可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)測量風(fēng)洞流速

谷俊青，徐勝利

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，安徽合肥230027）

·激光應(yīng)用技術(shù)·

可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)測量風(fēng)洞流速

谷俊青，徐勝利

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，安徽合肥230027）

基于對水蒸氣的吸收譜線在超音速流場的多普勒效應(yīng)，結(jié)合HITRAN數(shù)據(jù)庫，選取適合當(dāng)前環(huán)境的吸收譜線7181.1558 cm－1，結(jié)合超音速風(fēng)洞裝置建立起一套基于可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置，測量對應(yīng)頻移，分析反演出流場速度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高速環(huán)境下，系統(tǒng)測量流速為563.06 m／s，線性誤差為5.09%，效果良好，從而為對激波管等高速脈沖設(shè)備的進(jìn)一步測量實(shí)驗(yàn)打下了良好基礎(chǔ)。

光譜學(xué)；風(fēng)洞流速；可調(diào)諧二極管激光吸收光譜；多普勒頻移；水蒸氣測量

1 引 言

超音速流和高超音速流在許多具有挑戰(zhàn)性的前沿應(yīng)用領(lǐng)域中都會出現(xiàn)，比如航空航天領(lǐng)域、空氣動力推進(jìn)學(xué)領(lǐng)域、燃燒學(xué)領(lǐng)域。因此對超音速流和高超音速流的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測量相當(dāng)有意義。

需要特別指出的是，在對超音速流和高超音速流的研究中，尤其以含水蒸氣的高超音速流的各項(xiàng)參數(shù)的測量［1］最受關(guān)注。原因有以下幾點(diǎn)：其一，它是空氣的自然組成成分，存在于所有涉及空氣的流體中；其二，水蒸氣是燃燒的基本產(chǎn)物；其三，在實(shí)際應(yīng)用中水蒸氣的各項(xiàng)參數(shù)和燃燒的程度、燃燒的效率、推進(jìn)效率、散熱量這些性能參數(shù)息息相關(guān)。因此對水蒸氣的測量普遍的和燃燒、推進(jìn)力、航空動力學(xué)裝置相關(guān)。由于超音速流和高超音速流本身具有速度高、時間空間梯度大的屬性，另外在測量過程中有限的光接入和對操作時間要求短（通常是毫秒量級）也使如何進(jìn)行精確快速的測量變得相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性。

可調(diào)諧半導(dǎo)體二極管激光器吸收光譜技術(shù)（TDLAS）是基于近紅外吸收光譜發(fā)展極為廣泛的技術(shù)之一，它靈敏度高，響應(yīng)速度快，造價低廉并且采用無接觸式探針的測量得到路徑平均吸收，避免了對氣流和測量環(huán)境的影響。

除了測量吸收強(qiáng)度［2－4］，可調(diào)諧二極管激光器也可以測量流速，它通過不同光路中同一吸收線強(qiáng)的頻率變化得到，在高速流動系統(tǒng)中通過搭建交叉光路進(jìn)行頻譜測量。本文主要通過對超音速風(fēng)洞環(huán)境下對水蒸氣吸收波長的變化進(jìn)行分析，應(yīng)用示波器和數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，驗(yàn)證多普勒頻移原理，為下一步的工作打下良好基礎(chǔ)。

2 測量原理

當(dāng)一束頻率為v的激光通過樣品，其出射光強(qiáng)和入射光強(qiáng)滿足比爾－朗伯關(guān)系式：

其中，I0為入射光強(qiáng)；I為出射光強(qiáng)；αi（v）為相應(yīng)i介質(zhì)吸收系數(shù)；σi（v）為分子吸收截面；Ni為氣體分子密度；L為吸收光程。

由于不同分子都具有其特有的紅外吸收光譜，因此記錄不同波段范圍的光譜，我們就能獲得某一特定分子的相關(guān)信息。在高速系統(tǒng)的研究中，主要關(guān)注于水、二氧化碳、氧氣等對應(yīng)的吸收譜線［5］。在本工作中，我們是基于水分子的光譜來獲得系統(tǒng)溫度、氣壓、速度和質(zhì)量流量等參數(shù)。

