一种低温风洞试验段露点测量测试的光路系统的制作方法

1.本发明涉及露点测量领域，具体是一种低温风洞试验段露点测量测试的光路系统。


背景技术：

2.低温高雷诺数风洞是进行大型飞机、先进战机和往返大气层航天飞行器研制过程中进行复杂粘性流场性能研究必不可少的设备。与常温风洞不同，低温风洞运行介质为低温，从而对风洞中水蒸汽浓度控制提出了严格要求，以避免水汽在测试模型表面结霜/结冰，影响风洞模型试验测试精度。为此，在低温跨声速风洞降温前的清洗干燥过程中，需将水汽降低到足够低的水平。露点，也称为露点温度，是气体中水汽在保持压力不变的条件下、降温到凝结成露或结霜时的温度。它可用于表征气体中水汽含量。根据低温风洞设计需求，在低温风洞清洗和降温过程中需对气体露点进行在线监测，露点测量范围为-100℃~20℃，其中，-100℃~-80℃露点范围，测量误差小于
±
2℃，-80℃~20℃露点范围，测量误差小于
±
1℃。
3.当前，风洞露点测量主要采用冷镜式露点仪进行气体抽取式测量。抽取式露点测量中，露点测量结果会受到管路对水汽的吸脱附效应影响，造成测量结果的误差，甚至错误。冷镜式露点仪镜面还容易受到污染，影响测量精度，并且，冷镜式露点仪在极低露点条件下测量响应时间较长（例如，露点温度低于-80℃、响应时间达到10分钟左右）。
4.采用tdlas技术，可以实现低温风洞试验段露点原位测量，提升露点测量的效率、缩短测量时间。因为tdlas测量，需要在风洞试验段构成测试光路，如何在有效的空间，布局光路系统，并有效抑制风洞试验过程中对测量系统的干扰，是光路系统设计必须要解决的难点问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种低温风洞试验段露点测量测试的光路系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种低温风洞试验段露点测量测试的光路系统，包括分别安装在风洞试验段的两端侧壁上的光学发射单元与光学反射单元，光学发射单元与光学反射单元内均安装有温度调节装置，并均充斥有纯化的惰性气体；所述光学发射单元包括第一探测器、第二探测器、离轴抛物面镜、多个发射端反射镜以及激光器，所述光学反射单元包括空心角锥回射镜以及多个反射端反射镜；所述激光器发射的光束一部分作为测量光束，另一部分作为参考光束；所述离轴抛物面镜、空心角锥回射镜、反射端反射镜以及部分发射端反射镜构成测量光束的第一反射路径，其他发射端反射镜构成参考光束的第二反射路径；所述测量光束经过第一反射路径后通过第二探测器接收，所述参考光束经过第二反射路径后通过所述第一探测器接收，所述测量光束在光学发射单元、光学反射单元内的光程与参考光束的光程为比
例关系，两者误差范围为
±
5%以内。
7.优选的，所述激光器包括发出不同波长光束的至少两个激光器。
8.优选的，所述激光器包括第一激光器、第二激光器及第三激光器，其中第一激光器发出的光束波段为2626nm，第二激光器发出的光束波段为650nm，第三激光器发出的光束波段为1383nm。
9.优选的，第一激光器发出的2626nm光束波段与650nm光束波段、1383nm光束波段构成参考光束、测量光束的光强比例为1∶9。
10.优选的，用于测量光束的发射端反射镜设有两个，两个发射端反射镜与所述离轴抛物面镜呈“品”字型排布。
11.优选的，光学反射单元中的反射端反射镜设有两个，两个反射端反射镜与空心角锥回射镜呈“品”字型排布。
12.优选的，用于测量光束用的发射端反射镜、反射端反射镜、离轴抛物面镜及空心角锥回射镜均选用口径为2英寸的光学器件。
13.优选的，所述光学发射单元安装在第一防护壳体内部，所述光学反射单元安装在第二防护壳体内部，第一防护壳体与第二防护壳体分别以倾斜角安装在风洞试验段的两端侧壁上，所述第一防护壳体与第二防护壳体的轴线重合。
14.优选的，所述发射光学单元还包括波分复用器、准直器、光隔离器，所述第一激光器发射的光束通过所述光隔离器出射，所述第二激光器、第三激光器发出的光束通过所述波分复用器合束，并由准直器准直后出射，所述光学发射单元还包括激光分束合成镜，多个激光器发出的光束通过激光分束合成镜合束。
15.优选的，所述光学反射单元还包括压电电控调整单元，所述反射端反射镜均与所述压电电控调整单元连接固定。
