一種基于光纖傳輸?shù)膰娍陔娀囟确墙佑|測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種基于光纖傳輸?shù)膰娍陔娀囟确墙佑|測(cè)量系統(tǒng)，包括光學(xué)采集處理系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理單元。本發(fā)明利用光纖傳感技術(shù)結(jié)合光學(xué)信號(hào)處理器件調(diào)制、檢測(cè)光纖中傳輸?shù)墓獠ㄌ卣鲄⒘?，?shí)現(xiàn)對(duì)溫度物理量的動(dòng)態(tài)測(cè)量，具有光束質(zhì)量?jī)?yōu)、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊集成、測(cè)量精度高、對(duì)電弧場(chǎng)無(wú)擾動(dòng)、安全可靠、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，克服了噴口內(nèi)光信號(hào)采樣難的問(wèn)題；利用可調(diào)光衰減器實(shí)現(xiàn)光信號(hào)動(dòng)態(tài)飽和的實(shí)時(shí)控制和動(dòng)態(tài)增益平衡的調(diào)節(jié)；波分復(fù)用器將不同特征波長(zhǎng)的單色光束分開(kāi)，集成度高；將紅外輻射測(cè)溫法和可見(jiàn)光譜測(cè)溫法結(jié)合，采用數(shù)字處理單元通過(guò)相對(duì)譜線強(qiáng)度法運(yùn)算得到電弧溫度，擴(kuò)大動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍和提高測(cè)量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于光纖傳輸?shù)膰娍陔娀囟确墙佑|測(cè)量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光纖傳感技術(shù)和光譜輻射理論相結(jié)合的電弧溫度光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，特別適用于噴射電推力器、電弧等離子體炬、高壓斷路器等裝置噴口電弧等離子體動(dòng)態(tài)溫度的非接觸式測(cè)量。
【背景技術(shù)】
[0002]電弧放電是一種能獨(dú)立存在的自持放電現(xiàn)象。其中，在拉伐爾噴口中放電產(chǎn)生電弧等離子體的方法被廣泛應(yīng)用在航天動(dòng)力推進(jìn)、表面材料處理制備、電力故障電流開(kāi)斷等領(lǐng)域。拉法爾噴口是一種軸對(duì)稱(chēng)噴口，具有典型的收縮段、約束段和擴(kuò)張段。由于應(yīng)用背景的差異，其制造材料也有所不同，最常見(jiàn)的主要有兩種:噴口側(cè)壁兼做放電陽(yáng)極和噴口側(cè)壁由絕緣材料制成(分別如圖2-3所示)。前者被廣泛的應(yīng)用在電弧推進(jìn)器、電弧等離子體噴槍、電弧風(fēng)洞加熱器等裝置中，后者主要應(yīng)用于高壓斷路器中。高功率電弧推進(jìn)器(典型的如電弧發(fā)動(dòng)機(jī)和磁致等離子體動(dòng)力推進(jìn)器)由太陽(yáng)能或核能經(jīng)轉(zhuǎn)換裝置獲得電能，利用電能電離推進(jìn)劑加速工質(zhì)，上游電弧等離子體經(jīng)過(guò)噴口的作用在下游擴(kuò)張段膨脹后呈現(xiàn)高速流動(dòng)，借助有效的反作用力實(shí)現(xiàn)航天器的推進(jìn)，將在未來(lái)的航天任務(wù)中發(fā)揮更大的作用。電弧風(fēng)洞加熱器是模擬真實(shí)再入環(huán)境進(jìn)行飛行器氣動(dòng)性能測(cè)試和熱防護(hù)材料燒燭性能測(cè)試的重要地面實(shí)驗(yàn)設(shè)備。測(cè)試氣體以亞聲速速度注入收縮段，在噴口喉部約束段段經(jīng)過(guò)高強(qiáng)度密集加熱，氣體分子發(fā)生劇烈的電離和分解反應(yīng)，形成高溫高焓值等離子體流，流經(jīng)噴管擴(kuò)張段時(shí)以超聲速速度迅速向噴管出口處擴(kuò)散。電弧等離子體噴槍熱噴涂技術(shù)利用電弧等離子體的高焓高能流密度將噴涂材料加熱至熔融狀態(tài)，并通過(guò)氣流吹動(dòng)使其霧化高速?lài)娚涞搅慵砻?，以形成噴涂層的表面加工技術(shù)。電弧熱噴涂具有結(jié)合強(qiáng)度高，生產(chǎn)效率高，成本低，安全性好，噴涂質(zhì)量穩(wěn)定的特點(diǎn)。航空航天的表面防護(hù)是熱噴涂持續(xù)多年的研究熱點(diǎn)，在合金表面涂覆隔熱性能良好的高熔點(diǎn)陶瓷涂層，被廣泛應(yīng)用于小型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、返回地面人造衛(wèi)星回收天線等裝備的熱防護(hù)。高壓斷路器的超音速?lài)娍诶酶咚賹?duì)流能量耗散使電力短路故障電弧快速熄滅，以實(shí)現(xiàn)故障電流的成功開(kāi)斷。盡管高壓斷路器在目前的航天器電源系統(tǒng)中尚未使用，可以的預(yù)期的是，隨著空間太陽(yáng)能電站等超大功率空間航天系統(tǒng)的建設(shè)，作為電力系統(tǒng)安全衛(wèi)士的高壓斷路器必將進(jìn)入空間領(lǐng)域。
[0003]要提高電弧發(fā)生器工作特性，必須了解電弧等離子體的工作機(jī)理。其中，電弧溫度是描述電弧等離子體熱力學(xué)狀態(tài)的最重要的參數(shù)之一，通過(guò)對(duì)電弧溫度的研究，可以獲悉等離子體內(nèi)部的基本物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，為提高電弧發(fā)生器的能量利用效率、改善電弧作用效果奠定基礎(chǔ)，同時(shí)，也對(duì)提升裝置工作的可靠性和穩(wěn)定性具有重要意義。
