激光吸收谱测量的光学探头设计方法

摘要

本发明提供了一种用于激光吸收光谱测量的嵌入式光学探头，包括发射探头和接收探头。发射探头包含第一壁面嵌入部件、第一过渡部件、波纹管结构和第一准直器；接收探头包含第二壁面嵌入部件、第二过渡部件和第二准直器。通过对探头内腔充入干燥氮气，可方便实现对窗口的保护气膜并对流场外的自由光路进行净化。本发明的光学探头具有结构紧凑、抗诱导振动、通用性强以及净化和气膜冷却实现方便等优点。

说明书

技术领域

本发明属于流场光学测量技术领域，涉及可调谐半导体激光吸收光谱技 术，特别涉及一种用于激光吸收光谱测量的嵌入式光学探头技术。

背景技术

由于非接触特性及监测成分的可选择性，激光测量技术已成为燃烧和推 进流场诊断技术的重要发展方向。其中可调谐半导体激光吸收光谱（tunable  diode laser absorption spectroscopy TDLAS）技术发展相对成熟，可测量气体 的温度、组分浓度、速度、质量流量等关键的流场参数。基于TDLAS的测 量系统具有时间响应快、数据分析简单、信号强度高、光束可由光纤进行远 距离传输、价格相对低廉等显著优势。

从上世纪90年代开始，以Stanford大学、NASA、Physical Sciences公 司、美国空军等为代表的众多科研单位、政府、企业和军方部门都积极开展 TDLAS技术及应用研究，先后在激波管、航空发动机、超燃冲压发动机、脉 冲爆震发动机、汽轮机、内燃机、工业燃烧炉等流场进行了成功的工程应用。 进入新世纪以来，TDLAS技术引起我国科研院所和工业企业的广泛关注，发 展较为迅速，目前已开始涉及燃烧和推进流场的应用研究，积累了一定的技 术基础和工程应用经验，但研究能力和水平尚有较大差距。

光学探头是TDLAS工程应用的关键器件之一，其功能是将激光束准直 发射，进入被测流场，并对穿过流场的光束进行捕获，包括发射探头和接收 探头。在发动机等实际燃烧流场，面临着振动冲击、气动折射、高温高压等 恶劣环境以及安装空间和光学入口都严重受限等苛刻条件，光学探头对测量 信号的获取将起到至关重要的作用，直接决定着测量的成败。

下述文献直接涉及到了光学探头的设计。

1、Physical Sciences公司在美国空军的资助下，在Wright-Patterson空军 基地的超声速燃烧风洞应用TDLAS传感器测量流场的温度、速度和水蒸气 浓度（Upschulte B L,Miller M F,Allen M G,et al..Continuous water vapor mass  flux and temperature measurements in a model Scramjet combustor using a diode  laser sensor[R].Reno:37th AIAA Aerospace Sciences Meeting&Exhibit.AIAA 99-0518.）。传感器安装在风洞的燃烧室，在燃烧室壁面开有4个2.54cm的 孔，用于安装光学窗口，为保护光学窗口免于高温损失，在窗口安装孔的旁 边开有单独的通气孔，在窗口前端形成气膜。探头安装在壁面外侧并与窗口 独立。发射探头包含准直器和支撑架，支撑架没有发射角度的调节功能，光 束达到接收探头后先用凹面镜聚焦再由探测器接收。

2、Stanford大学的Hanson实验室与美国Pratt&Whitney飞机公司合作， 在PW6000商用航空发动机上应用TDLAS传感器测量进气道的空气质量流 量（Lyle K H,Jeffries J B and Hanson R K.Diode laser sensor for air mass flux  based on oxygen absorption2:non-uniform flow modeling and aero-engine  tests[J].AIAA Journal,2007,45.）。发动机进气道的上游外接钟形口和“辅轮”， 用于安装压力和温度探针。TDLAS传感器安装在钟形口，在钟形口上没有专 门的光学通道而是借用了压力探针安装孔安装光学窗口。探头安装在壁面外 侧并与窗口独立，发射准直器安装在商业多轴调整架上，可进行发射角度的 二维调节，接收探头包含聚焦面镜和探测器，用于对光束的捕获。

3、Stanford大学的Hanson实验室在NASA的资助下，在Langley中心 的直连式超燃冲压试验台上应用TDLAS传感器测量隔离段气流的质量流量 （Chang L S,Jeffries J B and Hanson R K.Mass flux sensing via tunable diode  laser absorption of water vapor[C].Orlando:49th AIAA Aerospace Science  Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition,AIAA 2011-1093.）。该文献中的光学探头的设计与文献2类似。

文献1的光学探头除了发射角度不可调节外，其设计与文献2和文献3 类似。总体而言，文献中的设计存在如下不足：

1）探头安装在壁面外侧，与光学窗口相互独立，导致整体尺寸较大，这 在发动机等实际流场，由于空间的限制往往带来安装的困难。另外由于流场 外部光路较长且封闭困难，不便于对其进行净化。

