一种发动机燃气组分检测方法及装置与流程

1.本发明涉及激光光谱测量技术领域，尤其涉及一种发动机燃气组分检测方法及装置。


背景技术：

2.在航空航天发动机中，高温环境下的燃气成分、浓度等状态量的测量，对于了解发动机内部的燃烧情况非常重要，同时也是燃烧组织和结构优化的重要依据。可指导前期设计与后期优化。现有发动机燃气成分检测方法主要采用插入式取样分析法和非相干红外干涉光谱法。插入取样分析需借助多台不同分析仪器，每台仪器功能单一。其次，测量时间长，无法满足发动机动态燃烧特性的快速测试要求。此外，取样头结构固定，会造成采样分布不均匀，不利于燃气组分分布式探测。
3.非相干红外干涉光谱分析法光谱分辨率受限于干涉中扫描臂的行程范围。在探测灵敏度方面，由于使用非相干红外光源，其辐照强度和能量密度以及辐射发散会制约灵敏度提升。在测量速度方面，干涉中扫描臂运动速度直接确定了测量实效性，难以满足快速测量要求。
4.总体来说，现有方法无论在光谱指标性能还是谈在探测速度上，已无法满足高速、高光谱分辨率的测量要求。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种发动机燃气组分检测方法及装置，具有高光谱分辨率和高灵敏度特性，并且能够满足发动机燃烧的动态过程的实时定量遥测分析需求。
6.一种发动机燃气组分检测方法，包括以下步骤：
7.步骤a，构建测试激光系统；
8.步骤b，构建所述测试激光系统的光路；
9.步骤c，处理所述测试激光系统的光谱输出；
10.步骤d，圆周扫描探测所述光谱数据；
11.步骤e，轴向扫描探测所述光谱数据，获取喷射燃气的空间分布。
12.在其中一个实施例中，所述步骤a包括：
13.步骤a1，设定两台具有频率偏差的重复频率的光频梳系统，所述光频梳系统输出的飞秒激光脉冲具有不同的重复周期；
14.步骤a2，增强所述光频梳系统的相位相干特性，将所述光频梳系统的某一频率分量锁定至超稳激光。
15.在其中一个实施例中，所述步骤b包括：
16.步骤b1，所述光频梳系统输出飞秒激光脉冲至光纤准直装置；
17.步骤b2，所述飞秒激光脉冲沿燃气喷射圆柱坐标系下的径向方向，穿过燃气；
18.步骤b3，光纤耦合装置获得周期性的干涉信号。
19.在其中一个实施例中，所述步骤c包括：
20.步骤c1，所述光纤耦合装置将光信号送入光电探测器完成光电转换；
21.步骤c2，所述电信号被数据采集系统离散化；
22.步骤c3，通过傅里叶变换算法，将时域信号变换至频域信号，完成光谱探测。
23.在其中一个实施例中，所述步骤d包括：
24.步骤d1，所述光纤准直装置与光纤耦合装置沿圆周扫描，获得各圆周角度下的吸收光谱数据；
25.步骤d2，通过ct数据综合计算方法，获得燃气组分的探测切面分布。
26.在其中一个实施例中，所述步骤e包括：
27.步骤e1，沿发动机燃气喷射轴向，切换探测面轴向坐标；
28.步骤e2，重复圆周扫描探测所述光谱数据，完成轴向扫描探测。
29.一种发动机燃气组分检测装置，包括上述的一种发动机燃气组分检测方法，还包括：
30.光频梳系统，具有频率偏差的重复频率，用于在时域内相互扫描、周期重合与分离现象，产生周期性的干涉信号；
31.光纤准直装置，位于发动机燃气喷口附近，通过光纤连接所述光频梳系统，用于将所述光纤内的飞秒激光脉冲沿燃气喷射的径向方向穿过燃气；
32.光纤耦合装置，信号连接所述光纤准直装置，用于将获得周期性的干涉光信号通过光电探测器完成光电转换；
33.信号转换装置，信号连接所述光纤耦合装置，用于将时域信号变换至频域信号；
34.数据计算装置，信号连接所述光纤准直装置和光纤耦合装置，用于将获得各圆周角度下的吸收光谱数据通过ct数据综合计算方法，获得燃气组分的探测切面分布。
35.在其中一个实施例中，所述光频梳系统为两台，且所述光频梳系统的某一频率分量锁定至超稳激光。
36.在其中一个实施例中，所述光纤耦合装置将转换后的电信号被数据采集系统离散化。
37.上述技术方案具有如下优点或有益效果：