[0004]電弧等離子體溫度的測(cè)量方法可分為接觸測(cè)量和非接觸測(cè)量。接觸測(cè)量(典型方法有探針?lè)ê蜔犭娕挤?主要使用傳感器與被測(cè)對(duì)象相接觸，測(cè)量實(shí)現(xiàn)容易，使用靈活，缺點(diǎn)是只能測(cè)量特定位置的溫度，測(cè)溫元件熱容量有限，并且會(huì)干擾測(cè)試區(qū)的溫度場(chǎng)。非接觸測(cè)量(典型方法有輻射測(cè)溫法和干涉測(cè)溫法)中測(cè)溫元件不與被測(cè)物接觸，其傳熱慣性小，不會(huì)破壞被測(cè)物的溫度場(chǎng)和造成感溫元件的損耗，是未來(lái)高溫測(cè)量的發(fā)展方向，在高溫溫度場(chǎng)測(cè)量中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。其中，干涉法具有、計(jì)算量小、結(jié)果精確一次測(cè)量能獲得全場(chǎng)信息等特點(diǎn)，但該此法要求電弧等離子體處于折射率梯度小且呈軸對(duì)稱(chēng)狀態(tài)，并且需要專(zhuān)門(mén)的光路設(shè)計(jì)，對(duì)于密閉空間電弧溫度的測(cè)量難于實(shí)現(xiàn)(廉金瑞，李俊岳.電弧的激光干涉診斷中CXD微機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的研究[J].焊接學(xué)報(bào)，1989，10 (3):157-163 ;陳球武，胡特生.焊接電弧形態(tài)和電弧溫度場(chǎng)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，1986，12 (3):7-16)。
[0005]輻射法技術(shù)較為成熟，抗干擾能力好，使用廣泛，主要有全輻射測(cè)溫法，亮度測(cè)溫法以及雙波長(zhǎng)測(cè)溫法。一般來(lái)講，電弧溫度從邊緣冷流的幾百K到中心上萬(wàn)K連續(xù)變化，輻射連續(xù)光譜的波長(zhǎng)范圍也覆蓋了可見(jiàn)光、紫外線和紅外線，所以輻射法測(cè)量成為獲得電弧等離子體溫度的有效手段。
[0006]全輻射測(cè)溫法的基本原理是若溫度為T(mén)r的絕對(duì)黑體的輻亮度與某一輻射體在溫度為T(mén)時(shí)的輻亮度相等，則定義Tr為該輻射體的輻射溫度，物體的輻射通量密度的表達(dá)式由斯蒂芬一玻爾茲曼定律獲得，通過(guò)熱探測(cè)器或光子探測(cè)器將物體的熱輻射能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換得到物體的溫度。這是紅外測(cè)溫儀和紅外熱成像儀的工作原理，主要用于4000K以下溫度的測(cè)量，具有測(cè)溫速度快，靈敏度高，對(duì)被測(cè)溫度場(chǎng)無(wú)干擾，熱惰性誤差小，能遠(yuǎn)距離測(cè)溫等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于焊接電弧熔池、電力設(shè)備溫升、發(fā)動(dòng)機(jī)羽流等測(cè)量領(lǐng)域(梅林，沈風(fēng)剛.立向下焊焊接熔池表面溫度場(chǎng)分布的紅外熱象法測(cè)定[J].焊接，1999(2):22-25 ;李明，廖俊必，祝智偉，李中華.紅外成像在羽流撞擊平板熱效應(yīng)試驗(yàn)中的應(yīng)用[J].紅外與激光工程，2010，39 (5):796-800)。其缺點(diǎn)在于紅外測(cè)溫系統(tǒng)屬于窄譜輻射測(cè)量設(shè)備，受被測(cè)表面的發(fā)射率、反射率(或吸收率)、環(huán)境溫度、大氣溫度、測(cè)量距離和大氣衰減等因素的影響，降低了紅外熱像儀的準(zhǔn)確性。
[0007]亮度測(cè)溫法的基本原理為，溫度為T(mén)的輻射體，如其在某一波長(zhǎng)λ的光譜輻亮度與溫度為T(mén)L的黑體在同一波長(zhǎng)下的光譜輻亮度相等，則定義TL為該輻射體的亮溫度。輻射體的亮溫度TL和它的實(shí)際溫度T之間的關(guān)系，由普朗克公式求得。該方法在遙感、宇航、電力等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，主要用于4000Κ以下溫度區(qū)間的測(cè)量(蔣小勇，翟宏，陳晉龍.毫米波頻段亮溫度的計(jì)算[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2009，29 (3):8-10 ;年豐，楊于杰，王偉.基于CFD技術(shù)的微波定標(biāo)源亮溫評(píng)定方法[J].遙感學(xué)報(bào)，2011,15 (4):691-695 ;高強(qiáng)，曾常安，賈崢.輻射計(jì)檢測(cè)絕緣子污穢的天線溫度模型[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，34 (6):92-96)。
[0008]雙波長(zhǎng)測(cè)溫方法主要包含4000K以下溫度區(qū)間的比色溫度法和4000K以上溫度區(qū)間的光譜法。比色溫度法基于經(jīng)典的普朗克黑體輻射定律，利用同一對(duì)象在兩個(gè)波長(zhǎng)下的單色亮度值比隨溫度變化這一特征來(lái)測(cè)量溫度。在實(shí)際操作中通常對(duì)普朗克定理做維恩近似公式代替，在兩個(gè)波長(zhǎng)確定的條件下，已知單色輻射亮度之比，光譜發(fā)射率之比，即可得到被測(cè)對(duì)象的溫度。該方法相比測(cè)量光譜發(fā)射率絕對(duì)值的測(cè)溫方法要簡(jiǎn)單和精確，被廣泛的應(yīng)用于冶金、焊接、燃燒等領(lǐng)域，用來(lái)測(cè)量火焰和金屬表面的溫度。