2）探头尺寸和质量较大并且安装在壁面外侧，在发动机工作时诱导振动 较为严重，增加了光束捕获的困难。同时这种探头安装形式存在脆弱性。如 文献2的实验中就出现过由于振动导致商业调整架连接螺栓脱落的情况发 生。

3）接收探头采用聚焦面镜加探测器的方式，尽管有利于增强光束的捕获 能力，但探测器需要严格的热防护措施，且由于光路折转，增加了安装难度 也不利于降低结构尺寸。

4）尽管3篇文献的设计思路类似，但由于仅针对特定的安装环境，所用 的器件和结构差别较大，特别是为实现测速功能，探头轴向与壁面法向成一 定的夹角，欠缺通用性。

发明内容

本发明的目的是在借鉴国外设计思想和使用经验的基础上设计一种结构 紧凑的嵌入式光学探头，具有较高的抗振动能力和较强的通用性，提升我国 TDLAS技术的工程应用能力，推动先进发动机流场诊断技术的进步。

本发明提供了一种用于激光吸收光谱测量的嵌入式光学探头，包括发射 探头和接收探头两部分，其特征在于：

发射探头包含第一壁面嵌入部件、第一过渡部件（5）、波纹管结构和第 一准直器，其中，第一壁面嵌入部件包含腔体(1)、光学窗口(2)、顶块(3)、旋 紧螺母(4)，光学窗口(2)前端有一锥面，由旋紧螺母(4)通过顶块(3)将光学窗 口(2)与腔体(1)的内锥面顶紧，第一过渡部件（5）连接第一壁面嵌入部件和 波纹管结构，安装螺栓穿过第一过渡部件(5)和腔体(1)，与壁面连接，第一过 渡部件(5)内开有通光孔和通气孔，通气孔外部连接气嘴(6)，波纹管结构包括 上金属块(7)、波纹管(8)、下金属块(9)、调节螺栓(10)和压簧(11)，上金属块 (7)栓接到第一过渡部件(5)，下金属块(9)的内螺纹连接第一准直器(12)，通过 改变调节螺栓(10)对压簧(11)的压缩量调整光束发射角度；

接收探头包含第二壁面嵌入部件、第二过渡部件（5）和第二准直器；

接收探头中的第二壁面嵌入部件与发射探头中的第一壁面嵌入部件具有 相同的结构，可以互换。

本发明的优势是：

1）结构紧凑。由于采用了探头与窗口的一体化设计，显著降低了探头的 结构尺寸。

2）抗诱导振动。由于采用嵌入式设计，壁面外部的质量和尺寸显著降低， 可增强抵抗诱导振动的能力。

3）通用性强。测温和测速探头的轴向均与壁面垂直，且有相同的壁面接 口尺寸，发射和接收探头的壁面嵌入部分可互换，具有较强的通用性。

4）净化和气膜冷却实现方便，通过一条进气通道即可实现净化和气膜冷 却的双重功能。

附图说明

图1为用于测温的接收探头示意图；

图2为用于测温的发射探头示意图；

图3为用于测速的接收探头示意图；

图4为用于测速的发射探头示意图；

图5为探头在发动机壁面的安装剖视图。

具体实施方式

结合附图对光学探头做进一步详细描述。图1-图4分别为用于测温和用 于测速的接收、发射探头的示意图。

光学探头采用模块化设计，尽可能实现组件的互换性。综合考虑光束方 向的气动折射、发射方向的调节和锁紧、光学窗口与探头的一体化、传感器 的热防护和耐振动冲击等要求，实现在振动和高温流场环境下保持可靠的光 学对准能力。

为了降低热防护需求，同时使结构更为紧凑，接收探头摒弃了聚焦面镜 加探测器的结构，而是用准直器将穿过流场的光束聚焦进入多模光纤，再由 多模光纤远距离传输进入探测器。这种设计使发射探头和接收探头的结构类 似，便于部件的通用性。发射和接收探头的壁面嵌入部分完全相同，这样就 实现了壁面嵌入部分的互换性。准直器的作用类似，发射准直器将单模光纤 发出的高斯光束准直发射进入流场，接收准直器将准直光束聚焦耦合进入多 模光纤。为准确将光束发射到期望的方位角并保持光学对准，发射探头需要 具备发射角度的调节和锁紧功能。为尽可能适应光束在流场中的气动折射效 应和机械振动带来的影响，接收探头具备足够大的通光孔径和数值孔径。

由于速度测量时，为产生多普勒频移效应，流场中激光传播方向与流动 的法向有一定的夹角要求，因此必须在具有一定长度的流道上才能完成测量； 而温度和组分浓度测量则无此特殊要求，因此在流道的任一截面即可完成测 量。为适应不同的测量需求，探头有两种基本类型：测温探头和测速探头。 测温探头适合于不需要速度测量的场合，而测速探头适合于只需要速度测量 或者速度与其它量同时测量的场合。为便于标准化及统一接口需要，两种探 头都采用轴向垂直于壁面的方式安装，其区别在于测速探头的光学窗口改变 了光束的传播方向。