38.本发明这种发动机燃气组分检测方法及装置，通过圆周扫描探测和轴向扫描探测，获得喷射燃气的圆柱空间分布；具有高光谱分辨率和高灵敏度特性，并且能够满足发动机燃烧的动态过程的实时定量遥测分析需求。本发明提高激光发射信号与接收信号的准确性和精度，保证燃烧室燃气特性分析的准确性和精度。
附图说明
39.图1是本发明一种发动机燃气组分检测方法的流程示意图；
40.图2是本发明一种发动机燃气组分检测装置的结构示意图。
具体实施方式
41.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
42.参阅图1，一种发动机燃气组分检测方法，包括以下步骤：
43.步骤a，构建测试激光系统；
44.步骤b，构建所述测试激光系统的光路；
45.步骤c，处理所述测试激光系统的光谱输出；
46.步骤d，圆周扫描探测所述光谱数据；
47.步骤e，轴向扫描探测所述光谱数据，获取喷射燃气的空间分布。
48.进一步地，本发明一种发动机燃气组分检测方法的较佳的实施例中，所述步骤a包括：
49.步骤a1，设定两台具有频率偏差的重复频率的光频梳系统，所述光频梳系统输出的飞秒激光脉冲具有不同的重复周期；
50.步骤a2，增强所述光频梳系统的相位相干特性，将所述光频梳系统的某一频率分量锁定至超稳激光。
51.进一步地，本发明一种发动机燃气组分检测方法的较佳的实施例中，所述步骤b包括：
52.步骤b1，所述光频梳系统输出飞秒激光脉冲至光纤准直装置；
53.步骤b2，所述飞秒激光脉冲沿燃气喷射圆柱坐标系下的径向方向，穿过燃气；
54.步骤b3，光纤耦合装置获得周期性的干涉信号。
55.进一步地，本发明一种发动机燃气组分检测方法的较佳的实施例中，所述步骤c包括：
56.步骤c1，所述光纤耦合装置将光信号送入光电探测器完成光电转换；
57.步骤c2，所述电信号被数据采集系统离散化；
58.步骤c3，通过傅里叶变换算法，将时域信号变换至频域信号，完成光谱探测。
59.进一步地，本发明一种发动机燃气组分检测方法的较佳的实施例中，所述步骤d包括：
60.步骤d1，所述光纤准直装置与光纤耦合装置沿圆周扫描，获得各圆周角度下的吸收光谱数据；
61.步骤d2，通过ct数据综合计算方法，获得燃气组分的探测切面分布。
62.进一步地，本发明一种发动机燃气组分检测方法的较佳的实施例中，所述步骤e包括：
63.步骤e1，沿发动机燃气喷射轴向，切换探测面轴向坐标；
64.步骤e2，重复圆周扫描探测所述光谱数据，完成轴向扫描探测。
65.利用两台光频梳系统，设定其重复频率具有微小的频率偏差，此时，两台光频梳输出的飞秒激光脉冲具有不同的重复周期，可在时域内相互扫描、周期重合与分离现象，产生周期性的干涉信号，为增强两台光频梳的相位相干特性，利用超稳激光作为两台光频梳共同的频率参考，即将两台光频梳各自的某一频率分量锁定至超稳激光；
66.两台光频梳输出飞秒激光脉冲通过光纤传输至发动机燃气喷口附近的光纤准直装置，之后，飞秒激光脉冲沿燃气喷射圆柱坐标系下的径向方向，穿过燃气，在圆周对侧，光纤耦合装置获得周期性的干涉信号；
67.光纤耦合装置将接收光信号送入光电探测器完成光电转换，转换后的电信号被数
据采集系统离散化，利用傅里叶变换算法，将时域信号变换至频域信号，最终完成光谱探测；
68.在发动发动机试车状态下，飞秒激光脉冲的频率分量被燃气中的二氧化碳、水和碳氧化物和氮氧化物吸收，光纤准直装置与光纤耦合装置沿圆周扫描，获得各圆周角度下的吸收光谱数据，利用ct数据综合计算方法，获得燃气组分的探测切面分布；
69.沿发动机燃气喷射轴向，切换探测面轴向坐标，重复圆周扫描探测，完成轴向扫描探测，可获得喷射燃气的圆柱空间分布。
70.参阅图2，一种发动机燃气组分检测装置，包括上述的一种发动机燃气组分检测方法，还包括：
71.光频梳系统1，具有频率偏差的重复频率，用于在时域内相互扫描、周期重合与分离现象，产生周期性的干涉信号，利用两台光频梳系统，设定其重复频率具有微小的频率偏差，此时，两台光频梳系统1输出的飞秒激光脉冲具有不同的重复周期；