隨著電荷耦合器件CCD的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的比色測(cè)溫法結(jié)合CCD攝像機(jī)的色度學(xué)基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)高溫物體的數(shù)字圖像處理技術(shù)，提取圖像信息中包含的亮度信息，發(fā)展了新的比色測(cè)溫方法，實(shí)現(xiàn)了溫度的二維和三維分布測(cè)量(符泰然，鐘茂華，史聰靈，程曉舫.發(fā)明專(zhuān)利CN101487740，一種三CCD溫度場(chǎng)測(cè)量裝置及方法；盧家金.發(fā)明專(zhuān)利CN101943604A，測(cè)溫成像系統(tǒng)及其測(cè)量方法；周德玉，夏需堂.基于彩色C⑶像素點(diǎn)亮度的測(cè)溫原理研究[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)，2011，06(4):311-316 ;張家仙，鞠玉濤，楊余旺，鄭亞.基于圖像處理的膏體推進(jìn)劑火焰測(cè)溫[J].計(jì)算機(jī)仿真，2009，26 (4) =263-266 ;張龍，夏智勛，胡建新.基于圖像處理技術(shù)的補(bǔ)燃室火焰溫度場(chǎng)測(cè)量[J].2007，33 (6):57-61 ;李漢舟，張敏貴，潘泉，張洪才.基于面陣CXD圖像的溫度場(chǎng)測(cè)量研究[J].2003，24 (6):653-656 ;鄭德忠，周穎慧.單C⑶數(shù)字濾光溫度場(chǎng)測(cè)量[J].電子學(xué)報(bào)，2009，37 (12):2774-2777)。盡管比色測(cè)溫法在上述高溫測(cè)量領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，不過(guò)自然界并不存在絕對(duì)的黑體，將黑體輻射定律應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量常遇到輻射率修正的困難。
[0009]比色測(cè)溫法基于的黑體熱輻射理論特別是維恩近似公式在4000K以上的溫度區(qū)間并不成立，進(jìn)一步的改進(jìn)工作則考慮了更高溫度區(qū)間電弧等離子體的光輻射特性，結(jié)合彩色CCD成像技術(shù)和圖像處理技術(shù)將溫度的測(cè)量區(qū)間拓展到電弧弧光放電對(duì)應(yīng)的范圍(顏湘蓮，陳維江，賀子鳴，王承玉，武建文，王景.采用光譜診斷法測(cè)量長(zhǎng)間隙空氣電弧溫度[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011,31 (19):146-152 ;欒荻野，曹云東.開(kāi)關(guān)電器電弧的溫度檢測(cè)研究[J].電氣開(kāi)關(guān)，2010，48 (2):23-25)。盡管該方法操作簡(jiǎn)便，但其主要缺點(diǎn)有(I)，該方法可靠性依賴(lài)于標(biāo)準(zhǔn)輻射源溫度校準(zhǔn)的精確性和單色光光電轉(zhuǎn)化通道響應(yīng)特性標(biāo)定的可信度，而實(shí)際的操作由于被測(cè)對(duì)象的光譜響應(yīng)系數(shù)K難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，這就給高溫場(chǎng)測(cè)量帶來(lái)了困難；(2)，采用光學(xué)鏡頭直接對(duì)準(zhǔn)開(kāi)放電弧等離子體或者高溫被測(cè)物體的方法不適用于有噴口或者其他物體遮蔽的情況；(3)，該方法借助可見(jiàn)光波段的特征譜線進(jìn)行光輻射強(qiáng)度采集，在電流較小或者過(guò)零區(qū)間，電弧可見(jiàn)光輻射非常微弱，引起較大的溫度測(cè)量誤差；(4)，該方法使用的中性濾光片光衰減率是固定的，無(wú)法適應(yīng)非直流電弧光輻射隨電流大小動(dòng)態(tài)衰減變化的要求。特別是電弧功率較小，光輻射較弱時(shí)，大電流期間為了防止光飽和設(shè)置的較大的光衰減率減弱了采集的光信號(hào)，帶來(lái)較大的測(cè)量誤差。
[0010]光譜法測(cè)溫多采用直讀光譜儀完成，該方法利用相對(duì)強(qiáng)度法:通過(guò)測(cè)得同種元素的2條或多條譜線的相對(duì)輻射強(qiáng)度推導(dǎo)出等離子體溫度。其優(yōu)點(diǎn)就是對(duì)等離子體本身不產(chǎn)生任何干擾，因此測(cè)得的電弧溫度精度高，而且方法簡(jiǎn)便，但對(duì)環(huán)境要求較高(賈濱陽(yáng)，薛龍，郭遵廣，呂濤，黃繼強(qiáng).高壓GMAW焊電弧溫度光譜分析[J].2012，20 (1):13_17)。由于光譜儀需要對(duì)全波段進(jìn)行掃描、積分，其輸出的光譜強(qiáng)度是在積分時(shí)間內(nèi)的平均值，數(shù)據(jù)采集時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性差，光譜儀設(shè)備昂貴，多應(yīng)用于穩(wěn)態(tài)情況下的高溫測(cè)量，無(wú)法滿足電弧等離子體實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)溫度實(shí)時(shí)測(cè)量的要求。此外，針對(duì)電弧等離子體的弧光特性，采用可見(jiàn)光波段的單色光作為輸入信號(hào)，在電弧功率較小時(shí)，采樣光信號(hào)較弱，測(cè)量誤差較大，限制了測(cè)溫范圍向4000K以下更低的區(qū)間拓展。另外，光譜法的作用被限定在局部熱力平衡的條件下，通常應(yīng)用于電子密度在102° — IO2Vm3范圍的等離子體的診斷中。然而，在弧柱外熱邊界區(qū)，這個(gè)條件是不滿足的。