航空发动机燃气成分及浓度监测系统技术方案

本实用新型专利技术公开一种航空发动机燃气成分及浓度监测系统，属于气体检测的技术领域，包括信号发射装置、信号接受装置、防护装置、光源系统以及控制系统；信号发射装置和信号接受装置分别设置在航空发动机燃烧室相对的两侧；防护装置包括密封设置在航空发动机燃烧室相对两侧上的石英光学窗口以及分别设置在信号发射装置和信号接受装置外的保护罩；石英光学窗口可通过光的光谱范围为1000‑5500nm；光源系统包括可调谐半导体激光器以及光纤耦合器；控制系统包括光电探测器、信号放大器、锁相解调模块以及存储模块；信号发射装置通过光纤与光纤耦合器电连接；信号接受装置通过同轴电缆与光电探测器电连接。该系统实现了对航空发动机燃气进行原位检测。

【技术实现步骤摘要】
航空发动机燃气成分及浓度监测系统
本技术涉及气体检测的
，特别是涉及一种航空发动机燃气成分及浓度监测系统。
技术介绍
航天器在发射或在轨工作期间，需要检测发动机燃烧室内的气体成分，用于识别、判断发动机是否工作正常，给出燃料最优控制。发动机燃气的有害成分主要有CH化合物，NO化合物，NH化合物及颗粒物；其中CH化合物是燃料的主要成分，其在燃气中的含量反映发动机的燃烧效率；NO化合物是高温富氧条件下的产物，反映发动机的健康状况；NH化合物是CH化合物与NO化合物反应产物，对其检测可实现对发动机的污染控制。发动机燃烧室极限温度下燃气成分及浓度的直接测试能力，是解决发动机排放主动控制和污染控制的难题，可极大推动航空发动机技术的革新和发展，为发动机的障诊断和状态监测提供新思路。但是常规气体传感器无法在高温、高压、高流速和多相流恶劣环境下工作。目前航空发动机燃气分析主要是利用取样装置把燃气引入测量仪表进行成分分析，再通过燃气成分数据计算燃烧效率、燃烧温度以及污染物排放等参数的一种测量方法，无法实现高温恶劣环境中燃气成分的原位检测。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种航空发动机燃气成分及浓度监测系统，以改善现有技术难以对航空发动机燃气进行原位检测的技术问题。本技术提供一种航空发动机燃气成分及浓度监测系统，该系统基于可调谐半导体激光吸收光谱技术实施；包括信号发射装置、信号接受装置、防护装置、光源系统以及控制系统；信号发射装置和信号接受装置分别设置在航空发动机燃烧室相对的两侧；防护装置包括密封设置在航空发动机燃烧室相对两侧上的石英光学窗口以及分别设置在信号发射装置和信号接受装置外的由钢铁材质制成的保护罩；石英光学窗口可通过光的光谱范围为1000-5500nm；光源系统包括设置有三个激光通道的可调谐半导体激光器以及与可调谐半导体激光器电连接的光纤耦合器；三个激光通道分别发射波长为1.6um、1.5um和5.2um的光束分别作为CH4、NH3和NO的吸收光；控制系统包括光电探测器、与光电探测器电连接的信号放大器、与信号放大器电连接的锁相解调模块以及与锁相解调模块电连接的存储模块；信号发射装置通过光纤与所述光纤耦合器电连接；信号接受装置通过同轴电缆与光电探测器电连接。具体地，可调谐半导体激光器为可调谐分布反馈激光器。进一步地，英光学窗口能够承受的最低温度为1700℃，最低压强为30Mp。进一步地，信号发射装置和信号接受装置均通过法兰固定在航空发动机燃烧室相对的两侧；石英光学窗口密封设置在法兰上。进一步地，保护罩上设置有供光纤和/或同轴电缆穿过的穿线孔。与现有技术相比，本技术的优势在于：本技术提供的航空发动机燃气成分及浓度监测系统，通过光纤将可调谐半导体激光器中的激光束导入到信号发射装置中，信号发射装置调整光束后发射到燃烧室对面的信号接收装置，经过燃气吸收后的光束到达信号接收装置后，经过控制系统中的光电探测器检测信号，检测器检测到的信号经过信号放大器（PDA）放大后，通过同轴电缆进入锁相解调模块进行数据处理，得到燃气成分及浓度，存储于存储模块内。由于航空发动机燃烧室点火过程会产生瞬时的高温、高压、高冲击气流，为此特别设计了防护装置，通过在信号发射装置和信号接受装置外加装保护罩以减少冲击气流产生的振动，在航空发动机燃烧室相对两侧上设置石英光学窗口有效避免了高温、高压、高冲击气流对信号发射装置和信号接受装置产生直接损伤，有效保护了信号发射装置和信号接受装置不被损坏，以确保整个系统正常工作，实现了对航空发动机燃气进行原位检测。附图说明为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：图1是本实施例提供的航空发动机燃气成分及浓度监测系统的结构示意图；图2是图1所示航空发动机燃气成分及浓度监测系统中信号发射装置和信号接受装置的安装示意图；图3是NO，CH4，NH3三种气体在5um波段以及0.9um-1.6um波段附近的气体吸收线图谱。标号：1-信号发射装置；2-信号接受装置；3-石英光学窗口；4-保护罩；5-可调谐半导体激光器；6-光纤耦合器；7-光电探测器；8-信号放大器；9-锁相解调模块；10-存储模块；11-法兰；100-航空发动机燃烧室。具体实施方式下面将对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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它实施例，都属于本技术保护的范围。