基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法技术

本发明专利技术公开了基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法，形成泵浦探测斯托克斯光束以相位匹配的方式聚焦于待测燃烧流场；测量待测燃烧流场的相干反斯托克斯拉曼散射光谱，记录热电偶测量值；计算理论光谱；计算归一化实测光谱与理论光谱的偏差；调整指定温度和偏差计算过程中的自由参数，得到相干反斯托克斯拉曼散射测量值；调整流场温度，得到不同流场温度下的相干反斯托克斯拉曼散射温度测量值和高温热电偶测量值，绘制关系图对待校准高温热电偶进行校准。本发明专利技术用以解决现有技术中对燃烧流场高温燃气的宽范围实时准确测量难题，实现在高温流场下对热电偶进行准确校准、进而在宽温度范围内对高温燃气进行实时准确测量的目的。准确测量的目的。准确测量的目的。

【技术实现步骤摘要】
基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法


[0001]本专利技术涉及燃烧流场中热电偶标定领域，具体涉及基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法。

技术介绍

[0002]燃烧流场温度是对燃烧过程最直观的描述，是了解物理作用过程、认识化学反应机理和评估燃烧效率的重要参数。热电偶是目前燃烧流场温度测量中应用最广泛的测量技术，其具有简单、直观、可靠等优点。但在航空航天动力系统等高温燃气测量领域，因热电偶的热传导误差、热电偶节点与高温燃气的对流和辐射换热、热电偶与环境的辐射换热等因素，将导致热电偶测量温度与高温燃气的实际温度之间存在较大误差，必须对热电偶测量温度进行修正校准才能反应真实燃烧流场温度。
[0003]然而，现有的热电偶校准方法在燃烧流场领域存在以下难点：热电偶测量误差依赖于测量环境，而当前的校准方法仅限于特定环境，没有适用于燃烧流场环境下的校准方法；并且，由于现有技术中缺乏1800K以上燃气温度的校准环境和准确测量测量手段，因此无法满足温度日益升高的高温燃气测量需求，难以实现对燃烧流场高温燃气的宽范围实时准确测量。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法，以解决现有技术中对燃烧流场高温燃气的宽范围实时准确测量难题，实现在高温流场下对热电偶进行准确校准、进而在宽温度范围内对高温燃气进行实时准确测量的目的。
[0005]本专利技术通过下述技术方案实现：基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法，包括：步骤一：泵浦激光器产生的脉冲激光经波长调谐和光束整形后形成泵浦探测斯托克斯光束，并以相位匹配的方式聚焦于待测燃烧流场，与待测燃烧流场中的目标分子发生相互作用、产生相干反斯托克斯拉曼散射信号；步骤二：通过探测器测量待测燃烧流场的实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱，并记录待校准高温热电偶测量值T
c
；步骤三：在压强P的状态下，计算指定温度T时的理论相干反斯托克斯拉曼散射光谱；步骤四：对实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱相对于参考光谱做归一化处理，得到归一化相干反斯托克斯拉曼散射光谱；计算所述归一化相干反斯托克斯拉曼散射光谱与所述理论相干反斯托克斯拉曼散射光谱的偏差；步骤五：调整指定温度T和偏差计算过程中的自由参数，重复步骤三至步骤四，直至满足偏差计算的结束条件，完成迭代，输出当前的指定温度T和偏差计算过程中的自由参数的值，定义输出的T值为流场温度的相干反斯托克斯拉曼散射测量值T
CARS
；
步骤六：改变待测燃烧流场工况来调整温度，重复步骤二至步骤五，得到不同流场温度下的相干反斯托克斯拉曼散射测量值T
CARS
和高温热电偶测量值T
c
，绘制T
c
与T
CARS
的关系图，基于所述关系图对待校准高温热电偶进行校准。
[0006]针对现有技术中对燃烧流场高温燃气的宽范围实时准确测量难题，本专利技术提出一种基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法，本方法利用了相干反斯托克斯拉曼散射光谱分布随温度变化的特性，通过测量燃烧流场中目标分子的能级分布来反演燃烧流场燃气温度。本领域技术人员应当理解，相干反斯托克斯拉曼散射是一种非线性四波混频过程，在此过程中泵浦激光束和斯托克斯激光束与流场中的目标分子相互作用，产生一个反斯托克斯信号。
[0007]本方法具体的，首先使泵浦激光器产生的脉冲激光经波长调谐和光束整形后，形成泵浦探测斯托克斯光束并以相位匹配的方式聚焦于待测燃烧流场；燃料流场中提前预设目标分子，泵浦探测斯托克斯光束与目标分子发生相互作用，从而产生相干反斯托克斯拉曼散射信号。然后，通过探测器得到实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱，并记录此时位于燃烧流场内的高温热电偶的测量值，定义为T
c
。由于气体的相干反斯托克斯拉曼散射光谱线宽与压强相关，需要对待测流场压力进行测量，再以压强P、指定温度T，计算理论相干反斯托克斯拉曼散射光谱，并计算归一化相干反斯托克斯拉曼散射光谱与理论相干反斯托克斯拉曼散射光谱的偏差；调整指定温度T，迭代计算，得到在满足迭代结束条件时的指定温度并记录，以该温度作为流场温度的相干反斯托克斯拉曼散射测量值，定义为T
CARS
；至此，即可得到一组对应的T
c
与T
CARS
；之后，改变待测燃烧流场工况，使得在不同流场温度下重复上述过程，即可得到不同流场温度下的相干反斯托克斯拉曼散射测量值T