因此，測(cè)量弧柱外熱邊界區(qū)的溫度分布時(shí)，無(wú)法采用光譜診斷法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于光纖傳輸?shù)膰娍陔娀囟确墙佑|測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)溫范圍廣、測(cè)量精度與分辨率高、可靠性高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性?xún)?yōu)良、安裝方便的封閉電弧等離子體溫度非接觸式測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量方法。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于光纖傳輸?shù)膰娍陔娀囟确墙佑|測(cè)量系統(tǒng)，包括光學(xué)采集處理系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理單元；光學(xué)采集處理系統(tǒng)包括光纖探測(cè)陣列、可調(diào)光衰減器、光功分器、波分復(fù)用器；光電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)包括多通道光電探測(cè)器和信號(hào)調(diào)理電路；光纖探測(cè)陣列接收外部噴口電弧放電發(fā)出的光信號(hào)，經(jīng)可調(diào)光衰減器動(dòng)態(tài)衰減后送至光功分器；光功分器將衰減后的光纖探測(cè)陣列中的每路光纖采集的光信號(hào)動(dòng)態(tài)分為等性的兩路子信號(hào)，上述兩路子信號(hào)再經(jīng)波分復(fù)用器后，分成兩路特征波長(zhǎng)為λρ λ2的單色可見(jiàn)光以及特征波長(zhǎng)為λ 3、λ4的單色紅外光，并送至多通道光電探測(cè)器；多通道光電探測(cè)器將輸入進(jìn)來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后送至信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行去噪處理、幅值變化處理后，送至數(shù)據(jù)處理單元；數(shù)據(jù)處理單元通過(guò)阿貝爾變換，將同一電弧軸向截面不同徑向位置的電弧輻射光強(qiáng)線值對(duì)應(yīng)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為徑向光強(qiáng)的點(diǎn)位值對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，再通過(guò)雙波長(zhǎng)光譜相對(duì)強(qiáng)度法，計(jì)算獲得電弧等離子體各位置溫度。
[0013]所述的光纖探測(cè)陣列包括由N個(gè)光纖探頭組成的二維光纖陣、石英玻璃和橡膠密封圈，每個(gè)光纖探頭前端位于同一平面上；所述的每個(gè)光纖探頭包括自聚焦透鏡、光纖保護(hù)套、光纖芯、光纖連接套和密封膠；所述的光纖保護(hù)套和光纖連接套由絕緣材料制成，光纖保護(hù)套通過(guò)密封膠套接在光纖芯外部，光纖連接套的外表面刻有螺紋；光纖連接套通過(guò)光纖探頭嵌套裝置與噴口壁面連接；光纖探頭嵌套裝置為中空結(jié)構(gòu)，外部刻有螺紋，分別與噴口壁面、光纖連接套的內(nèi)螺紋嵌套；每個(gè)光纖探頭前放置有石英玻璃，石英玻璃通過(guò)橡膠密封圈與噴口壁面嵌套；Ν為大于I的正整數(shù)。
[0014]當(dāng)所述的數(shù)據(jù)處理單元只接收到紅外波段兩個(gè)特征波長(zhǎng)λ 3、λ 4單色紅外光時(shí)，通過(guò)阿貝爾變換轉(zhuǎn)換，將同一電弧軸向截面不同徑向位置的電弧輻射光強(qiáng)線值對(duì)應(yīng)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為徑向光強(qiáng)的點(diǎn)位值對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，再通過(guò)雙波長(zhǎng)光譜相對(duì)強(qiáng)度法，計(jì)算獲得電弧等離子體各位置溫度；當(dāng)所述的數(shù)據(jù)處理單元同時(shí)接收到可見(jiàn)波段兩個(gè)特征波長(zhǎng)λρ λ2的單色可見(jiàn)光，以及紅外波段兩個(gè)特征波長(zhǎng)λ3、λ 4單色紅外光時(shí)，只利用可見(jiàn)波段兩個(gè)特征波長(zhǎng)λρ λ2的單色可見(jiàn)光的光強(qiáng)信息，通過(guò)雙波長(zhǎng)光譜相對(duì)強(qiáng)度法，計(jì)算獲得電弧等離子體各位置溫度。
[0015]所述的數(shù)據(jù)處理單元包括AD轉(zhuǎn)換電路、FPGA、DSP ；AD轉(zhuǎn)換電路對(duì)光電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)輸出的模擬信號(hào)動(dòng)態(tài)離散采樣，并轉(zhuǎn)化為光輻射數(shù)字信號(hào)；FPGA對(duì)AD轉(zhuǎn)換電路和DSP進(jìn)行時(shí)序控制，DSP完成光輻射數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)的處理，并通過(guò)USB協(xié)議與外部計(jì)算機(jī)相互通信。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是:
[0017](I)本發(fā)明利用光纖傳感技術(shù)調(diào)制、檢測(cè)光纖中傳輸?shù)墓獠ㄌ卣鲄⒘浚瑢?shí)現(xiàn)對(duì)溫度物理量的動(dòng)態(tài)測(cè)量。光纖傳感技術(shù)可使測(cè)溫探頭與儀表分離，增強(qiáng)了儀器儀表規(guī)避狹小空間的能力，避免了惡劣的環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)線的損壞，具有現(xiàn)場(chǎng)無(wú)電信號(hào)、不受電磁干擾、性能可靠、技術(shù)含量高和成本低等優(yōu)點(diǎn)。
