基于激光吸收光谱技术的超声速气流测量研究

为研究可调谐半导体激光吸收光谱测量技术在工业环境中的应用,采用波长调制光谱测量方法,对超燃直连式试验台隔离段内的超声速气流进行了测量研究。通过对7185.60cm-1和7454.45cm-12条H2O吸收谱线的频率标定和多普勒频移测量,实现了高速气流速度的实时在线测量,测量值相对于预测值的偏差在3%以内。基于2条H2O吸收谱线的光谱参数和激光调制参数,建立了基于实验环境的仿真数据库。采用频分复用方法,通过迭代求解了隔离段内的温度和组分浓度,其结果相对于预测值的偏差分别在4%和12%以内。该方法不仅能够实现不同谱线的同步实时测量,而且验证了在恶劣环境下的应用效果。     

基于波长调制光谱的非均匀流场气体参数二维分布测量

基于波长调制光谱方法,研究了一种实现非均匀燃烧场气体参数二维分布测量的新方法。气体参数的二维分布是通过测量激光穿过非均匀流场区域的积分吸光度并结合重建算法进行反演实现。研究了基于波长调制光谱,通过拟合谐波信号实现积分吸光度测量的方法。利用所选的7185.60cm~(-1)和7454.45cm~(-1)两条H_2O谱线,通过建立离散模型和设计光线布局,基于波长调制光谱方法和代数迭代重建算法实现了非均匀流场区域内温度场和H_2O组分浓度场的二维分布测量。重建结果表明:基于波长调制光谱的二维重建方法具有较高的重建精度,与预测值相比,温度和H_2O组分浓度的重建误差分别小于1.69%和3.05%。     

利用TDLAS技术开展碳氢燃料高速燃气参数测量

可调谐二极管激光器吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)广泛应用于碳氢燃料燃气参数(温度、组分浓度和气流速度)实时在线和非接触测量。针对碳氢燃料火箭基组合循环(Rocket Based Combined Cycle,RBCC)发动机的高速燃气参数测量,设计了双交叉光束(7444.352+7444.371)/7185.597cm-1谱线对扫描波长-时分复用双线直接吸收光谱技术(Direct Absorption Spectroscopy,DAS)系统,将其应用于RBCC地面实验高速燃气参数在线测量,同时获得了燃气温度、H2O组分浓度和速度等多参数,并将测量结果与数值模拟计算结果对比,相对偏差不超过12%,这为RBCC发动机燃烧组织优化和结构优化提供重要依据。     

基于发射光谱法的螺旋波电推进器等离子体源放电实验研究

为探究不同气体条件下螺旋波电推进器等离子体源的放电特征,开展了氩气、氦气和氮气放电的光谱诊断实验研究。氩气和氦气为工质气体的放电条件下,部分波长谱线相对强度随功率的增加而增强,且斜率出现两次跳变,考虑是螺旋波放电过程中的模式转换,即容性向感性、感性向波模式的转换。三种工质气体,在较低的压强下,各谱线强度均随压强增大而迅速增强,但氩气放电下压强继续增大达到1.0Pa以后,谱线强度增强趋势变缓甚至达到“饱和”状态,而氦气和氮气放电下压强增大到0.5~0.65Pa,谱线强度出现降低趋势,氦气和氮气放电强度对压强更为敏感。     

可调谐二极管激光吸收光谱诊断燃烧参数

近红外二极管激光吸收光谱诊断技术以其高灵敏,响应快,结构相对简单,造价低廉等优点已成为测量准均匀燃烧场和流动场温度和组分分压的有效手段.本文介绍我们所建立的可调谐二极管激光吸收光谱诊断系统以及利用此系统进行燃烧产物H_2O浓度和温度的实验结果.作者还介绍了所发展的高敏感的探测技术-波长调制光谱(WMS,Wavelength Modulation Spectroscopy)的2f诊断技术.可调谐二极管激光吸收光谱技术可望应用于动态燃烧过程的诊断与控制.     