测温探头和测速探头结构相同，其主要差别在于两种探头的光学窗口设 计不同，下面以图3和图4的测速探头（包括发射探头和接收探头）为例进 行叙述。

发射探头包括第一壁面嵌入部件、第一过渡部件（5）、波纹管结构和第 一准直器。第一壁面嵌入部件包含腔体(1)、光学窗口(2)、顶块(3)、旋紧螺母 (4)。光学窗口(2)产生期望的光束折转角，并将流场与外部环境隔离。光学窗 口(2)前端有一锥面，由旋紧螺母(4)通过顶块(3)将光学窗口(2)与腔体(1)的内 锥面顶紧。第一过渡部件(5)连接第一壁面嵌入部件和波纹管结构，安装螺栓 穿过第一过渡部件(5)和腔体(1)，与壁面连接。第一过渡部件(5)内开有通光孔 和通气孔，通气孔外部连接气嘴(6)。波纹管结构包括上金属块(7)、波纹管(8)、 下金属块(9)、调节螺栓(10)和弹簧(11)。波纹管(8)与上金属块(7)、下金属块 (9)焊接到一起，上金属块(7)栓接到第一过渡部件(5)，下金属块(9)的内螺纹 连接第一准直器(12)。通过改变调节螺栓(10)对弹簧(11)的压缩量调整光束发 射角度。

图5给出了探头在发动机壁面的安装剖视图。发射探头在工作时，干燥 氮气通过气嘴(6)，充入第一准直器(12)与光学窗口(2)之间的空间，对流场外 的自由空间光路进行净化，氮气流通过腔体(1)侧壁的微孔沿腔体(1)和探头安 装孔之间的微小间隙流向探头前端，在探头前端形成气膜，对窗口进行热防 护（见局部放大部分）。

接收探头包含第二壁面嵌入部件、第二过渡部件（5）和第二准直器；

接收探头中的第二壁面嵌入部件与发射探头中的第一壁面嵌入部件具有 相同的结构，可以互换。

本发明的一种用于激光吸收光谱测量的嵌入式光学探头的设计步骤是：

步骤一、第一/第二壁面嵌入部件的设计

腔体选用优质不锈钢材料，腔壁外径15mm，在距前端面15mm部分的 外径减少为14.8mm，内径12mm，长25mm，前端与光学窗口配合处有45° 的倒角。在距前端面14mm的腔壁均布4个1mm直径的小孔。安装面为矩 形，长度52mm，宽度40mm，厚度8mm。安装面中心开直径24mm的螺纹 孔，深度4mm，与旋紧螺母配合；4角开有直径6.2mm的通孔，用于与壁面 连接。为使准直器发出的激光束能进入光学窗口斜面的中心，腔壁轴线沿矩 形的长度方向偏离安装面的对称中心3.3mm。

光学窗口选用紫外级熔融石英材料，直径12mm，高度12.7mm，一端有 倾角54.5°的斜面（此时，对于波长1360nm的近红外光束由斜面入射后，出 射方向与断面法向偏折30°），斜面高度7.7mm，窗口另一端有45°的倒角。

顶块材料为硬铝，截面为半圆形，半径6mm。旋紧螺母直径24mm，厚 度3mm，外侧有牙距0.5mm的细牙螺纹。

步骤二、波纹管结构的设计

波纹管外径24mm，自然状态长度16mm，上、下金属块直径选用不锈 钢材料，直径40mm，厚度8mm。波纹管外侧均布3个调节螺栓和高刚度压 簧。上金属块的上表面有外径16mm，高2mm的定位环，用于与过渡部件相 连定位。

步骤三、准直器的选型

第一和第二准直器功能类似，但要求不同。第一准直器将单模光纤发出 的高斯光束准直发射进入流场，第二准直器将准直光束聚焦耦合进入多模光 纤。因此第一准直器主要考虑是光束的直径和发散角小，为了更有效地收集 光束，而第二准直器需要较大的通光孔径和数值孔径。第一准直器选用 Thorlabs公司的F240APC-C，外径12mm，FC/APC连接器，光束直径1.5mm， 发散角0.065°。第二准直器选用OZ Optics公司的HPUCO-25-1300-M，安装 面直径33mm，透镜直径10mm，数值孔径0.5。

步骤四、过渡部件的设计

第一/第二过渡部件的端面均为矩形，长度52mm，宽度40mm，厚度12mm， 中心均开有直径11mm的通光孔，一侧面均开有直径4mm的通气孔，通气 孔外侧安装气嘴。矩形端面的4角开有沉孔，用于穿过M6的螺栓，将上述 过渡部件和对应的壁面嵌入部件栓接到发动机壁面。第一过度部件和第二过 渡部件的区别在于：发射探头中，第一过渡部件的与波纹管连接的端面开有 直径16mm，深度2.5mm的安装孔；而接收探头中，第二过渡部件的与第二

准直器连接的端面开有直径33mm，深4mm的安装孔。