实时在线光谱学检测技术以其多组分、范围广、连续工作的方式成为气体检测的理想技术，是目前常规在线检测污染物排放技术的发展方向和技术主流。光谱学技术主要有差分光学吸收光谱技术（DOAS）、差分吸收激光雷达（DIAL）、傅里叶变换光谱技术（FTIR）和可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）等吸收光谱技术。与其他气体测量方法相比，TDLAS技术主要有探测灵敏度高、精度高、在线实时非接触测量、选择性好、不需要对气体进行预处理等优点。可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术是一种先进的光谱吸收技术。激光具有高单色性、方向性和高强度，并且可以在很宽的量程范围内测量特定气体的浓度，TDLAS技术的工作原理是通过测量被测气体分子在特征波峰上的吸收而引起的光谱信号的变化来分析其浓度。在电流激发下，可调谐半导体激光器5发射出特定波长的激光，发出的波长由可调谐半导体激光器5晶体的化学组分决定，随着电流强度的变化，可调谐半导体激光器5的发射波长会在一个窄的范围内发生变化，通过这个特性可以高速测试到被测气体分子特征波峰相一致的波长。由于发射的波长非常精确，对于特定的待测气体成分可选择其不受干扰的吸收波段进行分析，使得被测量具有高度的抗干扰性。TDLAS的出现，很好地解决了传统的光谱检测中所遇到的一些问题，例如极快的响应时间、高灵敏度、高选择性等一些实时连续监测要求。基于TDLAS原理的测量技术在自然灾害、工业过程有害气体含量检测以及矿井和天然气管道甲烷浓度检测等恶劣环境条件应用方面具有重大潜在价值。本实施例提供的航空发动机燃气成分及浓度监测系统，正是基于可调谐半导体激光吸收光谱技术实施的；如图1和图2所示，包括信号发射装置1、信号接受装置2、防护装置、光源系统以及控制系统；信号发射装置1和信号接受装置2分别设置在航空发动机燃烧室100相对的两侧；防护装置包括密封设置在航空发动机燃烧室100相对两侧上的石英光学窗口3以及分别设置在信号发射装置1和信号接受装置2外的由钢铁材质制成的保护罩4；石英光学窗口3可通过光的光谱范围为1000-5500nm；光源系统包括设置有三个激光通道的可调谐半导体激光器5以及与可调谐半导体激光器5电连接的光纤耦合器6；三个激光通道分别发射波长为1.6um、1.5um和5.2um的光束分别作为CH4、NH3和NO的吸收光；控制系统包括光电探测器7、与光电探测器7电连接的信号放大器8、与信号放大器8电连接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种航空发动机燃气成分及浓度监测系统，其特征在于，该系统基于可调谐半导体激光吸收光谱技术实施；包括信号发射装置（1）、信号接受装置（2）、防护装置、光源系统以及控制系统；所述信号发射装置（1）和信号接受装置（2）分别设置在航空发动机燃烧室（100）相对的两侧；所述防护装置包括密封设置在航空发动机燃烧室（100）相对两侧上的石英光学窗口（3）以及分别设置在所述信号发射装置（1）和信号接受装置（2）外的由钢铁材质制成的保护罩（4）；所述石英光学窗口（3）可通过光的光谱范围为1000‑5500nm；所述光源系统包括设置有三个激光通道的可调谐半导体激光器（5）以及与所述可调谐半导体激光器（5）电连接的光纤耦合器（6）；所述三个激光通道分别发射波长为1.6um、1.5 um和5.2um的光束分别作为CH4、NH3和NO的吸收光；所述控制系统包括光电探测器（7）、与所述光电探测器（7）电连接的信号放大器（8）、与所述信号放大器（8）电连接的锁相解调模块（9）以及与所述锁相解调模块（9）电连接的存储模块（10）；所述信号发射装置（1）通过光纤与所述光纤耦合器（6）电连接；所述信号接受装置（2）通过同轴电缆与所述光电探测器（7）电连接。...

【技术特征摘要】
1.一种航空发动机燃气成分及浓度监测系统，其特征在于，该系统基于可调谐半导体激光吸收光谱技术实施；包括信号发射装置（1）、信号接受装置（2）、防护装置、光源系统以及控制系统；所述信号发射装置（1）和信号接受装置（2）分别设置在航空发动机燃烧室（100）相对的两侧；所述防护装置包括密封设置在航空发动机燃烧室（100）相对两侧上的石英光学窗口（3）以及分别设置在所述信号发射装置（1）和信号接受装置（2）外的由钢铁材质制成的保护罩（4）；所述石英光学窗口（3）可通过光的光谱范围为1000-5500nm；所述光源系统包括设置有三个激光通道的可调谐半导体激光器（5）以及与所述可调谐半导体激光器（5）电连接的光纤耦合器（6）；所述三个激光通道分别发射波长为1.6um、1.5um和5.2um的光束分别作为CH4、NH3和NO的吸收光；所述控制系统包括光电探测器（7）、与所述光电探测器（7）电连接的信号放大器（8）、与所述信号放大器（...

【专利技术属性】
技术研发人员：董和磊，谭秋林，熊继军，张文栋，赵利辉，王红亮，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：新型
国别省市：山西,14