可调谐二极管激光吸收光谱技术测量风洞流速

谷俊青，徐胜利

（中国科学技术大学工程科学学院，安徽合肥230027）

·激光应用技术·

可调谐二极管激光吸收光谱技术测量风洞流速

谷俊青，徐胜利

（中国科学技术大学工程科学学院，安徽合肥230027）

基于对水蒸气的吸收谱线在超音速流场的多普勒效应，结合HITRAN数据库，选取适合当前环境的吸收谱线7181.1558 cm－1，结合超音速风洞装置建立起一套基于可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术的实验装置，测量对应频移，分析反演出流场速度，实验结果表明，在高速环境下，系统测量流速为563.06 m／s，线性误差为5.09%，效果良好，从而为对激波管等高速脉冲设备的进一步测量实验打下了良好基础。

光谱学；风洞流速；可调谐二极管激光吸收光谱；多普勒频移；水蒸气测量

1 引 言

超音速流和高超音速流在许多具有挑战性的前沿应用领域中都会出现，比如航空航天领域、空气动力推进学领域、燃烧学领域。因此对超音速流和高超音速流的各项参数进行测量相当有意义。

需要特别指出的是，在对超音速流和高超音速流的研究中，尤其以含水蒸气的高超音速流的各项参数的测量［1］最受关注。原因有以下几点：其一，它是空气的自然组成成分，存在于所有涉及空气的流体中；其二，水蒸气是燃烧的基本产物；其三，在实际应用中水蒸气的各项参数和燃烧的程度、燃烧的效率、推进效率、散热量这些性能参数息息相关。因此对水蒸气的测量普遍的和燃烧、推进力、航空动力学装置相关。由于超音速流和高超音速流本身具有速度高、时间空间梯度大的属性，另外在测量过程中有限的光接入和对操作时间要求短（通常是毫秒量级）也使如何进行精确快速的测量变得相当具有挑战性。

可调谐半导体二极管激光器吸收光谱技术（TDLAS）是基于近红外吸收光谱发展极为广泛的技术之一，它灵敏度高，响应速度快，造价低廉并且采用无接触式探针的测量得到路径平均吸收，避免了对气流和测量环境的影响。

除了测量吸收强度［2－4］，可调谐二极管激光器也可以测量流速，它通过不同光路中同一吸收线强的频率变化得到，在高速流动系统中通过搭建交叉光路进行频谱测量。本文主要通过对超音速风洞环境下对水蒸气吸收波长的变化进行分析，应用示波器和数据采集卡进行采集，验证多普勒频移原理，为下一步的工作打下良好基础。

2 测量原理

当一束频率为v的激光通过样品，其出射光强和入射光强满足比尔－朗伯关系式：

其中，I0为入射光强；I为出射光强；αi（v）为相应i介质吸收系数；σi（v）为分子吸收截面；Ni为气体分子密度；L为吸收光程。

由于不同分子都具有其特有的红外吸收光谱，因此记录不同波段范围的光谱，我们就能获得某一特定分子的相关信息。在高速系统的研究中，主要关注于水、二氧化碳、氧气等对应的吸收谱线［5］。在本工作中，我们是基于水分子的光谱来获得系统温度、气压、速度和质量流量等参数。

如图1，两束激光以不同入射角入射流场，由于多普勒效应，探测器测到的吸收谱线会产生不同的频率偏移（红移和蓝移），如图2所示。通过计算两者吸收频率的频差，可以反演计算出风洞的进风口速度：

其中，u为风洞流速；c为光速；ν0为中心吸收频率；Δν为对应的频率偏移。

图1 理论光路Fig.1 Theoretical optical path

由于风洞的光路较短（垂直入射光路才25 mm），为了实验结果明显和易于计算，基于HITRAN和HITEMP数据库［6］，选取室温下吸收较强的中心频率为7181.1558 cm－1的吸收谱线作为计算谱线。并选取7181.1558 cm－1的吸收谱线和7182.94962 cm－1的吸收谱线作为波长标定的基准，如图3所示。

图2 多普勒频移示意图Fig.2 Exhibition of Doppler frequency shift

图3 室温下的谱线吸收强度Fig.3 Lline strength of absorption under room temperature

3 实验装置

实验装置如图4所示。

图4 实验装置图Fig.4 Schematic of the experiment

超音速风洞：包括稳定段、喷管、实验段和扩压段（如图5所示）。气流由高压储气罐通过进气管道进入稳定段，稳定段内安装有蜂窝板和阻尼网以消除来流漩涡、降低湍流度，提高气流均匀性。喷管是核心部件，作用是使气流膨胀加速至所需马赫数。实验段内布置喷孔、凹槽和支架等进行煤油雾化实验研究。扩压段可降低流速，使气流静压恢复，减小气流在风洞出口的总压损失。本实验测量是在6处进行。

图5 风洞系统结构图Fig.5 Structure ofWind tunnel system

红外半导体激光器：使用的是垂直腔面发射的VCSEL激光器，中心波长为1392 nm，由于其功率较低（常温下最高功率只有1.15 mW），耦合入光纤后会使得光能量损失过大，不能应用于实验，所以采用两个VCSEL激光器（采用外接，方便固定光路）进行实验，并通过改变其温度控制器TEC的设置从而调节其工作温度，使得两个激光器的7181.1558 cm－1的吸收谱线的吸收峰同步于相同驱动电流。

