小型化TDLAS發(fā)動機測溫系統(tǒng)的研究及進展

姚 路, 劉文清, 闞瑞峰, 許振宇, 阮 俊, 王 遼, 冮 強

(1. 中國科學院安徽光學精密機械研究所 國家環(huán)境光學監(jiān)測儀器工程技術(shù)研究中心, 合肥 230031; 2. 中國航天科工集團三十一研究所, 高超聲速沖壓發(fā)動機技術(shù)重點實驗室, 北京 100074)

小型化TDLAS發(fā)動機測溫系統(tǒng)的研究及進展

姚 路1, 劉文清1, 闞瑞峰1, 許振宇1, 阮 俊1, 王 遼2, 冮 強2

(1. 中國科學院安徽光學精密機械研究所 國家環(huán)境光學監(jiān)測儀器工程技術(shù)研究中心, 合肥 230031; 2. 中國航天科工集團三十一研究所, 高超聲速沖壓發(fā)動機技術(shù)重點實驗室, 北京 100074)

在吸氣式發(fā)動機研究中，需要監(jiān)測其進氣道氣流流場分布、燃燒室溫度分布和燃燒產(chǎn)物濃度來驗證燃燒室內(nèi)的燃燒理論模型并最終改進發(fā)動機設計；同時，這些參數(shù)的實時獲取還可以用來控制發(fā)動機工作狀態(tài)以實現(xiàn)燃燒效率優(yōu)化。TDLAS(可調(diào)諧半導體激光吸收光譜)技術(shù)具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應快速、靈敏度高和非入侵式測量等優(yōu)點，在高溫、高速和劇烈振動等惡劣工作環(huán)境下可實現(xiàn)隨機飛行的發(fā)動機測量，因此被國外多家研究機構(gòu)采用。 調(diào)研了高超聲速燃燒發(fā)動機研究項目HIFiRE及其在傳感器小型化方面所采用的技術(shù)手段，介紹已有的小型化設計思路和取得的進展。已集成的小型化系統(tǒng)體積為30×15×10cm3，重量<5kg，功耗<10W。經(jīng)驗證，該系統(tǒng)可在發(fā)動機地面試驗條件下穩(wěn)定工作，給未來隨發(fā)動機飛行的小型化測溫系統(tǒng)設計提供了參考。

TDLAS(可調(diào)諧半導體激光吸收光譜)；發(fā)動機測溫；DFB激光器驅(qū)動；激光器波長鎖定；傳感器小型化

0 引 言

可調(diào)諧半導體激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技術(shù)以其高靈敏度、快速響應和多組分同時測量等優(yōu)點，在許多領(lǐng)域有著潛在的重要應用價值，主要應用有：獲得分子結(jié)構(gòu)的信息、研究氣體動力學過程和痕量氣體監(jiān)測分析。其測量的基本原理為分子吸收光譜技術(shù)。利用可調(diào)諧激光二極管的窄線寬和波長可調(diào)諧特性，測量特定氣體分子在特定光譜范圍內(nèi)的一條振轉(zhuǎn)吸收線的光譜特征曲線，根據(jù)比爾-朗伯定律，該吸收譜線在頻域的積分正比于吸收系數(shù)。當已知氣體吸收光程、壓強、溫度和氣體分子吸收線線強時，即可反演出氣體濃度[1]，如圖1所示。

圖1 TDLAS測量原理示意圖[1]

氣體吸收線強依賴于溫度，由于不同吸收線具有不同的低態(tài)能級，其溫度依賴特性不同，故可以選取同一氣體分子的兩條吸收線，利用它們的線強比值來測溫[2]，如圖2所示。由比爾朗伯定律可知，該線強比正比于兩條吸收線吸光度的積分面積之比，實際應用中可以根據(jù)該積分面積反演氣體溫度[3]。

圖2 用于測溫的氣體吸收線對

1 國外研究進展

TLDAS技術(shù)以其靈敏度高和響應速度快等特點，近幾年越來越多的被應用于工業(yè)燃燒過程控制和發(fā)動機參數(shù)監(jiān)測和控制方面的研究，如Mark G. Allen將TDLAS技術(shù)用于發(fā)動機的溫度和流速監(jiān)測，測量到4630m/s的高速氣流[4]；Tudor I. Palaghita將TDLAS測量到的發(fā)動機溫度參量用于CFD燃燒模型驗證中[5]；Daniel W. Mattison等人將TDLAS應用于PDE和HCCI發(fā)動機的燃燒狀態(tài)檢測[6]，Shawn D. Wehe等人利用TDLAS技術(shù)進行了高超音速流速測量[7]。