基于波长调制技术的燃烧室出口温度分布TDLAT测试方法

为给未来高推质比航空发动机燃烧室出口温度分布测试作技术储备,以某单管燃烧室为研究对象,采用可调谐半导体激光吸收层析成像(TDLAT)技术,在0.5～0.8 MPa压力环境下,研究了基于波长调制(WMS)技术的燃烧室出口温度分布测试方法的工程适用性。结果表明：通过多光路正交测量的方式,利用扣除背景的归一化波长调制光谱模型、变量轮换迭代反演及计算层析(CT)技术,可以实现具有时空分辨性的燃烧室出口温度分布式测量;场分布重建结果能够较正确地反映出燃气温度和H₂O气体积分数随进口参数变化的趋势与特征;受燃烧流场的不均匀性、光谱模型建立与光谱参数标定的不准确、反演与重建算法的不完善等因素的影响,TDLAS测温均值低于热电偶测量结果,相对误差在15%～23%之间,测量数据的准确度距工程应用需求还有一定的差距。     

光频测量用飞秒激光频率梳光谱扩展实验研究

在光频的绝对测量研究中,本研究小组研制了光谱范围为650~950 nm波段、重复频率为350 MHz的"单块"结构钛宝石飞秒激光频率梳。为了实现其对633 nm波长国家副基准频率的绝对测量,本实验分别采用棱镜对和啁啾镜对进行脉宽压缩,然后注入光子晶体光纤进行光谱扩展。实验发现两者均可扩展出短波长方向的光谱,但棱镜对扩谱结构由于具有较长的"光程臂长"容易受到扰动而造成光纤耦合的不稳定,最终表现为光谱中各波长成分的光强不稳定而无法用于光频测量。啁啾镜对结构紧凑、稳定性强,经过脉宽压缩及光子晶体光纤扩谱,最终获得了光谱覆盖600~950 nm波段、各波长成分强度稳定、各光频齿频率稳定度同步于氢原子钟的可用于光频测量的飞秒激光频率梳     

TDLAS测量甲烷／空气预混平面火焰温度和H2O浓度

基于可调谐二极管激光器吸收光谱技术（YDLAS）建立了温度和H2O浓度测量系统,利用光谱数据库Hitran2004在1393nm附近选择了在500～1300K有很高测温灵敏度的两条水吸收线：7168．437cm^-1,7185．597cm^-1。在1kHz的扫描频率下,利用直接吸收-扫描波长法对甲烷／空气预混平面火焰进行测量,并进行边界层修正,与热电偶的对比结果显示,在温度区间1100～1350K,两者最大相差80K（6．7％）;水蒸气组分浓度与计算值平均相差小于0．02（10％）．     

超声干涉法薄层厚度测量声阻抗匹配判据及其应用

针对超声干涉法测量薄层厚度的原理,讨论了薄层及与其相邻介质声阻抗匹配分别满足界面声压反射系数|R1|＜1/2或|R1|＞1/2时回波信号的选取原则,并以薄层声压反射系数谱为依据,分析了上述两种声阻抗匹配条件下谱线分别出现次生极大或极小值的规律,在此基础上提出了薄层厚度测量时谱线极值的选择方法.以航空雷达罩蒙皮GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic)层板外表面复合涂层以及钢基体表面ZrO2陶瓷涂层样品为例进行了薄层厚度测量实验研究及信号分析.研究表明,超声干涉法薄层厚度实验结果与SEM(Scanning Electron Microscope)测量结果相符.由此可知,薄层及与其相邻介质声阻抗匹配判据对于超声干涉法薄层厚度测量具有很强的理论指导意义及工程应用价值.     

发射光谱测量电弧加热发动机羽流温度

为了研究玻耳兹曼图法和谱线绝对强度法对测量结果的影响，讨论了电弧加热发动机羽流的光谱诊断方法，并建立了一套光谱诊断系统。以氩气为工质，利用此系统在真空室中进行了光谱诊断．分别用玻耳兹曼图法和谱线的绝对强度法得到了羽流的温度，这两种方法测得的结果有20％～30％的偏差。实验中氩气流量为42．1mg／s，功率约为200W。试验结果表明，在试验工况下，由于羽流处在热力学非平衡态，采用玻耳兹曼图法和谱线的绝对强度法得到的结果是不同的，应该根据具体的工况选择测量方法。     

燃速仪压强的自动控制方案

本文介绍了一种燃速仪压强的自动控制方案.这种方案结构简单,工作可靠.经过燃速实验测定,在4MPa压强时,其压强波动相对误差小于±1%.该方案应用于固体推进剂中止实验时,没有废气回流污染中止表面,也不影响降压速率的测量.     