如圖1，兩束激光以不同入射角入射流場，由于多普勒效應(yīng)，探測器測到的吸收譜線會產(chǎn)生不同的頻率偏移（紅移和藍(lán)移），如圖2所示。通過計(jì)算兩者吸收頻率的頻差，可以反演計(jì)算出風(fēng)洞的進(jìn)風(fēng)口速度：

其中，u為風(fēng)洞流速；c為光速；ν0為中心吸收頻率；Δν為對應(yīng)的頻率偏移。

圖1 理論光路Fig.1 Theoretical optical path

由于風(fēng)洞的光路較短（垂直入射光路才25 mm），為了實(shí)驗(yàn)結(jié)果明顯和易于計(jì)算，基于HITRAN和HITEMP數(shù)據(jù)庫［6］，選取室溫下吸收較強(qiáng)的中心頻率為7181.1558 cm－1的吸收譜線作為計(jì)算譜線。并選取7181.1558 cm－1的吸收譜線和7182.94962 cm－1的吸收譜線作為波長標(biāo)定的基準(zhǔn)，如圖3所示。

圖2 多普勒頻移示意圖Fig.2 Exhibition of Doppler frequency shift

圖3 室溫下的譜線吸收強(qiáng)度Fig.3 Lline strength of absorption under room temperature

3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.4 Schematic of the experiment

超音速風(fēng)洞：包括穩(wěn)定段、噴管、實(shí)驗(yàn)段和擴(kuò)壓段（如圖5所示）。氣流由高壓儲氣罐通過進(jìn)氣管道進(jìn)入穩(wěn)定段，穩(wěn)定段內(nèi)安裝有蜂窩板和阻尼網(wǎng)以消除來流漩渦、降低湍流度，提高氣流均勻性。噴管是核心部件，作用是使氣流膨脹加速至所需馬赫數(shù)。實(shí)驗(yàn)段內(nèi)布置噴孔、凹槽和支架等進(jìn)行煤油霧化實(shí)驗(yàn)研究。擴(kuò)壓段可降低流速，使氣流靜壓恢復(fù)，減小氣流在風(fēng)洞出口的總壓損失。本實(shí)驗(yàn)測量是在6處進(jìn)行。

圖5 風(fēng)洞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure ofWind tunnel system

紅外半導(dǎo)體激光器：使用的是垂直腔面發(fā)射的VCSEL激光器，中心波長為1392 nm，由于其功率較低（常溫下最高功率只有1.15 mW），耦合入光纖后會使得光能量損失過大，不能應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)，所以采用兩個VCSEL激光器（采用外接，方便固定光路）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并通過改變其溫度控制器TEC的設(shè)置從而調(diào)節(jié)其工作溫度，使得兩個激光器的7181.1558 cm－1的吸收譜線的吸收峰同步于相同驅(qū)動電流。

信號發(fā)生器：掃描信號發(fā)生器采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)設(shè)計(jì)，為雙通道信號輸出。采用三角波驅(qū)動信號，掃描頻率取1kHz，一分為二輸入兩個激光器溫度電流控制板進(jìn)行同步調(diào)諧至1392 nm附近，掃描范圍約1.1 nm。為了盡量準(zhǔn)確，當(dāng)使用數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)時，采用最高采樣頻率20 MHz／s。

紅外光電探測器：兩個探測器是基于In-Ga-As光電二極管（型號為PN-2000，光敏面為φ2 mm）而制作的反向放大電路探測器，其對應(yīng)的響應(yīng)光譜為900～1650 nm，飽和光功率值為5 mW。

數(shù)據(jù)采集卡：采用的是基于32位PCI總線的四通道信號采集卡，最大采樣率為50 Msps／CH。

須要注意的是，由于產(chǎn)生多普勒頻移的是風(fēng)洞內(nèi)的吸收光程，外面的多余光程會對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生一定干擾，目前采取激光器和紅外探測器緊靠風(fēng)洞的測量窗口，盡量減少外面光程的干擾。并且考慮風(fēng)洞的運(yùn)行會對光路產(chǎn)生一定的抖動，對光具座嚴(yán)格固定。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1）兩吸收線的初始校準(zhǔn)，如圖6所示。

圖6 無風(fēng)時初始信號Fig.6 Original signals while no wind blowing

2）示波器的測量結(jié)果，如圖7所示。

圖7 測量結(jié)果Fig.7 Results ofmeasuring

風(fēng)洞的來流壓力為5 atm，啟動正常，但由于光路抖動較大，采取測量多次平均數(shù)據(jù)力求消除背景噪聲，采用1 kHz掃描頻率進(jìn)行調(diào)諧，粗略測得兩光路夾角均為53度，經(jīng)計(jì)算得出流速約為568.01 m／s，誤差10%，結(jié)果良好。