另外，TDLAS也已經(jīng)被用于超燃發(fā)動機飛行實驗的燃燒測量，由美國空軍Wright-Patterson基地和Southwest Sciences Inc.合作，研制了用于飛行測試的TDLAS測量系統(tǒng)。此工作是美國空軍與NASA等合作的高超聲速國際飛行研究試驗(HIFiRE)計劃的一部分。其中美國AFRL Aerospace Propulsion Division的一個重要目標是開發(fā)一種能夠?qū)崟r測量核心氣流特性的光學測量技術(shù)以評估空氣質(zhì)量俘獲、穩(wěn)定性限度和燃燒過程等關(guān)鍵發(fā)動機工作參數(shù)。在HIFiRE1飛行測試中驗證了TDLAS系統(tǒng)的光學、電子系統(tǒng)的耐受性，并測量模擬超聲速進氣口的氧氣濃度及流速，根據(jù)內(nèi)壁壓力和氣流場特性推導空氣質(zhì)量俘獲能力，在后續(xù)試驗中，TDLAS系統(tǒng)將在實際超燃沖壓發(fā)動機上進行。HIFiRE2中，TDLAS在燃燒室出口截面上配置8個光學通道，測量水氣并利用斷層重建技術(shù)來重構(gòu)燃燒室出口場分布，給出水氣濃度、靜壓和靜溫[8]；在HIFiRE6中，系統(tǒng)將再次用來測量氧氣，但這次將在發(fā)動機的隔離器中進行并用來測量體積比濃度10%以內(nèi)的O2質(zhì)量流量。

美國從2003年起開展了基于TDLAS方法的飛行實驗測量系統(tǒng)，于2008年研制成功并應用于飛行實驗。第1次飛行實驗獲取了進氣口、燃燒區(qū)和出氣口3個位置的溫度和流速，從而獲得流量信息；第2次實驗獲取了燃燒區(qū)端面的溫度場分布。該項目計劃將該系統(tǒng)用于飛行過程中發(fā)動機的在線控制[9]。集成后的測量系統(tǒng)如圖3所示，質(zhì)量小于2kg，功耗小于14W，在緊湊的體積內(nèi)實現(xiàn)了激光器控制、信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集等功能。

圖3 Zolo傳感器裝配圖

2 小型化設計方案及進展

監(jiān)測發(fā)動機燃燒過程參數(shù)可有效反映發(fā)動機性能，為改進發(fā)動機設計提供依據(jù)。本項目計劃采用TDLAS技術(shù)對發(fā)動機尾焰及燃燒室的燃燒狀態(tài)進行非接觸測量，并將所測參數(shù)提供給發(fā)動機設計方用于驗證燃燒模型或改進發(fā)動機設計，未來利用小型化TDLAS系統(tǒng)實現(xiàn)隨發(fā)動機飛行中的燃燒參數(shù)獲取。

本文提出了適用于目前項目需求的設計方案，控制系統(tǒng)原理構(gòu)成如圖4所示。在已完成的小型化系統(tǒng)中，實現(xiàn)了DFB激光器驅(qū)動，掃描波形生成，微弱信號放大和嵌入式算法等功能。

2.1 小型化激光器驅(qū)動

激光器驅(qū)動電路中選取商用激光器控制模塊，節(jié)省設計時間。該模塊內(nèi)已集成了溫度控制和電流控制功能。其TEC制冷制熱電流最大為2.5A，通過合理設置其PID環(huán)路參數(shù)，溫控穩(wěn)定性在±0.01℃之內(nèi)，其目標溫度可以通過數(shù)字電位器或DAC設置。經(jīng)測試，該模塊控制激光器可在40℃環(huán)境溫度變化下穩(wěn)定工作。電流模塊控制精度<0.1%，最大輸出電流200mA，調(diào)制信號帶寬2MHz，可以實現(xiàn)高頻率的掃描波形。該控制模塊體積分別為2.5×2×0.5cm3和2×1.5×0.5cm3，功耗<3W，在添加適當?shù)耐鈬娐泛?，即可實現(xiàn)對DFB激光器溫度和電流的精確控制。相比實驗室所用的激光器驅(qū)動電源，體積和功耗顯著減小，如圖5所示。激光器驅(qū)動的緊湊設計是系統(tǒng)小型化中設計的重要前提。

