基于TDLAS技術(shù)的空間真空環(huán)境下溫度測量技術(shù)研究
可調諧二極管激光吸收光譜( TDLAS) 技術(shù)可用于氣體溫度的高精度快速測量, 但目前TDLAS 技術(shù)研究一般集中在正壓范圍內, 真空環(huán)境下該技術(shù)的應用研究較少�？臻g真空環(huán)境由于壓力極低, 傳統的接觸式溫度測量技術(shù)存在眾多不確定性因素。本文從熱力學(xué)溫度定義出發(fā), 提出并分析了TDLAS 技術(shù)測量空間真空環(huán)境下痕量氣體分子振- 轉溫度的可能性和精度。同時(shí)以C2H2 分子1535.393 nm 和1535.432 nm 兩條吸收譜線(xiàn)為例, 分析了TDLAS 技術(shù)測量氣體分子振- 轉溫度的方法和精度。分析結果表明即使壓力達到1.0×10-3Pa, 如果在實(shí)驗中選取吸收強度大的譜線(xiàn)對, 同時(shí)增加有效吸收光程, 可以得到比較理想的吸收信號, 實(shí)現氣體分子振- 轉溫度的測量。
隨著(zhù)我國航天技術(shù)、飛行器再入技術(shù)的發(fā)展, 真空環(huán)境試驗、特別是航天器真空熱試驗成為一項非常重要的試驗驗證工作, 其中真空環(huán)境下某些基本參數的測量尤其是溫度的測量成為上述研究的關(guān)鍵測試技術(shù)。但是到目前為止, 航天器真空熱試驗中溫度的測量基本上還是采用傳統的接觸式測溫技術(shù), 其中熱電偶溫度測量系統應用十分普遍, 但隨著(zhù)航天科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 傳統的熱電偶測溫技術(shù)存在著(zhù)一定的局限性[ 2], 如高真空環(huán)境會(huì )導致溫度傳感器的表面解吸、不同氣體組分導致傳感器的熱響應改性; 熱電勢信號較小, 當信號采集處理單元安裝在真空室外, 連接測量點(diǎn)和信號處理單元間的熱偶電纜比較長(cháng), 噪聲會(huì )對高精度的測量產(chǎn)生不利影響。
另外, 由于真空熱試驗的溫度場(chǎng)比較復雜, 測量線(xiàn)的材料和工藝如得不到正確的處理, 就會(huì )有附加熱電勢的干擾。與此同時(shí), 航天器真空熱試驗中需要的熱電偶數量龐大, 不僅給試驗帶來(lái)困難, 而且熱電偶線(xiàn)的熱損失也會(huì )降低溫度測量的精度。而從物理角度分析, 在高真空環(huán)境下采用熱電偶測量溫度存在著(zhù)諸多不確定性因素, 如在壓力較大情況下, 傳熱方式主要有對流、熱傳導和輻射三種, 但是在真空狀態(tài)( < 10 Pa) 下, 對流和熱傳導的作用非常微小, 此時(shí)對工件、熱電偶起升溫作用的主要是輻射, 而輻射反映的是分子轉動(dòng)和振動(dòng)( 分別對應轉動(dòng)和振動(dòng)溫度) 的熱運動(dòng)情況, 可事實(shí)情況卻是: 熱電偶的校準工作一般是在常壓下進(jìn)行, 此時(shí)熱電偶測量的溫度為平動(dòng)溫度( 即經(jīng)典熱力學(xué)溫度) , 其溫度高低反映了分子熱運動(dòng)的劇烈程度。上述現象表明: 當采用常壓下標定的熱電偶測量真空環(huán)境的溫度存在著(zhù)不可預知的問(wèn)題, 因此發(fā)展先進(jìn)的、準確的、有效的空間真空環(huán)境下溫度測量技術(shù)有著(zhù)明確的、長(cháng)遠的、重大的民用和軍事應用背景。
基于上述原因, 考慮可調諧二極管激光吸收光譜(TDLAS) 可以測量氣體分子振-轉溫度、且分子振-轉溫度與平動(dòng)溫度時(shí)刻保持平衡的特點(diǎn), 本文力求將TDLAS 技術(shù)應用到空間真空環(huán)境下溫度的測量, 并根據測量得到的振-轉溫度驗證傳統接觸式測溫技術(shù)的可靠性和精度。為此, 本文通過(guò)選擇合理的氣體分子( C2H2 分子) 吸收譜線(xiàn), 通過(guò)數值模擬技術(shù)分析和計算了TDLAS 技術(shù)測量極低壓力環(huán)境下氣體分子振-轉溫度的可行性和精度, 為空間真空環(huán)境下溫度測量提供新的測試手段和理論支持。
TDLAS 測溫原理
自上世紀六七十年代以來(lái), 隨著(zhù)激光和光電子技術(shù)的發(fā)展以及半導體激光器與光纖元件大規模商用化, TDLAS 技術(shù)得到迅速發(fā)展。尤其是上世紀80年代J. Reid將波長(cháng)調制光譜(WMS) 技術(shù)引入到TDLAS 測量系統中以來(lái), 科研工作者通過(guò)諧波檢測手段極大地提高了TDLAS 技術(shù)的測量精度和靈敏度, 實(shí)現了多種環(huán)境下氣體分子振-轉溫度的在線(xiàn)測量。盡管TDLAS 技術(shù)在氣體溫度測量中取得了重大進(jìn)展, 但目前的研究一般集中在1.0~ 1000 kPa壓力范圍內, 而關(guān)于高真空環(huán)境( 1.0 Pa 以下) 下氣體溫度測量的報道很少, 其主要原因在于: 目前TDLAS技術(shù)主要針對具體的工程應用, 而工程應用中一般很少涉及到極低壓力環(huán)境; 另外,TDLAS 技術(shù)是通過(guò)分析氣體對激光的吸收情況得到氣體分子的振-轉溫度, 但在高真空環(huán)境下, 氣體分子密度很小, 使得吸收信號很弱而不利于實(shí)驗測量。但近幾年來(lái),隨著(zhù)實(shí)驗水平的進(jìn)步, 尤其是光學(xué)諧振腔技術(shù)的發(fā)展, 使得測量高真空環(huán)境下氣體溫度成為可能。
總結
本文針對傳統的接觸式測溫技術(shù)在極低壓力環(huán)境下存在的問(wèn)題, 初步提出并分析了TLDAS 測溫技術(shù)在空間真空環(huán)境下應用的可能性, 并以C2H2 分子1535.393 nm 和1535.432 nm 兩條吸收譜線(xiàn)為例, 分析和計算了TDLAS 技術(shù)測量氣體分子振-轉溫度的精度。另外, 考慮到極低壓力環(huán)境下氣體分子對激光吸收較弱的問(wèn)題, 本文擬采用離軸積分腔光譜技術(shù)增大譜線(xiàn)的吸收強度, 計算結果表明: 即使壓力小于1.0 Pa, 如果在實(shí)驗中選取吸收強度大的譜線(xiàn)對,同時(shí)增加有效吸收光程, 也可以得到比較理想的吸收信號, 實(shí)現氣體分子振-轉溫度的測量。與此同時(shí), 為驗證傳統熱電偶測溫技術(shù)在空間真空環(huán)境下測量溫度的可靠性和精度, 實(shí)驗中擬將TDLAS 測量得到的氣體分子振-動(dòng)溫度與熱電偶測量的溫度進(jìn)行比較, 分析二者之間的誤差, 建立一種空間真空環(huán)境下溫度測量與校準技術(shù)。