16.有益效果：本发明可在对光学发射单元、光学反射单元内部进行温度控制和干燥的基础上，通过将参考光束的光程与测量光束在两单元内的光程抵消，从而减除测量光束在光学发生单元内的水汽吸收，即消弱了试验段以外气氛对试验段露点测量的影响，尤其适合低温风洞中露点的测量。
附图说明
17.图1为风洞的示意图；图2为本发明整体安装在风洞中时的示意图；图3为本发明的整体结构框图；图4为本发明光学发射单元发出的测量光束多次反射的前进路径图；图5为本发明光学发射单元发出的测量光束多次反射的返回路径图；图6为本发明光学发射单元某一角度的结构示意图；图7为本发明光学发射单元另一角度的结构示意图；图8为本发明光学反射单元某一角度的结构示意图。
18.图中：100-光学发射单元；101-第一防护壳体；102-第一光窗；103-第一激光器；104-光隔离器；105-第二激
光器；106-第三激光器；107-波分复用器；108-准直器；109-激光分束合成镜；110-第一发射端反射镜；111-第二发射端反射镜；112-第三发射端反射镜；113-第一探测器；114-第四发射端反射镜；115-第五发射端反射镜；116-离轴抛物面镜；117-第二探测器；200-光学反射单元；201-第二防护壳体；202-第二光窗；203-第一反射端反射镜；204-第二反射端反射镜；205-空心角锥回射镜；206-压电电控调整单元；300-侧壁；400-测量光束；401~405-光路前进路径；406~410-光路返回路径；500-气体介质；600-倾斜角。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.实施例1，如图1所示，风洞包括稳定段、试验段以及试验段两侧的驻室，如图2所示，光路系统包括分别安装在风洞试验段的两端侧壁300上的光学发射单元100与光学反射单元200，光学发射单元100与光学反射单元200内部均安装有温度控制装置，使光学发射单元100、光学反射单元200内部维持在合适的温度。且光学发射单元100与光学反射单元200内均充斥有纯化的惰性气体，用于尽可能地去除两筒体内部的水汽，避免水汽本底太高，影响测量光束400测量风洞两壁面间的试验段。惰性气体优选为氮气。光学发射单元100包括第一探测器113、第二探测器117、激光分束合成镜109、离轴抛物面镜116、多个发射端反射镜以及发射不同波长光束的多个激光器，光学反射单元200包括空心角锥回射镜205以及多个反射端反射镜。
21.如图3所示，多个激光器发射的光束通过激光分束合成镜109合束，一部分作为测量光束400，另一部分作为参考光束。测量光束400通过离轴抛物面镜116的中心开孔发出，在光学发射单元100和光学反射单元200之间来回反射，共计10次穿过试验段来流气体介质500，最后返回光学发射单元100，实现露点原位在线测量。参考光束通过多个发射端反射镜多次反射后通过第一探测器113接收。
22.具体地，本实施例中，发射端反射镜包括第一发射端反射镜110、第二发射端反射镜111、第三发射端反射镜112、第四发射端反射镜114、第五发射端反射镜115；反射端反射镜包括第一反射端反射镜203、第二反射端反射镜204。
23.如图4、5所示，测量光束400经离轴抛物面镜116的中心开孔出射，发射到风洞试验段，测量光束400的前进路径为：路径401：从离轴抛物面镜116中心开孔发出到第一反射端反射镜203；路径402：从第一反射端反射镜203反射到第四发射端反射镜114；路径403：从第四发射端反射镜114反射到第二反射端反射镜204；路径404：从第二反射端反射镜204反射到第五发射端反射镜115；
路径405：从第五发射端反射镜115反射到空心角锥回射镜205。
24.空心角锥回射镜205将测量光束400原路返回，返回的路径为：路径406：空心角锥回射镜205发射到第五发射端反射镜115；路径407：第五发射端反射镜115反射到第二反射端反射镜204；路径208：第二反射端反射镜204反射到第四发射端反射镜114；路径209：第四发射端反射镜114反射到第一反射端反射镜203；路径210：第一反射端反射镜203反射到离轴抛物面镜116。
25.测量光束通过来回反射10次穿过试验段的来流气体介质500，实现了测量光程的增加，最终离轴抛物面镜116接收聚焦至第二探测器117，实现收发一体的紧凑光学系统设计。其中光路经过的空心角锥回射镜205用于将光路原方向返回，让最终光路“逆向”回到离轴抛物面镜116；离轴抛物面镜116收集返回的光束，并将光束聚焦到测量通道探测器也即第二探测器117的感光面上。