CARS
和高温热电偶测量值T
c
，绘制T
c
与T
CARS
的关系图，基于所述关系图对待校准高温热电偶进行校准。
[0008]可以看出，本方法利用相干反斯托克斯拉曼散射光谱分布随温度变化的特性，通过测量燃烧流场中目标分子的能级分布来反演燃烧流场燃气温度，不受激光器光强波动的影响，具有无需标定、测温上限高、测温范围大等优点，解决了现有技术中对燃烧流场高温燃气的宽范围实时准确测量难题，实现了在高温流场下对热电偶进行准确校准、进而可以通过标定后的热电偶在宽温度范围内对高温燃气进行实时准确测量；并且本方法的校准过程对流场无干扰，校准精度较高，响应速度快，具有较高的时间分辨能力和瞬态测量能力。
[0009]优选的，对于步骤三和步骤四中的计算过程使用单纯形算法。
[0010]进一步的，步骤一中形成泵浦探测斯托克斯光束的方法包括：泵浦激光器产生的脉冲激光经分束镜后分为脉冲激光一和脉冲激光二；其中脉冲激光一经反射镜二后再经平凹透镜和双凸透镜一扩束，后被中心通孔的反射镜三反射形成泵浦探测光束；脉冲激光二经宽带激光器波长调谐后产生脉冲激光三作为斯托克斯光束，并经反射镜一后穿过反射镜三中心的通孔，与所述泵浦探测光束合束形成共轴混合脉冲激光作为所述泵浦探测斯托克斯光束。
[0011]本方案给出了一种优选的经波长调谐和光束整形形成泵浦探测斯托克斯光束的光路构成，除了本方案之外，本领域技术人员根据相干反斯托克斯拉曼散射原理所形成的其余光路同样可适用于本方法中。
[0012]步骤二中通过探测器测量待测燃烧流场的实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱的方法包括：所述相干反斯托克斯拉曼散射信号经双凸透镜三、并经滤光片滤除脉冲激光一
和脉冲激光三后、被光谱仪和探测器分光并记录得到光谱信号；将所述光谱信号相对脉冲激光一不同频移时的强度分布作为所述实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱。
[0013]进一步的，步骤三中，指定温度T时的理论相干反斯托克斯拉曼散射光谱通过如下公式计算：S
th
(ω,T)= I4(ω,T)
×
L(ω)；式中，S
th
(ω,T)为指定温度T时的理论相干反斯托克斯拉曼散射光谱；I4(ω,T)为不考虑脉冲激光一线宽以及光谱仪和探测器展宽时的相干反斯托克斯拉曼散射光谱，L(ω)为包含脉冲激光一线宽以及光谱仪和探测器展宽效应的展宽函数。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法，其特征在于，包括：步骤一：泵浦激光器产生的脉冲激光经波长调谐和光束整形后形成泵浦探测斯托克斯光束，并以相位匹配的方式聚焦于待测燃烧流场，与待测燃烧流场中的目标分子发生相互作用、产生相干反斯托克斯拉曼散射信号；步骤二：通过探测器测量待测燃烧流场的实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱，并记录待校准高温热电偶测量值T
c
；步骤三：在压强P的状态下，计算指定温度T时的理论相干反斯托克斯拉曼散射光谱；步骤四：对实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱相对于参考光谱做归一化处理，得到归一化相干反斯托克斯拉曼散射光谱；计算所述归一化相干反斯托克斯拉曼散射光谱与所述理论相干反斯托克斯拉曼散射光谱的偏差；步骤五：调整指定温度T和偏差计算过程中的自由参数，重复步骤三至步骤四，直至满足偏差计算的结束条件，完成迭代，输出当前的指定温度T和偏差计算过程中的自由参数的值，定义输出的T值为流场温度的相干反斯托克斯拉曼散射测量值T
CARS
；步骤六：改变待测燃烧流场工况来调整温度，重复步骤二至步骤五，得到不同流场温度下的相干反斯托克斯拉曼散射测量值T
CARS
和高温热电偶测量值T
c
，绘制T
c
与T
CARS
的关系图，基于所述关系图对待校准高温热电偶进行校准。2.根据权利要求1所述的基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法，其特征在于，步骤一中形成泵浦探测斯托克斯光束的方法包括：泵浦激光器（1）产生的脉冲激光经分束镜（2）后分为脉冲激光一（3）和脉冲激光二（4）；其中脉冲激光一（3）经反射镜二（8）后再经平凹透镜（9）和双凸透镜一（10）扩束，后被中心通孔的反射镜三（11）反射形成泵浦探测光束；脉冲激光二（4）经宽带激光器（5）波长调谐后产生脉冲激光三（6）作为斯托克斯光束，并经反射镜一（7）后穿过反射镜三（11）中心的通孔，与所述泵浦探测光束合束形成共轴混合脉冲激光，作为所述泵浦探测斯托克斯光束；步骤二中通过探测器测量待测燃烧流场的实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱的方法包括：所述相干反斯托克斯拉曼散射信号经双凸透镜三（16）、并经滤光片（17）滤除脉冲激光一（3）和脉冲激光三（6）后、被光谱仪和探测器分光并记录得到光谱信号；将所述光谱信号相对脉冲激光一（3）不同频移时的强度分布作为所述实测相干反斯托克斯拉曼散射光谱。3.根据权利要求2所述的基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法，其特征在于，步骤三中，指定温度T时的理论相干反斯托克斯拉曼散射光...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨文斌，齐新华，白冰，周全，车庆丰，王朝宗，陈爽，周江宁，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：