圖4 系統(tǒng)整體框圖

圖5 小型化激光器驅(qū)動(下)和原有驅(qū)動(上)

2.2 激光器波長穩(wěn)定技術(shù)

考慮到在實際彈載工作環(huán)境下的大范圍溫度變化可能使激光器波長發(fā)生漂移，因此在實驗室進行了環(huán)境溫度在0～60℃范圍變化的測試，測試結(jié)果如圖6所示。在環(huán)境溫度發(fā)生大范圍變化時，激光器波長會隨之發(fā)生明顯漂移甚至出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，在高溫時，最大漂移波長將近0.1nm，這會對溫度的反演產(chǎn)生嚴重影響。

分析其原因，一是由于環(huán)境溫度和激光器工作溫度差別過大時，其內(nèi)部負責制冷制熱的TEC不足以產(chǎn)生足夠的熱量來使激光器溫度穩(wěn)定在設置溫度；二是由于電路板上器件的溫漂引起的激光器設置溫度變化和PID網(wǎng)絡參數(shù)變化。

圖6 激光器未加帕爾帖時的波長漂移

為解決以上問題，文中系統(tǒng)采用了二級制冷方式，使激光器內(nèi)外溫差不致過大，從而保證激光器內(nèi)部TEC的有效溫控。將另外2個制冷片分別貼在激光器封裝的上下表面，其制冷制熱電流由激光器溫控模塊統(tǒng)一提供。

另外，為解決元器件溫漂帶來的波長漂移，采用了數(shù)字溫度補償方案。根據(jù)實時采集到的環(huán)境溫度，反向補償激光器的設置溫度，抵消由于器件溫漂引起的設置溫度的變化，也起到了降低激光器芯片周圍溫差的效果。在采取了以上2種措施后，在0～60℃變化范圍內(nèi)，激光器波長漂移如圖7所示，最大漂移為8pm，這在算法反演中是可以容忍的。

圖7 激光器加入二級帕爾帖后的波長漂移

除了開環(huán)的數(shù)字溫度補償技術(shù)，波長穩(wěn)定技術(shù)還包括閉環(huán)波長鎖定功能[10]。如圖8所示，上位機采集到參考池中的光譜信號后，計算得到吸收線位置，根據(jù)當前位置和目標位置之間的誤差，確定波長漂移的方向，通知MCU對激光器參數(shù)進行調(diào)整。MCU以中斷方式接受上位機指令，方便波長隨時可調(diào)。

圖8 激光器波長鎖定示意圖

采用開環(huán)閉環(huán)結(jié)合的波長穩(wěn)定技術(shù)后，可將激光器波長漂移控制在1pm內(nèi)，保證了溫度反演精度，提高了系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下工作的可靠性。

2.3 線性頻率掃描技術(shù)

在直接吸收技術(shù)中，需要對激光器波長進行掃描，掃過特定吸收位置時，得到吸收譜線，進行溫度或濃度反演，通常使用鋸齒波形進行掃描。

由于激光器自身特性，其注入電流和輸出波長并非嚴格的線性關(guān)系，當使用傳統(tǒng)的鋸齒波電流時，需要依據(jù)波長標定系統(tǒng)對每個掃描點進行準確的波長標定步驟，這不僅增加了系統(tǒng)復雜度，也增大了后期算法處理的時間復雜度。因此，本文選用了非線性注入電流，通過實驗得出電流-波長曲線后，定義掃描波形上每個采樣點的電流值，使用該非線性注入電流，可以得到線性掃描頻率，從而直接得到頻率域的光譜曲線，避免了后期算法中的頻率轉(zhuǎn)換過程，降低了算法復雜度，實現(xiàn)快速實時光譜處理。另外，為了更精確的扣除背景光干擾，所選取的掃描波形并非嚴格的鋸齒波[10]。

2.4 光強自適應放大技術(shù)

激光光束經(jīng)過待測氣體區(qū)域后由光電探測器接收，將光強信號轉(zhuǎn)換為電流信號，但該電流信號通常都較弱(nA到μA量級)，并不能直接進行采集，需要經(jīng)過跨導放大電路將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號[11]，再送至ADC芯片進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