26.参考光束主要通过第一发射端反射镜110、第二发射端反射镜111、第三发射端反射镜112多次反射实现光程的增加，最终被第一探测器113接收。
27.因为测量光束400在两光学发射单元100、光学反射单元200内存在一定的光程，为了减小这部分光程上的水汽吸收对露点测量精度的影响，可通过测量参考光路上的水汽吸收，来作为背景减除。为了便于减除计算，测量光束在两光学单元内的光程与参考光束的光程长度为比例关系，如1:1，2:1等。如实现两者的光程长度近似1:1相等，在误差范围为
±
5%以内，减除的效果更好。
28.由于参考光束在第一发射端反射镜110、第二发射端反射镜111、第三发射端反射镜112之间的反射为单次反射，为了增加参考光束的光程，第一、第二、第三发射端反射镜之间的间距可以设置的较大，也可以在三者之间增加新的发射端反射镜，来匹配测量光路在两单元内光程总和的长度。
29.通过上述方案实施，可在光学发射单元100、光学反射单元200内部进行了温度控制和氮气吹扫的基础上，进一步减除测量光束400在两光学单元内的水汽吸收，即消弱了试验段以外气氛对试验段露点测量的影响，尤其适合低温风洞中露点的测量。
30.实施例2，在实施例1的基础上，如图6所示，本实施例为了实现宽动态范围的露点测量，采用发出不同波长光束的多个激光器，波段的选择根据露点测量范围而定。具体地，本实施例包括第一激光器103、第二激光器105及第三激光器106，其中第一激光器103发出的光束波段优选为2626nm，第三激光器106发出的光束波段优选为1383nm，能够实现宽范围的露点测量。第二激光器105主要用于发出用于光路调试用的可见指示光，本实施例中第二激光器105发出的光束波段为650nm，不参与露点测量。因此测量光束与参考光束均由650nm指示红光、1383nm和2626nm露点测量激光束合束组成。
31.在本实施例中，发射光学单元还包括波分复用器107、准直器108、光隔离器104， 1383nm、2626nm两个波段的激光器分时出光，分别覆盖不同的水汽吸收谱线，组合实现宽动态范围露点测量。650nm红光光纤激光器用于光路指示调试。如图6所示，其中第三激光器106采用蝶形封装光纤输出，第二激光器105与第三激光器106由波分复用器107合束，并由准直器108准直后出射。第一激光器103固定于散热底座上，采用to封装空间输出，由非球面透镜设计为一体模块，通过光隔离器104准直后出射，并与准直器108出射的光通过激光分
束合成镜109进行合束。
32.激光分束合成镜109进行激光合束时，能量约为90%的2626nm透射光及650nm、1383nm反射光合束构成测量光束400，能量约为10%的2626nm反射光及650nm、1383nm的透射光合束构成参考光束。
33.通常分色片根据不同使用场景对镀膜提的配比要求，常见为1:9，3:7，5:5等。选用1:9的配比的目的是为了保证参考光路和测量光路测量信号都有足够的信噪比，以保证不会影响低露点测量的精度。
34.设备安装时，打开第二激光器105，使650nm指示红光用于激光束在风洞侧壁300之间多次反射的调试。设备运行时，关闭第二激光器105，打开第一激光器103与第三激光器106，分别发出2626nm和1383nm露点测量激光束，测量光束400在试验段内多次反射后入射到空心角锥回射镜205上。空心角锥回射镜205让测量光束400 180
°
原路返回至离轴抛物面镜116，实现双倍光程的增加。
35.需要说明的是，上述光学发射单元100安装在第一防护壳体101内部，第一防护壳体101的表面与风洞侧壁300重合，并在表面上安装有用于使测量光束400通过的第一光窗102。光学反射单元200安装在第二防护壳体201内部，第二防护壳体201的表面与风洞侧壁300重合，并在表面上安装有用于使测量光束400通过的第二光窗202。
36.优选的，如图7、8所示，光学发射单元100中，第四发射端反射镜114、第五发射端反射镜115与离轴抛物面镜116采用“品”字型紧凑型排布设计，光学反射单元200中，第一反射端反射镜203、第二反射端反射镜204与空心角锥回射镜205采用“品”字型紧凑型排布设计。相较于一字形排布，“品”字型设计可以减小光学器件的安装面积，减小第一防护壳体101、第二防护壳体201的内径尺寸，有利于安装。
