CN110657994A - 一种空间接入型光频梳***监测航空发动机燃烧场的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种空间接入型光频梳***监测航空发动机燃烧场的方法，其特征为：光频梳经过分束器后得到两束光频梳，其中一束输入光谱分析模块，另一束通过准直透镜后输入燃烧室监测装置，得到的输出信号与光谱分析模块相连。其中，光频梳作为信号光并经过燃烧室，用于得到吸收光谱信号；燃烧室监测装置用于得到多路采集信号；光谱分析模块用于对多路吸收光谱信号和光频梳光谱信号实时对比分析，得到航空发动机燃烧室内气体组分浓度各项参数的变化情况。本发明结构紧凑、方法简单，***的空间光结构避免了接触式监测带来的难度，降低了***的成本，便于操作，同时可以对航空发动机燃烧场进行快速、准确监测。

Description

一种空间接入型光频梳***监测航空发动机燃烧场的方法
(一)技术领域
本发明涉及激光技术领域和燃烧诊断领域，尤其是涉及一种空间接入型光频梳***监测航空发动机燃烧场技术领域。
(二)背景技术
航空发动机燃烧室是航空发动机的核心部件之一。在飞机工作时，航空发动机的燃烧室会发生复杂反应，用计算流体力学很难准确描述实际的燃烧过程。对燃烧过程中关键参数进行准确测量以来于有效的燃烧诊断技术。根据测量得到的数据，进而改善航空发动机的构造，得到高性能的航空发动机。具体而言，需要对其温度、压力、燃气组分浓度等关键参数实现可靠准确测量。光学诊断技术的动态响应较快，利用激光吸收光谱可以实现对燃烧室温度、压力和组分浓度等参数的测量。然而，传统的吸收光谱测量装置，如棱镜、光栅、傅里叶变换光谱仪和单频激光器等，光谱分辨率较低，探测灵敏度不高，频率测量精度及测量速度不高，对不稳定燃烧场的瞬时温度测量能力有待提升。
基于上述背景，现有的用激光吸收光谱监测航空发动机燃烧场的方法还有待进一步优化。
(三)发明内容
有鉴于此，本发明的提出了一种空间接入型光频梳***监测航空发动机燃烧场的方法，结构简单、分辨率高、灵敏度高、测量速度快，且***的成本较低，操作简单。
第一方面，本发明实施例提供了一种空间接入型光频梳***监测航空发动机燃烧场的方法，其特征在于：光频梳通过分束器后分成两束，一束输入到光谱分析模块，另一束通过准直透镜输入燃烧室监测装置，从燃烧室监测装置的输出端口输出，进入光谱分析模块；其中，所述的光频梳作为信号光并经过燃烧室，用于得到通过燃烧室后的吸收光谱信号；所述的燃烧室监测装置用于对燃烧室出口气体进行测量，得到多路采样信号；所述光谱分析模块与燃烧室监测装置的输出端口相连，用于对采集的光谱信号进行实时分析。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述的光频梳通过一个分束器，得到两束光强不同的光频梳；光强较大的一路经准直透镜被燃烧室检测装置的一个输入端口接收，用于得到多路吸收光谱信号；光强较小的一路输入光谱分析模块，用于得到光频梳的光谱信号。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，上述燃烧室监测装置为八面体装置，包括8个分别嵌在八面体的八条棱上的输入端口，64个均匀分布在八个面上的输出端口；输入端口用于接收光频梳；输出端口与光谱分析模块相连，用于输出采样信号。
结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，上述八面体燃烧室监测装置的输入端口包括分光镜；分光镜用于获得单一扇形分布的激光光束。
结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，上述每个输出端口包括一个准直透镜，用于将燃烧室监测装置输出的光谱信号准直后输出。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，均匀分布在八个面上的输出端口不限于64个。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，对于上述的进入光谱分析模块中各束光信号的光强相等。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，上述的光频梳可输入燃烧室监测装置的其它输入端口，得到多路光频梳的吸收光谱信号并进行分析，以用于全方位监测航空发动机燃烧场。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，上述的光谱分析模块通过得到的多路吸收光谱信号和光频梳光谱信号的差异，进而得到航空发动机燃烧室内温度、压力、组分浓度的实时变化情况。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，上述航空发动机燃烧场的监测采用空间光结构。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第十种可能的实施方式，其中，上述燃烧室监测装置不限于八面体，可用其他多面体形式的监测装置。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第十一种可能的实施方式，其中，在燃烧室中所检测的气体包括并不限于水、一氧化碳、一氧化氮和二氧化氮等气体。