3）應(yīng)用數(shù)據(jù)采集卡的測量結(jié)果：

測量界面，如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集界面Fig.8 Interface of data acquisition

反演結(jié)果，如圖9所示。

圖9 0～25 ms區(qū)間速度分布Fig.9 Velocity distribution in the range of0～25 ms

調(diào)整過光路，兩光路夾角為53°，掃描頻率取4 kHz。為了盡量準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)采集卡采用最高采樣頻率20 MHz／s，處理出速度數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到速度563.06m／s，誤差為5.09%。

5 結(jié) 論

基于可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)，通過搭建可行的實(shí)際光路，我們實(shí)現(xiàn)了對風(fēng)洞的多普勒頻移測速，效果穩(wěn)定，結(jié)果良好，為進(jìn)一步在激波管等高速瞬態(tài)環(huán)境下測量打下了良好基礎(chǔ)。

［1］ R K Hanson，P A Kuntz，C H Kruger.Resonance absorption spectroscopy of combustion gases using tunable infrared diode lasers［C］.Presented at Fall Meeting of the Eastern States Section，The Combustion Institute，Philadelphia，1976：18－19.

［2］ Li Fei，Yu Xilong，Chen lihong，Zhang Xinyu.Temperature and water vapour concentrationmeasurements of CH4／Air premixed flat flame based on TDLAS［J］.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2009，23（2）：40－44（in Chinese）李飛，余西龍，陳立紅，張新宇，TDLAS測量甲烷／空氣預(yù)混平面火焰溫度和H2O濃度［J］.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2009，23（2）：40－44.

［3］ Wang Jian，Huang Wei，Gu Haitao，et al.Temperature measurementwith tunable diodes absorption spectroscopy［J］.Acta Optica Sinica，2007，27（9）：1639－1642.（in Chinese）王健，黃偉，顧海濤，等.可調(diào)諧二極管激光吸收光譜法測量氣體溫度［J］.光學(xué)學(xué)報，2007，27（9）：1639－1642.

［4］ Guan Cong，Qu Yi.Research on absorption line profile of methane changing with environment［J］.Laser＆Infrared，2012，42（1）：36－40.（in Chinese）貫叢，曲藝.甲烷紅外吸收光譜隨環(huán)境變化關(guān)系研究［J］.激光與紅外，2012，42（1）：36－40.

［5］ Liu Yunyan，Pan Jiaoqing，Cheng Chuanfu，et al.Application and key technologies of semiconductor laser in the detection of oxygen［J］.Laser＆Infrared 2011，41（5）：501－505.（in Chinese）劉云燕，潘教青，程傳福，等.半導(dǎo)體激光器在氧氣探測中的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)［J］.激光與紅外，2011，41（5）：501－505.

［6］ R K Hanson，L C Philippe.Diode laser absorption technique for monitoring mass flux in high speed airflows［C］.Invited Presentation at NASPMid-Term Technology Review，Monterey，1992.

Fluid velocity measurement of supersonic w ind tunnel w ith tunable diode laser absorption spectroscopy

GU Jun-qing，XU Sheng-li
（School of Engineering Science，University of Science and Technology of China，Hefei230027，China）

Tunable diode laser absorption spectroscopic（TDLAS）technology applies thewavelength tunable characteristics of diode lasers to the absorption spectroscopy of the selected absorption line.Based on the absorption line ofwater vapor，combined with HITRAN database，the frequency is chosen which fits the current environment（7181.1558cm－1），experiment equipments are setup，the according frequency shiftof the chosen frequency ismeasured and the fluid velocity is calculated.Experiments results show that velocity measurement is 563.06m／s，with the linear error of5.09%，which builds good foundation for the next series ofexperiments under transientenvironments of high velocity such as shock tube.

spectroscopy；flow velocity；tunable diode laser absorption spectroscopy；Doppler shift；measuring water vapor

O433.4

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.01.002

谷俊青（1989－），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榧t外光譜分析。E-mail：huigu＠ustc.edu.cn

2013-05-17；

2013-06-05