等算法特點(diǎn)，涉及的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍較大[16]，故選用浮點(diǎn)DSP，保證其處理的速度和精度。經(jīng)仿真計(jì)算，算法核心部分在所選DSP上耗時(shí)約為3ms，考慮到數(shù)據(jù)讀取耗時(shí)和各個(gè)處理器間的通訊，預(yù)估8路計(jì)算的總耗時(shí)可以控制在5ms內(nèi)。計(jì)算的結(jié)果經(jīng)由DSP的通訊接口發(fā)送至發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，可以作為控制發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的參考。

圖12 溫度算法流程

2.6 系統(tǒng)集成

考慮到試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾較強(qiáng)，在系統(tǒng)集成時(shí)，采取了一系列措施來(lái)降低干擾信號(hào)的耦合途徑：從探測(cè)器到系統(tǒng)的信號(hào)線使用了屏蔽線纜，并外加1層金屬屏蔽網(wǎng)，減小空間電磁波對(duì)弱電流的干擾；在系統(tǒng)的信號(hào)入口處加入磁環(huán)，有效消耗了從信號(hào)線上耦合進(jìn)來(lái)的高頻噪聲；將整個(gè)系統(tǒng)安放在密閉良好的金屬盒內(nèi)，信號(hào)的進(jìn)出位置保證理想的接地措施；信號(hào)傳輸時(shí)要選取合理的接地點(diǎn)，測(cè)量系統(tǒng)的接地點(diǎn)和大地保證單點(diǎn)連接，避免地環(huán)路帶來(lái)的傳導(dǎo)耦合噪聲等。集成后的系統(tǒng)如圖13所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

集成后的系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中3次結(jié)果如圖14所示。從結(jié)果可知：在加熱器工作過(guò)程中，光強(qiáng)保持穩(wěn)定，此時(shí)出口溫度較低；在點(diǎn)火后，溫度升高，光強(qiáng)逐漸下降(見(jiàn)圖14(a))，分析有2個(gè)原因：一是發(fā)動(dòng)機(jī)尾部受熱時(shí)有微小形變，造成光路緩慢偏轉(zhuǎn)，在后面的安裝過(guò)程中，通過(guò)仔細(xì)調(diào)整光路位置，避免了在整個(gè)點(diǎn)火過(guò)程中的光強(qiáng)減弱的現(xiàn)象(見(jiàn)圖14(b))；二是發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰中未完全燃燒形成的細(xì)小顆粒附著在窗片上，致使光強(qiáng)變?nèi)酰粡膱D14(c)中可看出，在改變?nèi)紵隣顟B(tài)前后，光強(qiáng)變化特點(diǎn)發(fā)生明顯改變。

圖13 集成后的小型化測(cè)量系統(tǒng)

(a)

(b)

(c)

在多次試驗(yàn)中，系統(tǒng)各模塊工作正常，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)功能。測(cè)量結(jié)果中溫度變化位置和燃燒當(dāng)量比改變時(shí)刻吻合較好，也驗(yàn)證了測(cè)溫系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和TDLAS技術(shù)用于發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)溫的可行性。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)TDLAS直接吸收技術(shù)測(cè)溫原理，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的環(huán)境條件和未來(lái)隨發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)的需求，設(shè)計(jì)了小型化TDLAS測(cè)溫控制系統(tǒng)，其中包括激光器驅(qū)動(dòng)、任意掃描信號(hào)生成和弱信號(hào)放大等電子學(xué)模塊，加入了波長(zhǎng)鎖定和自動(dòng)增益控制功能，解決了大范圍環(huán)境溫度變化時(shí)的波長(zhǎng)漂移問(wèn)題和光強(qiáng)信號(hào)波動(dòng)問(wèn)題。整個(gè)系統(tǒng)裝配時(shí)采取了屏蔽和隔離等措施，盡量減小現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的電磁干擾。

和實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)相比，該小型化系統(tǒng)替代了成品商用儀器，在滿足性能的前提下，減小了系統(tǒng)功耗和體積，提高了傳輸抗干擾能力，更適合發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)環(huán)境，解決了實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)不適用于臺(tái)架試驗(yàn)的問(wèn)題。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，將數(shù)字部分和模擬部分隔離來(lái)提高EMC性能，選用高精度、高穩(wěn)定性的激光器控制模塊實(shí)現(xiàn)激光器電流和溫度控制，同時(shí)改進(jìn)了激光器波長(zhǎng)調(diào)整策略，使波長(zhǎng)穩(wěn)定性更好，借助模擬開(kāi)關(guān)方案提高了自動(dòng)增益控制速度，該小型化方案也為以后隨發(fā)動(dòng)機(jī)飛行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

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(編輯：楊 娟)

Research and development of a compact TDLAS system to measure scramjet combustion temperature

Yao Lu1, Liu Wenqing1, Kan Ruifeng1, Xu Zhenyu1, Ruan jun1, Wang Liao2, Jiang Qiang2

(1. Key Lab of Environmental Optics and Technology, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, CAS, Hefei 230031, China; 2. Science and Technology on Scramjet Laboratory, the 31st Research Institute of CASIC, Beijing 100074,China)

Advanced research on air-breathing engine development requires sensitive techniques to monitor the temperature distribution in the engine, gas flow fields distribution in the combustion reactant and product concentrations to validate combustion theoretical models and in the engine designs. Moreover, the real time acquisition of these parameters can be utilized to control the working status of the engine to optimize the combustion efficiency. Because of its compactness, high sensitivity, fast response and non-intruding measurement feature, the tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) has been applied by many research institutes in tough in-flight environment, such as high temperature, high speed and violent vibration. In this paper, some electronic key techniques in the hypersonic research program HIFiRE are introduced and our design on compact sensors and some progresses are presented. It has been proved that this system can work stably in in-situ measurement and the compact design (volume of 30×15×10cm3, mass<5kg, power<10W) can provide a reference for the in-flight system in the future.

TDLAS(tunable diode laser absorption spectroscopy);scramjet combustion measurement;DBF laser control;laser wavelength stabilizing;compact sensor

1672-9897(2015)01-0071-06

10.11729/syltlx20140025

2014-03-11;

2014-07-11

闞瑞峰，E-mail: kanruifeng@aiofm.ac.cn

YaoL,LiuWQ,KanRF,etal.ResearchanddevelopmentofacompactTDLASsystemtomeasurescramjetcombustiontemperature.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(1): 71-76. 姚 路, 劉文清, 闞瑞峰, 等. 小型化TDLAS發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)溫系統(tǒng)的研究及進(jìn)展. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2015, 29(1): 71-76.

O433.5

A

姚 路(1987-)，男，河南南陽(yáng)人，博士研究生。研究方向：激光光譜檢測(cè)方法研究及其電子學(xué)設(shè)計(jì)。通信地址：安徽省合肥市蜀山區(qū)蜀山湖路350號(hào)中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所(230031)。E-mail：lyao@aiofm.ac.cn