[0018](2)本發(fā)明通過(guò)光纖探測(cè)陣列與噴口壁面采樣通道緊密、可靠地連接，克服了封閉噴口內(nèi)放電電弧等離子體光信號(hào)采樣難的問(wèn)題。光纖探頭通過(guò)透鏡耦合方法，提高了光線在光纖中傳輸時(shí)的全反射率，降低了光輻射能損耗。前置透明石英玻璃可以在不影響光傳輸?shù)那疤嵯?，將絕緣隔離光纖探頭與電弧等離子體的高溫、電磁、腐蝕氣氛等惡劣環(huán)境隔離，安全可靠。
[0019]( 3)本發(fā)明利用多通道可調(diào)光衰減器實(shí)現(xiàn)光信號(hào)動(dòng)態(tài)飽和的實(shí)時(shí)控制和動(dòng)態(tài)增益平衡的調(diào)節(jié)，克服了使用中性濾光片時(shí)光衰減率不能變化的缺點(diǎn)，避免了光信號(hào)的飽和，為光傳輸通道提供精確、可靠、可調(diào)的光功率控制，拓寬了溫度的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍。
[0020](4)本發(fā)明利用多通道波分復(fù)用器將不同特征波長(zhǎng)的單色光束分開(kāi)，只用一個(gè)器件就同時(shí)完成了光波的分束和濾波，減少了濾波損耗，提高了信噪比，相比光敏管等信號(hào)分離技術(shù)線性度更好，提高了測(cè)溫計(jì)的測(cè)量范圍和精度，相比使用多個(gè)干涉濾光片，系統(tǒng)的集成度高，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，成本降低。
[0021](5)本發(fā)明通過(guò)測(cè)量可見(jiàn)光和紅外光兩個(gè)波段、四個(gè)特征波長(zhǎng)單色光的輻射強(qiáng)度，利用雙波長(zhǎng)相對(duì)強(qiáng)度法來(lái)測(cè)量電弧溫度，克服了單純利用一種波段的特征光無(wú)法實(shí)現(xiàn)電弧等離子體全范圍溫度測(cè)量的缺點(diǎn)。
[0022](6)本發(fā)明采用FPGA+DSP聯(lián)合結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，將FPGA與DSP的組合，使DSP的高速數(shù)據(jù)處理能力與FPGA的高速、復(fù)雜組合邏輯和時(shí)序邏輯控制能力相結(jié)合，結(jié)構(gòu)靈活，有較強(qiáng)的通用性，適于模塊化設(shè)計(jì)，能夠提高算法效率:同時(shí)其開(kāi)發(fā)周期較短，系統(tǒng)易于維護(hù)和擴(kuò)展升級(jí)。上述特點(diǎn)滿足了電弧等離子體溫度高速動(dòng)態(tài)測(cè)量、顯示的要求。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為電弧等離子體溫度測(cè)量系統(tǒng)組成示意圖。
[0024]圖2為電弧發(fā)動(dòng)機(jī)拉伐爾噴口示意圖。
[0025]圖3為聞壓斷路器拉伐爾嗔口不意圖。
[0026]圖4為光纖探測(cè)陣示意圖。
[0027]圖5為光纖探頭安裝示意圖。
[0028]圖6為電弧等離子體溫度計(jì)算流程圖。
[0029]圖7為阿貝爾逆變換示意圖。
[0030]圖8為銅原子和鐵原子特征譜線相對(duì)發(fā)射系數(shù)隨溫度的變化。
【具體實(shí)施方式】
[0031]一種基于光纖傳輸?shù)膰娍陔娀囟确墙佑|測(cè)量系統(tǒng)包括光學(xué)采集處理系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理單元(高速A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理)，還包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示軟件系統(tǒng))；光學(xué)采集處理系統(tǒng)包括光纖探測(cè)陣列、可調(diào)光衰減器、光功分器、波分復(fù)用器；光電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)包括多通道光電探測(cè)器和信號(hào)調(diào)理電路。
[0032]光纖探測(cè)陣列采用二維光纖陣探頭深入到噴口壁面，實(shí)現(xiàn)不同徑向和軸向位置上電弧等離子體的光信號(hào)采集，送至光學(xué)信號(hào)處理器件進(jìn)行光信號(hào)的調(diào)制和處理。其中，絕緣材料制成的光纖探頭與噴口嵌套裝置可靠的連接；光纖探頭前面有自聚焦鏡頭；連接裝置前部設(shè)置有透明石英玻璃，并利用氣密封圈將光通道填充。
[0033]所述光學(xué)信號(hào)處理器件包括多通道可調(diào)光衰減器、光功分器和多通道波分復(fù)用器，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)和不同波長(zhǎng)單色光的分光選擇。同一徑向位置多路光信號(hào)通道，通過(guò)同一個(gè)可調(diào)光衰減器，采用相同光衰減率?？烧{(diào)衰減器通過(guò)光路輸出信號(hào)的閉環(huán)反饋，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)飽和的控制和動(dòng)態(tài)增益平衡的調(diào)節(jié)。光功分器的作用就是將某一位置的入射光分為完全相同的兩束。這兩個(gè)光束，分別經(jīng)過(guò)兩個(gè)多通道波分復(fù)用器進(jìn)行可見(jiàn)光和紅外光波段的分光選擇輸出各兩路的特征波長(zhǎng)單色光，其中兩路λ P λ 2屬于可見(jiàn)光波段，主要針對(duì)電弧核心弧柱區(qū)域弧光放電可見(jiàn)光的特性來(lái)測(cè)量4000Κ以上區(qū)間的溫度，另兩路λ 3，λ 4屬于紅外光波段，主要針對(duì)電弧邊緣高溫?zé)徇吔鐚蛹t外光主導(dǎo)的特性來(lái)測(cè)量4000Κ以下區(qū)間的溫度。上述四路單色光信號(hào)送至光電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)進(jìn)行光電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)化和調(diào)理。