37.第一防护壳体101、第二防护壳体201均为低温防护壳体，通过温度控制装置和高纯氮气吹扫壳体内水汽来控制壳体内的温度和干燥，主要保护光学发射单元100、光学反射单元200内部的器件，以适应低温风洞环境。第一光窗102、第二光窗202均为0.5楔形红外石英光窗。
38.在风洞实际测量中，激光发射后，如果未经过试验段流场而直接被第一光窗102的窗片表面反射的激光，部分或者全部被离轴抛物面镜116接收系统收集到第二探测器117，将会与经过流场后包含吸收信息再到达第二探测器117的激光信号叠加产生光学干涉，从而对吸收光谱的真实获取产生影响，吸光度计算偏差将导致最终露点计算的系统误差甚至严重偏差，而由于表面反射激光相对强度无法准确评估，在实际测量中无法通过数据处理进行修正。激光如果垂直于通光窗片发射，即使通光窗片增透镀膜仍然会有反射回光被离轴抛物面镜收集。
39.如图2所示，为了避免反射光被离轴抛物面镜116接收至第二探测器117产生光学干涉，影响露点测量，光学发射单元100与光学反射单元200分别以倾斜角600安装在风洞试验段的两端侧壁300上，第一防护壳体101与第二防护壳体201的轴线重合。倾斜角600是第一防护壳体101、第二防护壳体201的轴线与侧壁面上第一光窗102、第二光窗202窗片的夹角，夹角角度为θ。设风洞侧壁300的两侧壁间距为l，第一光窗102、第二光窗202在风洞侧壁投影方向有一定的距离间隔d，则满足倾斜角tanθ=l/d。
40.因此，当反射光路共计10次以一定角度θ穿过风洞试验段气体介质500后，其则总
光程大于10
×
l，即满足对2.6m间距风洞露点测量总光程不低于26m的要求。
41.实施例3，实际风洞测量中，光学发射单元100、光学反射单元200安装位置所在试验段的风洞侧壁300可能由于振动、形变等对多次反射光路对准附加影响。上述实施例的多次反射光路方案对两侧风洞壁面的相对位移产生的影响不敏感，对两侧壁面相对扩张或摆动的角度变化产生的影响敏感。如仅存在位移变形，不做光路调整的情况下光学结构即能够容忍，满足应用条件需求。为解决风洞壁面之间非平行的形变致使光路发生偏折，传输过程中光斑部分落到反射镜外导致激光能量损失的问题，本实施例在上述实施例的基础上，进一步的提高光路容忍能力。
42.本实施例中，为了减小振动、变形对多次反射光路的影响，设计结构上所有测量光束400用的反射镜、离轴抛物面镜116、空心角锥回射镜205均选用口径为2英寸的光学器件，通过增大光学器件的接收口径，来提高测量光路对振动、结构变形的被动容忍能力。
43.进一步的，光学反射单元200还包括压电电控调整单元206，反射端反射镜均与压电电控调整单元206连接固定。由于空心角锥回射镜205与入射光束角度无关，不受对准的影响，自身可以减小风洞振动、低温形变对测量光路的影响，在没有外部调整的情况下能够适应包含位移和角度在内的一定范围光路变化。因此只将第一反射端反射镜203、第二反射端反射镜204安装在压电电控调整单元206上，通过电控调整同时修正两者的角度，减小因风洞侧壁300的壁面振动、低温形变，引起的两防护壳体之间产生的角度偏差对测量光束400的影响，提高多次反射光路对入射方向、风洞壁面振动、低温形变变化等的容忍裕量。
44.本发明通过上述实施例，至少具有以下优点：1、在进行-100℃露点测量时，信号非常微弱，第一防护壳体101、第二防护壳体201内微弱的水汽会淹没测量信号，因此，本技术采用参考光束作为测量光束的参考基准，将测量仪器腔、激光器等测试光路上与试验段无关区域的干扰滤除。
45.2、光学发射单元100、光学反射单元200倾斜安装，使出射的探测激光打到光窗窗片上后，不会进入探测光路，避免出现光学干涉问题，影响测量信号质量，从而确保测量结果的高质量。
46.3、所有测量光束用的光学器件采用2英寸的光学器件，通过增大光学器件的接收口径，来提高测量光路对振动、结构变形的被动容忍能力，并且，反射光学单元200中采用空心角锥回射镜205以及压电电控调整单元206增强多次反射光路的容忍裕量，以提高测量精度。
47.虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
48.故以上所述仅为本技术的较佳实施例，并非用来限定本技术的实施范围；即凡依本技术的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本技术权利要求的保护范围。