信号发生器：扫描信号发生器采用直接数字频率合成（DDS）技术设计，为双通道信号输出。采用三角波驱动信号，扫描频率取1kHz，一分为二输入两个激光器温度电流控制板进行同步调谐至1392 nm附近，扫描范围约1.1 nm。为了尽量准确，当使用数据采集卡采集数据时，采用最高采样频率20 MHz／s。

红外光电探测器：两个探测器是基于In-Ga-As光电二极管（型号为PN-2000，光敏面为φ2 mm）而制作的反向放大电路探测器，其对应的响应光谱为900～1650 nm，饱和光功率值为5 mW。

数据采集卡：采用的是基于32位PCI总线的四通道信号采集卡，最大采样率为50 Msps／CH。

须要注意的是，由于产生多普勒频移的是风洞内的吸收光程，外面的多余光程会对实验产生一定干扰，目前采取激光器和红外探测器紧靠风洞的测量窗口，尽量减少外面光程的干扰。并且考虑风洞的运行会对光路产生一定的抖动，对光具座严格固定。

4 实验结果及分析

1）两吸收线的初始校准，如图6所示。

图6 无风时初始信号Fig.6 Original signals while no wind blowing

2）示波器的测量结果，如图7所示。

图7 测量结果Fig.7 Results ofmeasuring

风洞的来流压力为5 atm，启动正常，但由于光路抖动较大，采取测量多次平均数据力求消除背景噪声，采用1 kHz扫描频率进行调谐，粗略测得两光路夹角均为53度，经计算得出流速约为568.01 m／s，误差10%，结果良好。

3）应用数据采集卡的测量结果：

测量界面，如图8所示。

图8 数据采集界面Fig.8 Interface of data acquisition

反演结果，如图9所示。

图9 0～25 ms区间速度分布Fig.9 Velocity distribution in the range of0～25 ms

调整过光路，两光路夹角为53°，扫描频率取4 kHz。为了尽量准确，数据采集卡采用最高采样频率20 MHz／s，处理出速度数据，统计计算得到速度563.06m／s，误差为5.09%。

5 结 论

基于可调谐二极管激光吸收光谱技术，通过搭建可行的实际光路，我们实现了对风洞的多普勒频移测速，效果稳定，结果良好，为进一步在激波管等高速瞬态环境下测量打下了良好基础。

［1］ R K Hanson，P A Kuntz，C H Kruger.Resonance absorption spectroscopy of combustion gases using tunable infrared diode lasers［C］.Presented at Fall Meeting of the Eastern States Section，The Combustion Institute，Philadelphia，1976：18－19.

［2］ Li Fei，Yu Xilong，Chen lihong，Zhang Xinyu.Temperature and water vapour concentrationmeasurements of CH4／Air premixed flat flame based on TDLAS［J］.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2009，23（2）：40－44（in Chinese）李飞，余西龙，陈立红，张新宇，TDLAS测量甲烷／空气预混平面火焰温度和H2O浓度［J］.实验流体力学，2009，23（2）：40－44.

［3］ Wang Jian，Huang Wei，Gu Haitao，et al.Temperature measurementwith tunable diodes absorption spectroscopy［J］.Acta Optica Sinica，2007，27（9）：1639－1642.（in Chinese）王健，黄伟，顾海涛，等.可调谐二极管激光吸收光谱法测量气体温度［J］.光学学报，2007，27（9）：1639－1642.

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［5］ Liu Yunyan，Pan Jiaoqing，Cheng Chuanfu，et al.Application and key technologies of semiconductor laser in the detection of oxygen［J］.Laser＆Infrared 2011，41（5）：501－505.（in Chinese）刘云燕，潘教青，程传福，等.半导体激光器在氧气探测中的应用及关键技术［J］.激光与红外，2011，41（5）：501－505.

［6］ R K Hanson，L C Philippe.Diode laser absorption technique for monitoring mass flux in high speed airflows［C］.Invited Presentation at NASPMid-Term Technology Review，Monterey，1992.

Fluid velocity measurement of supersonic w ind tunnel w ith tunable diode laser absorption spectroscopy

GU Jun-qing，XU Sheng-li
（School of Engineering Science，University of Science and Technology of China，Hefei230027，China）

Tunable diode laser absorption spectroscopic（TDLAS）technology applies thewavelength tunable characteristics of diode lasers to the absorption spectroscopy of the selected absorption line.Based on the absorption line ofwater vapor，combined with HITRAN database，the frequency is chosen which fits the current environment（7181.1558cm－1），experiment equipments are setup，the according frequency shiftof the chosen frequency ismeasured and the fluid velocity is calculated.Experiments results show that velocity measurement is 563.06m／s，with the linear error of5.09%，which builds good foundation for the next series ofexperiments under transientenvironments of high velocity such as shock tube.

spectroscopy；flow velocity；tunable diode laser absorption spectroscopy；Doppler shift；measuring water vapor

O433.4

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.01.002

谷俊青（1989－），男，硕士研究生，主要研究方向为红外光谱分析。E-mail：huigu＠ustc.edu.cn

2013-05-17；

2013-06-05