本发明实施例带来了以下有益效果：
本发明实施例提供的一种空间接入型光频梳***监测航空发动机燃烧场的方法，用一台频率、相位稳定的光频梳作为输入光谱，经过分束器分成两束，一路进入光谱分析模块，用于得到光频梳光谱信号，另一路通过准直透镜输入燃烧室监测装置，经过分光镜后形成扇形分布的激光光束，在燃烧室监测装置的输出端口得到吸收光谱信号，输入到光谱分析模块，光谱分析模块通过对得到的多路吸收光谱信号和光频梳光谱信号的差异进行对比分析，进而得到航空发动机燃烧室内气体组分浓度的各项参数变化情况。
本发明实施例提供的方法以空间接入光频梳的方式监测航空发动机燃烧场，为切换燃烧室监测装置输入端口操作提供了便利，得到结构简单、成本较低的监测方法。相较现有的技术，本发明实施例通过加入光频梳测量技术，可以更精确地获得航空发动机燃烧室内温度、压力、燃气组分的变化情况，通过依次从八面体燃烧室监测装置的不同输入端口进行测量，可以获得燃烧室全方位温度、压力、燃气组分等参数的变化情况。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
(四)附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种空间接入型光频梳***监测航空发动机燃烧场的方法的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种空间接入型光频梳***监测航空发动机燃烧场方法其中一路采集过程的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种八面体燃烧室监测装置结构示意图；
图标：
110-光频梳；120-分束器；200-燃烧室监测装置；210-燃烧室监测装置输入端口；211-分光镜；220-燃烧室监测装置输出端口；221-准直透镜；130-光谱分析模块；140-准直透镜。
(五)具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种空间接入型光频梳***监测航空发动机燃烧场的方法，结构简单，可集成性高，操作方便，成本较低，同时可以实现精确测量航空发动机燃烧室内温度、压力、气体浓度的变化情况。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种空间接入型光频梳***监测航空发动机燃烧场的方法进行详细介绍，参见图1所示的一种空间接入型光频梳***监测航空发动机燃烧场的方法的结构示意图，其中，光频梳110经过分束器120得到两束光强不同的光频梳，光强较小的一束输入光谱分析模块130，光强较大的一束与燃烧室监测装置200相连，燃烧室监测装置200用于得到多路采集信号。燃烧室监测装置输出端口输出的光谱信号与光谱分析模块130相连，光谱分析模块130用于实时分析多路吸收光谱信号，得到航空发动机燃烧室内气体组分浓度各项参数的变化情况。
为了便于对上述实施例提供的方法进行理解，本发明实施例还提供了一种空间接入型光频梳***监测航空发动机燃烧场的一路采集过程示意图，参见图2所示的一种空间接入型光频梳***监测航空发动机燃烧场的一路采集信号过程示意图，该过程包括：
110-光频梳；210-燃烧室监测装置输入端口；220-燃烧室监测装置输出端口；130-光谱分析模块；140-准直透镜。
其中，上述光强较小的一路光频梳110通过准直透镜140从燃烧室监测装置的一个输入端口210输入，输入端口210用于得到扇形分布的激光光束，对称地投影到与输入端相对的面上，燃烧室监测装置的输出端口220用于将投影的光谱信号准直输出，传输到光谱分析模块130。
进一步的，上述的光频梳110经过一个输入端口210形成的扇形分布的激光光束，可以同时得到多路光谱信号，以得到16路光谱信号为例。根据得到的16路吸收光谱信号和光频梳光谱信号，分析航空发动机燃烧室内气体组分浓度各项参数的变化情况。
进一步的，通过改变光频梳的输入端口，可以获得航空发动机燃烧室内全方位的吸收光谱信号，进一步的，可以通过采集的多路吸收光谱信号和光频梳光谱信号的差异，对航空发动机燃烧场全方位地分析。
可以理解的，上述航空发动机燃烧场监测方法为空间光结构。
为了便于对上述实施例提供的燃烧室监测装置进行理解，本发明实施例还提供了一种八面体燃烧室检测装置的示意图，参见图3所示的一种八面体燃烧室监测装置结构示意图，该装置包括：
210-燃烧室监测装置输入端口；211-分光镜；220-燃烧室监测装置输出端口；221-准直透镜。
其中，输入端口210的分光镜211用于获得单一扇形分布的激光光束，每个输出端口220处对应有一个准直透镜221，用于将光谱信号准直后输出。