针对SF6分解气的多参数综合监测平台设计

设计了SF6分解气多参数综合监测平台,选择多频正弦调制方法研发了基于FPGA的多通道锁相放大电路,并对多通道锁相放大原理进行了理论推导,提出一种多频调制信号的频率分配原则.搭建针对多组分气体的多参数综合监测平台,给出温度、压强、微水、SF6纯度等传感器的集成方案.实验结果表明,本系统平台能够从较低浓度的H2S、HF、CO混合气体中正确解调出二次谐波信号,不同气体的二次谐波之间干扰性较小,对弱吸收的CO气体信号提高2个数量级,实现了多组分微量气体的同时监测.     

基于红外差分吸收的矿井瓦斯浓度分布式监测系统

为了实现矿井瓦斯气体浓度的实时监测和预警,设计了一套基于近红外差分吸收光谱原理的矿井瓦斯浓度分布式光纤监测系统。选用中心波长为1650nm的DFB激光器作为光源。选择Newport公司生产的325型号温控器和525型号驱动器,将激光器输出波长稳定在1653.7nm处。采用光分束器将激光分为两路信号,分别连接气体吸收室和参考气室。以PIN光电二极管为光电探测器,设计了光电转换电路,进行了瓦斯浓度测量实验,并得到瓦斯气体浓度的计算表达式。实验结果表明该系统能够准确地测量瓦斯浓度。     

HMX炸药特性的密度泛函理论

应用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法,在6-31G(d)和6-31++G(d)基组水平上对HMX炸药进行了研究,计算得到了中性分子和离子的稳定构型,并确定了分子的电离能。通过对HMX红外振动光谱的理论计算和研究,发现振动光谱主要分布在I(0~1 750 cm-1)和II(3 000~3 250 cm-1)两个区域,且整个红外光谱中振动峰的实际数目远小于简正振动的数目。此外,与中性分子的红外光谱相比,HMX+的谱线强度整体要大于HMX分子的谱线强度,且最强峰和次强峰与中性分子相比出现了明显的红移。     

燃烧与流场在线测量诊断方法研究进展

介绍了上海理工大学颗粒与两相流测量研究所近年来在燃烧和流场在线测量诊断技术方面的研究进展,包括：改进基于光纤光谱仪的火焰辐射温度测量技术,提高火焰温度的测量精度与范围并反演出火焰辐射率及液体燃料组分;辐射与吸收光谱相结合测量脉冲燃烧火焰温度和水蒸气浓度;基于激光诱导荧光法测量喷雾液滴温度;强烟尘水滴干扰条件下基于差分吸收光谱法（DOAS）测量排放污染气体（SO2和 NOx ）浓度;基于饱和蒸汽原理的光谱法研制汞连续排放监测标准系统;光谱法与图像法结合测量高温物体温度场;基于单帧单曝光图像法测量多相流速度场与粒度分布;基于可调谐半导体激光吸收光谱法（TDLAS）同步测量液态纯水水膜蒸发过程中液态参数（水膜厚度及温度）与气态参数（水膜上方水蒸气的温度）等。     

飞行高度对固体火箭两相喷焰流动与辐射的影响

固体火箭发动机喷焰的辐射特性对火箭目标探测与跟踪识别具有重要工程意义。本文针对某模型固体火箭发动机,基于欧拉离散相模型描述气-固两相相互作用,采用详细化学反应机理计算喷焰复燃效应,基于逐线积分法+米散射理论求解气体及粒子辐射物性参数,通过视在光线法计算辐射传输,并利用测量数据验证了本文模型的适用性,仿真分析了不同飞行高度对气固两相喷焰流动及辐射特性的影响。研究结果表明：随着飞行高度增加,喷焰中燃气与固体颗粒间相互作用减弱,且粒径越大的粒子与燃气间差异越大;两相喷焰受不同飞行高度上掺混与复燃效应程度差异的影响,致其温度分布和不同组分浓度分布存在显著差异;各高度下两相喷焰光谱辐射呈现气体选择性发射谱结构,其中高温Al2O3对辐射贡献主要集中在短波,且高度越高,影响越小;不同谱带间辐射特性受不同组分发射带影响而存在差异,且2.7μm和4.3μm两个主要发射带的辐射峰值出现在不同飞行高度。     