發(fā)動機點火試驗時，由于燃燒產(chǎn)物在窗片上的附著，會導致光強減弱，最終信號信噪比下降，溫度反演精度下降。為避免信號幅值過低，在信號放大電路中，加入了自動增益控制功能。假設信號幅值的變化過程相對于波長掃描是慢變化，該部分電路根據(jù)當前周期信號幅值自動調(diào)整下一周期的跨導放大倍數(shù)，使最終信號幅值滿足采集要求。方案采用了MCU+ADC+模擬開關(guān)的結(jié)構(gòu)，依據(jù)的數(shù)字AGC原理如圖9所示：模擬開關(guān)每個通道上接入不同阻值的跨導電阻，MCU通過ADC采集當前信號的最大值，根據(jù)該結(jié)果判定當前增益是否合適，若過高或過低，則通過I/O口控制模擬開關(guān)8個通道的開合，實現(xiàn)不同增益檔位之間的切換[12]，電路原理如圖10所示。切換動作可以在20ns內(nèi)完成[13]，為避免切換前后信號的突變現(xiàn)象，切換時間選取在每個掃描周期尾段的4μs無效信號內(nèi)。受信號帶寬限制，最終系統(tǒng)的增益調(diào)節(jié)范圍為200倍。最終電路如圖11所示。

圖9 數(shù)字AGC原理

圖10 基于多路開關(guān)的數(shù)字AGC示意圖

圖11 自動增益控制的跨導運放電路

2.5 實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

要測量溫度場分布，必須保證多路信號采集的同步進行，使獲取的數(shù)據(jù)處于同一時間點上才能實時真實地反演出場分布[14]。因此，該系統(tǒng)中的8路數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換和采集也要同步完成，這部分功能由適合并行處理的FPGA完成。FPGA實現(xiàn)對ADC的控制和原始光譜數(shù)據(jù)讀取，同時在硬件級完成對光譜數(shù)據(jù)的快速平均。由于數(shù)據(jù)平均和反演算法分別由FPGA和DSP完成，二者可以同步協(xié)調(diào)工作[15]，這大大提高了總的數(shù)據(jù)處理速率。本方案中選用的16位A/D轉(zhuǎn)換速率最高為50MS/s，在50kHz的掃描頻率下，每個周期能采集1000個數(shù)據(jù)點。

反演算法由DSP完成，流程如圖12所示。由于基線擬合等算法特點，涉及的數(shù)據(jù)動態(tài)范圍較大[16]，故選用浮點DSP，保證其處理的速度和精度。經(jīng)仿真計算，算法核心部分在所選DSP上耗時約為3ms，考慮到數(shù)據(jù)讀取耗時和各個處理器間的通訊，預估8路計算的總耗時可以控制在5ms內(nèi)。計算的結(jié)果經(jīng)由DSP的通訊接口發(fā)送至發(fā)動機控制系統(tǒng)，可以作為控制發(fā)動機參數(shù)的參考。

圖12 溫度算法流程

2.6 系統(tǒng)集成

考慮到試驗現(xiàn)場的電磁干擾較強，在系統(tǒng)集成時，采取了一系列措施來降低干擾信號的耦合途徑：從探測器到系統(tǒng)的信號線使用了屏蔽線纜，并外加1層金屬屏蔽網(wǎng)，減小空間電磁波對弱電流的干擾；在系統(tǒng)的信號入口處加入磁環(huán)，有效消耗了從信號線上耦合進來的高頻噪聲；將整個系統(tǒng)安放在密閉良好的金屬盒內(nèi)，信號的進出位置保證理想的接地措施；信號傳輸時要選取合理的接地點，測量系統(tǒng)的接地點和大地保證單點連接，避免地環(huán)路帶來的傳導耦合噪聲等。集成后的系統(tǒng)如圖13所示。

3 實驗結(jié)果

集成后的系統(tǒng)在發(fā)動機實驗臺架上進行實驗，其中3次結(jié)果如圖14所示。從結(jié)果可知：在加熱器工作過程中，光強保持穩(wěn)定，此時出口溫度較低；在點火后，溫度升高，光強逐漸下降(見圖14(a))，分析有2個原因：一是發(fā)動機尾部受熱時有微小形變，造成光路緩慢偏轉(zhuǎn)，在后面的安裝過程中，通過仔細調(diào)整光路位置，避免了在整個點火過程中的光強減弱的現(xiàn)象(見圖14(b))；二是發(fā)動機尾焰中未完全燃燒形成的細小顆粒附著在窗片上，致使光強變?nèi)?；從圖14(c)中可看出，在改變?nèi)紵隣顟B(tài)前后，光強變化特點發(fā)生明顯改變。