进一步的，燃烧室检测装置得到的采集信号不限于16路，可以调节分光镜211和分束器120，获得不同数量的采集信号，并保持输入到光谱分析模块中的各束光的光强相等。
综上所述，本发明实施例提供的一种空间接入型光频梳***监测航空发动机燃烧场的方法，用光频梳、准直透镜、燃烧室监测装置和光谱分析模块，巧妙的以空间接入的方式实现了对航空发动机燃烧场的监测。光频梳测量技术可以提高吸收光谱的测量精度，空间接入的方式可以降低了***的成本，为操作该监测***提供了便利。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的空间接入型光频梳***监测航空发动机燃烧场方法的具体工作过程，可以参考前述实施例中的对应装置，在此不再赘述。
另外，在本发明专利实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明专利中的具体含义。
在本发明专利的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明专利的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明专利的具体实施方式，用以说明本发明专利的技术方案，而非对其限制，本发明专利的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明专利进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明专利实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种空间接入型光频梳***监测航空发动机燃烧场的方法，其特征在于：光频梳通过分束器后分成两束，一束输入到光谱分析模块，另一束通过准直透镜输入燃烧室监测装置，从燃烧室监测装置的输出端口输出，进入光谱分析模块；其中，所述的光频梳作为信号光并经过燃烧室，用于得到通过燃烧室后的吸收光谱信号；所述的燃烧室监测装置用于对燃烧室出口气体进行测量，得到多路采样信号；所述光谱分析模块与燃烧室监测装置的输出端口相连，用于对采集的光谱信号进行实时分析。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的光频梳通过一个分束器，得到两束光强不同的光频梳；其中，光强较大的一路经准直透镜被燃烧室检测装置的一个输入端口接收，用于得到多路吸收光谱信号；光强较小的一路输入光谱分析模块，用于得到光频梳的光谱信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃烧室监测装置为八面体装置，包括8个分别嵌在八面体的八条棱上的输入端口，64个均匀分布在八个面上的输出端口；其中，所述的输入端口用于接收光频梳；所述输出端口用于输出光谱信号，其输出的光谱信号被光谱分析模块接收。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述八面体燃烧室监测装置的输入端口包括分光镜；其中，所述的分光镜用于获得单一扇形分布激光光束。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述每个输出端口包括一个准直透镜，用于将燃烧室监测装置输出的光谱信号准直后输出。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述均匀分布在八个面上的输出端口不限于64个。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于上述的进入光谱分析模块中各束光信号，其光强相等。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的光频梳可输入燃烧室监测装置的其它输入端口，得到多路光频梳的吸收光谱信号并进行分析，以用于全方位监测航空发动机燃烧场。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的光谱分析模块包括高分辨率的光谱仪，通过得到的多路吸收光谱信号和光频梳光谱信号的差异，进而得到航空发动机燃烧室内温度、压力、组分浓度的实时变化情况。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上述航空发动机燃烧场的监测采用空间光结构。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃烧室监测装置不限于八面体，可用其他多面体形式的监测装置。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在燃烧室中检测的气体包括并不限于水、一氧化碳、一氧化氮和二氧化氮等气体。
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