[发明专利]基于波长调制光谱技术的真空环境下温度测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种真空环境下温度测量方法，特别涉及基于波长调制光谱技术中二次谐波法测量真空环境下温度。

背景技术

随着我国航天科学技术的发展，真空环境实验、特别是航天器真空热试验成为一项非常重要的试验验证工作，其中真空环境下的温度测量成为上述研究的关键测试技术。但是到目前为止，航天器真空热试验中温度的测量基本上还是采用传统的接触式温度传感器，如T型热电偶、PT100铂电阻、MF51热敏电阻等，但是在真空环境下传热方式发生改变，此时对工件、传感器起升温作用的主要是辐射，而且传感器在真空环境下存在表面解析现象，因此采用常压下标定的温度传感器测量真空环境温度存在着诸多不确定因素，如中国空间技术研究院在地面热真空环境模拟试验中发现多支温度传感器在常压环境下测量同一目标测量结果接近，但在真空环境下测量结果相差较大，最大能到2℃。为此，发展先进的、准确的温度测量技术有着重大的民用和军事应用背景，可以为解决航天器真空热试验提供有效的技术途径和工程数据。

TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)是近些年发展起来的、先进的、可直接测量气体分子转动温度（与经典热力学温度“平动温度”时刻保持平衡）的气体参数检测技术，该技术利用波长可调谐的窄带激光扫描气体分子特征吸收谱线，然后通过分析被气体分子吸收后的激光强度得到待测气体温度，因此具有极高的波长选择性、高灵敏度、系统通用性等优点。TDLAS自建立以来，形成了以直接吸收光谱技术和波长调制光谱技术为主的两种主要测量方法。直接吸收光谱技术通过入射光强和透射光强的比值直接拟合气体吸收率函数，进而通过吸收率函数测量气体温度，但直接吸收在测量中容易受到颗粒物浓度、激光强度波动等因素的影响而无法精确拟合气体吸收率函数，进而导致温度测量误差。而波长调制光谱技术（Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS）在测量过程中通过对目标信号进行高频调制，而非目标信号由于没有经过调制在后续的谐波检测过程中被除去，因此可以有效地降低测量系统中背景信号的干扰，极大地提高温度测量精度和灵敏度，尤其适用于恶劣环境或弱吸收条件下气体温度的在线测量。

发明内容

为了解决传统的接触式温度传感器测量真空环境温度存在表面材料解析、温度溯源性等问题，本发明的目的是建立基于波长调制光谱技术的真空环境下温度测量方法。

本发明的技术方案如下：一种基于波长调制光谱技术的真空环境下温度测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)确定测量气体介质，从HITRAN光谱数据库中选择该气体介质的两条特征谱线对，其中心频率分别为ν₀₁和ν₀₂；

2)以可调谐半导体激光器为光源，调节激光控制器的温度及电流，使可调谐半导体激光器的输出频率稳定在频率ν₀处，并用波长计进行标定和监测；

3)将第一信号发生器产生的低频方波、第二信号发生器产生的低频三角波和锁相放大器产生的高频正弦波经过加法器叠加后输入激光控制器，驱动可调谐半导体激光器产生的激光分别在频率ν₀₁和ν₀₂处发生扫描和调制，并使中心频率为ν₀₁和中心频率为ν₀₂的两条谱线分别出现在方波的高电平处和低电平处；

4)将测量气体介质充入真空腔内，由压力传感器对真空腔压力进行测量；将扫描和调制的激光准直后透过真空腔一端的透射镜到达真空腔另一端反射镜，反射后由光电探测器接收，光电探测器输出信号连接至数字示波器进行显示并输入锁相放大器进行二次谐波信号检测；

5)将锁相放大器输出的二次谐波信号通过数据采集卡采集后，输入到计算机数据采集与处理系统，该计算机数据采集与处理系统对数据进行如下处理：

a.根据下列公式计算得到二次谐波峰值比RR与温度T函数曲线；

式中S_2f-peak-1和S_2f-peak-2分别为两条特征谱线对的二次谐波峰值，和分别为两条特征谱线对的光强，与分别为两条特征谱线对的线型函数，S₁(T)和S₂(T)分别为两条特征谱线对的线强度，其大小决定于环境温度T，θ∈[-π，π]；

b.利用软件程序得到步骤1）中的两条特征谱线对的各自中心频率处二次谐波峰值，并计算峰值比值RR；