[0034]所述光電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)利用多通道光子探測(cè)器陣列實(shí)現(xiàn)多路特征波長(zhǎng)光子的計(jì)數(shù)，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化后信號(hào)的濾波放大處理。其中，光探測(cè)器采用高性能、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的真空雪崩二極管，是整個(gè)光子計(jì)數(shù)和光電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)。電弧同一位置發(fā)射的四路特征波長(zhǎng)為λ P λ2，λ 3, λ 4的單色光經(jīng)光電轉(zhuǎn)化后輻射強(qiáng)度信號(hào)分別為I1,12,13,14。
[0035]所述數(shù)據(jù)處理單元采用高速A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)光電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)輸出的模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)離散采樣，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣(FPGA)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的時(shí)序控制，利用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)完成光輻射信號(hào)數(shù)據(jù)的高速處理，計(jì)算獲得電弧等離子體各位置的溫度，并通過(guò)USB協(xié)議與計(jì)算機(jī)相互通信，從計(jì)算機(jī)接受指令，將數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)。在線或聯(lián)機(jī)采集的數(shù)據(jù)存在DSP外掛的SDRAM和Flash存儲(chǔ)器中。
[0036]所述電弧等等離子體溫度的計(jì)算方法為:數(shù)據(jù)處理單元只接收到紅外波段兩個(gè)特征波長(zhǎng)λ3、λ 4單色紅外光時(shí)，通過(guò)阿貝爾變換轉(zhuǎn)換，將同一電弧軸向截面不同徑向位置的電弧福射光強(qiáng)線值對(duì)應(yīng)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為徑向光強(qiáng)的點(diǎn)位值對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，再通過(guò)雙波長(zhǎng)光譜相對(duì)強(qiáng)度法，計(jì)算獲得電弧等離子體各位置溫度；當(dāng)所述的數(shù)據(jù)處理單元同時(shí)接收到可見(jiàn)波段兩個(gè)特征波長(zhǎng)λ P λ 2的單色可見(jiàn)光，以及紅外波段兩個(gè)特征波長(zhǎng)λ 3、λ 4單色紅外光時(shí)，只利用可見(jiàn)波段兩個(gè)特征波長(zhǎng)λρ λ 2的單色可見(jiàn)光的光強(qiáng)信息，通過(guò)雙波長(zhǎng)光譜相對(duì)強(qiáng)度法，計(jì)算獲得電弧等離子體各位置溫度。
[0037]計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)合LabVIEW軟件在信號(hào)處理方面的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)了上位機(jī)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件，利用虛擬儀器界面，并且設(shè)計(jì)通信電路，使上位計(jì)算機(jī)與下位機(jī)正常通訊，將采集到的信號(hào)通過(guò)串口傳入上位計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)噴口電弧各個(gè)位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)的各路通道特征波長(zhǎng)單色光輻射強(qiáng)度、溫度數(shù)據(jù)結(jié)果的存儲(chǔ)和動(dòng)態(tài)顯示，并根據(jù)信號(hào)對(duì)應(yīng)的位置信息實(shí)現(xiàn)三維噴口電弧等離子體動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)的建立。
[0038]本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】如下:
[0039]整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)工作流程如圖1所示，包括光學(xué)采集處理系統(tǒng)(光纖探測(cè)陣列、自適應(yīng)可調(diào)衰減器、多路波分復(fù)用器)、光電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)(多通道光子探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路)、數(shù)據(jù)處理單元和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。光學(xué)采集處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光功率調(diào)整和單色特征光分光選擇，光電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)將多路光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并進(jìn)行濾波和信號(hào)方法處理。數(shù)據(jù)處理單元(高速A/D轉(zhuǎn)換電路、FPGA和DSP聯(lián)合結(jié)構(gòu))利用特征波長(zhǎng)的光輻射強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)電弧溫度的計(jì)算，并通過(guò)USB數(shù)據(jù)通信到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理系統(tǒng)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)結(jié)果的顯示和存儲(chǔ)。
[0040]所述的光纖探測(cè)陣列，如圖4-5所示，包括由N個(gè)光纖探頭組成的二維光纖陣、石英玻璃8和橡膠密封圈9，每個(gè)光纖探頭前端位于同一平面上；所述的每個(gè)光纖探頭包括自聚焦透鏡1、光纖保護(hù)套2、光纖芯3、光纖連接套4和密封膠5 ;所述的光纖保護(hù)套2和光纖連接套4由絕緣材料制成，光纖保護(hù)套2通過(guò)密封膠5套接在光纖芯3外部，光纖連接套4的外表面刻有螺紋；光纖連接套4通過(guò)光纖探頭嵌套裝置6與噴口壁面7連接；光纖探頭嵌套裝置6為中空結(jié)構(gòu)，外部刻有螺紋，分別與噴口壁面7、光纖連接套4的內(nèi)螺紋嵌套；每個(gè)光纖探頭前放置有石英玻璃8，石英玻璃8通過(guò)橡膠密封圈9與噴口壁面7嵌套；N為大于I的正整數(shù)。
[0041]光纖探測(cè)陣列接收外部噴口電弧放電發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)過(guò)自適應(yīng)可調(diào)衰減器進(jìn)行光功率調(diào)節(jié)控制，以避免光飽和現(xiàn)象的發(fā)生。同一軸向截面Z=Ztl各個(gè)徑向位置的光信號(hào)通過(guò)同一個(gè)光衰減器，其光衰減率由光強(qiáng)的最大值閉環(huán)反饋控制，以保證同一軸向截面上各路光經(jīng)過(guò)相同的衰減。電弧同一位置采集的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光功分器動(dòng)態(tài)分為等性的兩路子信號(hào)，上述兩路子信號(hào)再經(jīng)波分復(fù)用器后，分成兩路特征波長(zhǎng)為λρ λ2的單色可見(jiàn)光以及特征波長(zhǎng)為λ 3、λ4的單色紅外光，并送至多通道光電探測(cè)器。通道光電探測(cè)器處理后將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的濾波和放大后輸出到高速A/D轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)光輻射強(qiáng)度的離散采樣，得到每個(gè)位置四個(gè)特征波長(zhǎng)光輻射強(qiáng)度的標(biāo)稱(chēng)值分別為I1, I2, I3, I40如果多通道波分復(fù)用器的分光波長(zhǎng)范圍足夠大，可以不經(jīng)過(guò)光功分器的分光直接對(duì)電弧原始光信號(hào)進(jìn)行分光處理。
[0042]運(yùn)用雙波長(zhǎng)相對(duì)強(qiáng)度法計(jì)算等離子體溫度，關(guān)鍵在于選擇合適的特征譜線，其中，可見(jiàn)波段特征譜線應(yīng)該遵循的基本準(zhǔn)測(cè)有:發(fā)射譜線的光譜應(yīng)該具有合適的靈敏度，要求特征譜線的發(fā)射系數(shù)要大；有合適的分辨率，選擇相對(duì)獨(dú)立的譜線；譜線的光譜要有足夠的銳性，帶寬要窄；兩條譜線波長(zhǎng)的區(qū)分度要好。紅外波段特征譜線通常選取兩個(gè)接近的波長(zhǎng)，認(rèn)為兩個(gè)波長(zhǎng)下光發(fā)射率系數(shù)相等，消除發(fā)射率系數(shù)誤差的影響。
[0043]系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的控制部分、緩存以及外圍通訊部分，用FPGA硬件實(shí)現(xiàn)，并由DSP芯片通過(guò)圖6所示的流程圖計(jì)算不同位置電弧等離子體的溫度。
[0044]在進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算之前所獲取的光譜強(qiáng)度都是積分值，無(wú)法直接得到點(diǎn)位的光譜強(qiáng)度(發(fā)射系數(shù)、輻亮度點(diǎn)位值)等物理量信息，由此引出的Abel逆變換是將積分值轉(zhuǎn)化為點(diǎn)位值必不可少的方法。其基本原理如下:
[0045]圖7中，觀察點(diǎn)B的輻射強(qiáng)度值可等效為沿弦ΑΑ’的弧柱內(nèi)部各點(diǎn)輻射強(qiáng)度的積分值。對(duì)于非均勻、柱對(duì)稱(chēng)光學(xué)薄的等離子體，其υ波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度1?，與發(fā)射系數(shù)ε ?的關(guān)系如下:
[0046]
【權(quán)利要求】