高功率低偏振度光纤陀螺光源技术

针对高精度光纤陀螺对ASE光源高功率、宽谱宽和低偏振度的应用需求,设计了双程后向ASE光源并进行了仿真和实验验证,研究了铒纤长度为4m、10m和19m的光源光谱特性,分析了泵浦功率、温度的变化对输出功率、平均波长及光谱宽度等参数的影响。结果表明,当铒纤长度为19m时,光源在驱动电流为110mA时的输出功率为4.055mW,光谱宽度为16.63nm,偏振度为1.925%,平均波长随电流的变化量为9.9×10-6/mA。同时,温度实验表明,铒纤长度为19m的光源平均波长随温度的变化量为5.9×10-6/℃。     

电弧加热器铜污染组分效应发射光谱定量研究

电弧加热器是研究飞行器气动热防护问题的重要地面试验平台,其采用电极放电加热获得高温气体的方式,会产生铜蒸汽粒子,并随同进入地面试验模拟的等离子体气流,产生电弧风洞地面试验铜污染组分效应。本研究利用发射光谱诊断技术,发展了一套电弧加热器高温流场组分在线诊断测量系统,开展对10 MW高焓叠片式电弧加热器铜电极烧蚀的在线测量,获得了铜原子浓度的实时测量结果。基于所选铜原子谱线,开展了对电弧加热器起弧过程和稳定工作过程的测量,同时分析了管式电极和环形电极下电极烧蚀的情况。研究结果表明：起弧瞬间,电极烧蚀较明显,管式电极的铜原子峰值浓度要明显高于环形电极;稳定工作后,环形电极铜原子烧蚀量迅速下降,并保持在一个较低水平（<10^-6）,管式电极仍然存在较高、不稳定的烧蚀,显示管式电极的烧蚀量要明显高于环形电极,且管式电极烧蚀量随着电弧加热器运行电流的增加而增加。基于该测量结果,建立了判定电极失效的直接判据,并用于保障电弧加热器运行安全。为研究电弧加热器电极烧蚀及地面试验铜污染组分效应提供了非接触式测量手段,目前,该测量系统已经作为电弧加热器的常规测试手段,提供电弧加热器高温气流的在线诊断。     

3,3''''-二硝基-4,4''''-氧化偶氮呋咱(DNOAF)的热分解特性

采用热重实验(TG)、差示扫描量热实验 (DSC) 和气体 (固体) 原位反应池/快速扫描傅里叶变换红外光谱 (RSFTIR) 联用技术,研究了3,3'-二硝基-4,4'-氧化偶氮呋咱 (DNOAF) 的热分解特性.结果表明DNOAF的热分解特性对压强敏感,随着压强的升高,DNOAF的热分解放热峰温呈降低趋势.其热分解气体中具有红外活性的有CO2,N2O,NO,NO2,CO和DNOAF蒸汽;凝聚相热分解产物主要为碳,其中还含有少量的氰酸酯基-O-C≡N.在实验基础上提出了DNOAF的热分解历程,DNOAF的热分解首先发生在呋咱环问的C-N键,然后是呋咱环的开环分解.     

真空室氢组分背压对霍尔推力器等离子体束聚焦特性的影响研究

基于光谱方法和羽流探针诊断方法,研究分析了氢组分压力对霍尔推力器束流聚焦特性和振荡特性的影响。研究结果表明,随着罐内氢组分压力的提高,通道内氢的特征谱线强度增强,相比pH=0Pa,pH=0.04Pa下最大HI=652.6nm相对谱线强度增加了8~9倍。氢组分向通道内的返流影响通道内的工质电离和离子加速过程,进而导致推力器束流特性变差,且伴随着低频振荡增大。当pH=0.04Pa时,羽流发散半角为41.5°,相比pH=0Pa条件下增加了24.5°。