圖13 集成后的小型化測量系統(tǒng)

(a)

(b)

(c)

在多次試驗中，系統(tǒng)各模塊工作正常，實現(xiàn)了設計功能。測量結(jié)果中溫度變化位置和燃燒當量比改變時刻吻合較好，也驗證了測溫系統(tǒng)的準確性和TDLAS技術(shù)用于發(fā)動機測溫的可行性。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)TDLAS直接吸收技術(shù)測溫原理，針對發(fā)動機現(xiàn)場試驗的環(huán)境條件和未來隨發(fā)動機飛行試驗的需求，設計了小型化TDLAS測溫控制系統(tǒng)，其中包括激光器驅(qū)動、任意掃描信號生成和弱信號放大等電子學模塊，加入了波長鎖定和自動增益控制功能，解決了大范圍環(huán)境溫度變化時的波長漂移問題和光強信號波動問題。整個系統(tǒng)裝配時采取了屏蔽和隔離等措施，盡量減小現(xiàn)場環(huán)境中的電磁干擾。

和實驗室系統(tǒng)相比，該小型化系統(tǒng)替代了成品商用儀器，在滿足性能的前提下，減小了系統(tǒng)功耗和體積，提高了傳輸抗干擾能力，更適合發(fā)動機地面試驗環(huán)境，解決了實驗室系統(tǒng)不適用于臺架試驗的問題。系統(tǒng)設計時，將數(shù)字部分和模擬部分隔離來提高EMC性能，選用高精度、高穩(wěn)定性的激光器控制模塊實現(xiàn)激光器電流和溫度控制，同時改進了激光器波長調(diào)整策略，使波長穩(wěn)定性更好，借助模擬開關(guān)方案提高了自動增益控制速度，該小型化方案也為以后隨發(fā)動機飛行系統(tǒng)的設計提供了參考依據(jù)。

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(編輯：楊 娟)

Research and development of a compact TDLAS system to measure scramjet combustion temperature

Yao Lu1, Liu Wenqing1, Kan Ruifeng1, Xu Zhenyu1, Ruan jun1, Wang Liao2, Jiang Qiang2

(1. Key Lab of Environmental Optics and Technology, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, CAS, Hefei 230031, China; 2. Science and Technology on Scramjet Laboratory, the 31st Research Institute of CASIC, Beijing 100074,China)

Advanced research on air-breathing engine development requires sensitive techniques to monitor the temperature distribution in the engine, gas flow fields distribution in the combustion reactant and product concentrations to validate combustion theoretical models and in the engine designs. Moreover, the real time acquisition of these parameters can be utilized to control the working status of the engine to optimize the combustion efficiency. Because of its compactness, high sensitivity, fast response and non-intruding measurement feature, the tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) has been applied by many research institutes in tough in-flight environment, such as high temperature, high speed and violent vibration. In this paper, some electronic key techniques in the hypersonic research program HIFiRE are introduced and our design on compact sensors and some progresses are presented. It has been proved that this system can work stably in in-situ measurement and the compact design (volume of 30×15×10cm3, mass<5kg, power<10W) can provide a reference for the in-flight system in the future.

TDLAS(tunable diode laser absorption spectroscopy);scramjet combustion measurement;DBF laser control;laser wavelength stabilizing;compact sensor

1672-9897(2015)01-0071-06

10.11729/syltlx20140025

2014-03-11;

2014-07-11

闞瑞峰，E-mail: kanruifeng@aiofm.ac.cn

YaoL,LiuWQ,KanRF,etal.ResearchanddevelopmentofacompactTDLASsystemtomeasurescramjetcombustiontemperature.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(1): 71-76. 姚 路, 劉文清, 闞瑞峰, 等. 小型化TDLAS發(fā)動機測溫系統(tǒng)的研究及進展. 實驗流體力學, 2015, 29(1): 71-76.

O433.5

A

姚 路(1987-)，男，河南南陽人，博士研究生。研究方向：激光光譜檢測方法研究及其電子學設計。通信地址：安徽省合肥市蜀山區(qū)蜀山湖路350號中國科學院安徽光學精密機械研究所(230031)。E-mail：lyao@aiofm.ac.cn