1.一種基于光纖傳輸?shù)膰娍陔娀囟确墙佑|測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:包括光學(xué)采集處理系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理單元；光學(xué)采集處理系統(tǒng)包括光纖探測(cè)陣列、可調(diào)光衰減器、光功分器、波分復(fù)用器；光電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)包括多通道光電探測(cè)器和信號(hào)調(diào)理電路；光纖探測(cè)陣列接收外部噴口電弧放電發(fā)出的光信號(hào)，經(jīng)可調(diào)光衰減器動(dòng)態(tài)衰減后送至光功分器；光功分器將衰減后的光纖探測(cè)陣列中的每路光纖采集的光信號(hào)動(dòng)態(tài)分為等性的兩路子信號(hào)，上述兩路子信號(hào)再經(jīng)波分復(fù)用器后，分成兩路特征波長(zhǎng)為λρ λ2的單色可見(jiàn)光以及特征波長(zhǎng)為λ 3、λ 4的單色紅外光，并送至多通道光電探測(cè)器；多通道光電探測(cè)器將輸入進(jìn)來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后送至信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行去噪處理、幅值變化處理后，送至數(shù)據(jù)處理單元；數(shù)據(jù)處理單元通過(guò)阿貝爾變換，將同一電弧軸向截面不同徑向位置的電弧輻射光強(qiáng)線值對(duì)應(yīng)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為徑向光強(qiáng)的點(diǎn)位值對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，再通過(guò)雙波長(zhǎng)光譜相對(duì)強(qiáng)度法，計(jì)算獲得電弧等離子體各位置溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖傳輸?shù)膰娍陔娀囟确墙佑|測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述的光纖探測(cè)陣列包括由N個(gè)光纖探頭組成的二維光纖陣、石英玻璃(8)和橡膠密封圈(9)，每個(gè)光纖探頭前端位于同一平面上；所述的每個(gè)光纖探頭包括自聚焦透鏡(I)、光纖保護(hù)套(2)、光纖芯(3)、光纖連接套(4)和密封膠(5);所述的光纖保護(hù)套(2)和光纖連接套(4)由絕緣材料制成，光纖保護(hù)套(2)通過(guò)密封膠(5)套接在光纖芯(3)外部，光纖連接套(4)的外表面刻有螺紋；光纖連接套(4)通過(guò)光纖探頭嵌套裝置(6)與噴口壁面(7)連接；光纖探頭嵌套裝置(6)為中空結(jié)構(gòu)，外部刻有螺紋，分別與噴口壁面(7)、光纖連接套(4 )的內(nèi)螺紋嵌套；每個(gè)光纖探頭前放置有石英玻璃(8 )，石英玻璃(8 )通過(guò)橡膠密封圈(9 )與噴口壁面(7)嵌套；Ν為大于I的正整數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖傳輸?shù)膰娍陔娀囟确墙佑|測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:當(dāng)所述的數(shù)據(jù)處理單元只接收到紅外波段兩個(gè)特征波長(zhǎng)λ 3、λ 4單色紅外光時(shí)，通過(guò)阿貝爾變換轉(zhuǎn)換，將同一電弧軸向截面不同徑向位置的電弧輻射光強(qiáng)線值對(duì)應(yīng)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為徑向光強(qiáng)的點(diǎn)位值對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，再通過(guò)雙波長(zhǎng)光譜相對(duì)強(qiáng)度法，計(jì)算獲得電弧等離子體各位置溫度；當(dāng)所述的數(shù)據(jù)處理單元同時(shí)接收到可見(jiàn)波段兩個(gè)特征波長(zhǎng)λρ λ2的單色可見(jiàn)光，以及紅外波段兩個(gè)特征波長(zhǎng)λ3、λ 4單色紅外光時(shí)，只利用可見(jiàn)波段兩個(gè)特征波長(zhǎng)λρ λ2的單色可見(jiàn)光的光強(qiáng)信息，通過(guò)雙波長(zhǎng)光譜相對(duì)強(qiáng)度法，計(jì)算獲得電弧等離子體各位置溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖傳輸?shù)膰娍陔娀囟确墙佑|測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述的數(shù)據(jù)處理單元包括AD轉(zhuǎn)換電路、FPGA, DSP ；AD轉(zhuǎn)換電路對(duì)光電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)輸出的模擬信號(hào)動(dòng)態(tài)離散采樣，并轉(zhuǎn)化為光輻射數(shù)字信號(hào)；FPGA對(duì)AD轉(zhuǎn)換電路和DSP進(jìn)行時(shí)序控制，DSP完成光輻射數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)的處理，并通過(guò)USB協(xié)議與外部計(jì)算機(jī)相互通信。
【文檔編號(hào)】G01K11/32GK103884449SQ201410076691
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年3月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月4日
【發(fā)明者】王偉宗, 王思佳, 劉波, 史也, 林晴晴 申請(qǐng)人:中國(guó)空間技術(shù)研究院