72.光纤准直装置2，位于发动机燃气喷口附近，通过光纤连接所述光频梳系统1，用于将所述光纤内的飞秒激光脉冲沿燃气喷射的径向方向穿过燃气，两台光频梳系统1输出飞秒激光脉冲通过光纤传输至发动机燃气喷口附近的光纤准直装置2，在圆周对侧，光纤耦合装置3获得周期性的干涉信号；
73.光纤耦合装置3，信号连接所述光纤准直装置2，用于将获得周期性的干涉光信号通过光电探测器完成光电转换；
74.信号转换装置4，信号连接所述光纤耦合装置3，用于通过傅里叶变换算法，将时域信号变换至频域信号；
75.数据计算装置5，信号连接所述光纤准直装置2和光纤耦合装置3，用于将获得各圆周角度下的吸收光谱数据通过ct数据综合计算方法，获得燃气组分的探测切面分布，在发动发动机试车状态下，飞秒激光脉冲的频率分量被燃气中的二氧化碳、水和碳氧化物和氮氧化物吸收，光纤准直装置2与光纤耦合装置3沿圆周扫描，获得各圆周角度下的吸收光谱数据。
76.进一步地，本发明一种发动机燃气组分检测装置的较佳的实施例中，所述光频梳系统1为两台，且所述光频梳系统1的某一频率分量锁定至超稳激光。
77.进一步地，本发明一种发动机燃气组分检测装置的较佳的实施例中，所述光纤耦合装置3将转换后的电信号被数据采集系统离散化。
78.在对气体分子吸收光谱进行谱线选择的时候充分考虑几个方面：一、吸收谱线的强度足够大，便于检测，也便于与周围的吸收谱线区分；二、选择的吸收谱线要避免与其他气体分子的吸收谱线发生重合，提高检测精确度；三、选择的吸收谱线要与当前的激光器和检测设备相符合。
79.本实施例通过朗伯-比尔(lambert-beer)定律计算获取气体的浓度参数；首先测量出经气体吸收后的光强信号和激光原始光强信号，然后根据选定的特征吸收线，计算出实际测量的谱线线强和线型，就可以推导出气体的浓度。根据lambert-beer定律，在介质的温度和压力等环境条件一定时，如果一束光通过该介质，介质对光的吸光度正比于介质浓度及介质厚度的乘积。由于部分入射光强被介质吸收，因此穿过介质的透射光的强度就要减弱，吸收介质的浓度愈大，则入射光的衰减愈明显。
80.本发提供一种发动机燃气组分检测方法及装置，具有高光谱分辨率和高灵敏度特性，并且能够满足发动机燃烧的动态过程的实时定量遥测分析需求。
81.具体步骤为：
82.第一步，测试激光系统构建
83.利用两台光频梳系统，设定其重复频率具有微小的频率偏差。此时，两台光频梳输出的飞秒激光脉冲具有不同的重复周期，可在时域内相互扫描、周期重合与分离现象，产生周期性的干涉信号。为增强两台光频梳的相位相干特性，利用超稳激光作为两台光频梳共同的频率参考，即将两台光频梳各自的某一频率分量锁定至超稳激光。
84.第二步，测试光路构建
85.两台光频梳输出飞秒激光脉冲通过光纤传输至发动机燃气喷口附近的光纤准直装置。之后，飞秒激光脉冲沿燃气喷射圆柱坐标系下的径向方向，穿过燃气。在圆周对侧，光纤耦合装置获得周期性的干涉信号。
86.第三步，光谱输出处理
87.光纤耦合装置将接收光信号送入光电探测器完成光电转换。转换后的电信号被数据采集系统离散化。利用傅里叶变换算法，将时域信号变换至频域信号，最终完成光谱探测。
88.第四步，圆周扫描探测
89.在发动发动机试车状态下，飞秒激光脉冲的频率分量被燃气中的二氧化碳、水和碳氧化物和氮氧化物吸收。光纤准直装置与光纤耦合装置沿圆周扫描，获得各圆周角度下的吸收光谱数据。利用ct数据综合计算方法，获得燃气组分的探测切面分布，
90.第五步，轴向扫描探测
91.沿发动机燃气喷射轴向，切换探测面轴向坐标，重复“第四步”，完成轴向扫描探测。最终完成上述测量步骤，可获得喷射燃气的圆柱空间分布。
92.综上所述，本发明这种发动机燃气组分检测方法及装置，通过圆周扫描探测和轴向扫描探测，获得喷射燃气的圆柱空间分布；具有高光谱分辨率和高灵敏度特性，并且能够满足发动机燃烧的动态过程的实时定量遥测分析需求。本发明提高激光发射信号与接收信号的准确性和精度，保证燃烧室燃气特性分析的准确性和精度。
93.以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
94.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。