[发明专利]基于波长调制光谱的电弧风洞漏水故障诊断测量系统

说明书

基于波长调制光谱的电弧风洞漏水故障诊断测量系统，信号发生模块产生锯齿波和正弦信号的叠加信号，传输给激光控制器，激光控制器调节激光输出模块的波长，激光输出模块输出的激光信号经激光发射模块输出自由激光并通过外部喷管出口的超声速气流，透过超声速气流的激光信号经激光接收模块接收，接收后的激光信号被数据采集模块采集，进行光电转换，将激光信号转换为电信号并送至数据分析模块；数据分析模块对电信号进行实时分析和处理，依据光谱信号强度的变化判定外部电弧加热器的运行是否异常。

技术领域

本发明涉及基于波长调制光谱的电弧风洞漏水故障诊断测量系统，用于电弧风洞面模拟试验，属于飞行器地面气动热试验研究领域。

背景技术

电弧风洞是开展飞行器热防护和防热材料考核的主要地面试验设备，其设备的核心是电弧加热器和喷管。其通过电弧加热器产生飞行器再入的高温环境，利用喷管加速获得飞行器再入的超声速来流环境。由于飞行器的严苛热环境，电弧加热器和喷管长期承受高焓、高热流、高压的热状态，设备本身必须采用内流道循环冷却设备才能保证设备正常运行。电弧加热器和喷管如果发生漏水情况，冷却水会破坏设备运行，烧损设备，同时破坏飞行器防热材料模型，造成设备和试验进度损失,关于电弧风洞漏水故障的诊断是开展相关气动热地面试验的重中之重。目前，关于电弧加热器的故障诊断，国内外开展了各种尝试，国外通过电弧加热器设备本身运行参数的异常进行分析，但是由于设备运行参数的反应延迟，无法有效、快速的进行漏水判定。本研究室发展了基于发射光谱和吸收光谱的诊断方法，通过直接测量漏水过程中引入的水蒸气和氢原子判定设备漏水，并实际应用于设备工程应用，取得了较好的效果。目前，有必要进一步提升光谱诊断方法的测量极限和诊断准确性，同时不局限于对电弧加热器的漏水判定，同时拓展到对喷管漏水故障的判定，从而实现更加准确、全面的判定电弧风洞运行状态。

发明内容

本发明的技术解决问题：通过波长调制光谱测量电弧风洞喷管出口超声速气流中水蒸气的2f二次谐波信号，实时判定电弧加热器和喷管漏水情况，提升对超声速气流中水蒸气含量的测量能力，为电弧风洞安全运行提供更加准确的监测手段。

本发明的技术方案：基于波长调制光谱的电弧风洞漏水故障诊断测量系统，包括：信号发生模块、激光控制器、激光输出模块、激光发射模块、光学测量片、激光接收模块、数据采集模块和数据分析模块；

所述光学测量片安装在喷管出口，且光学测量片与喷管出口平齐安装，光学测量片的发射端和接收端安装激光发射模块和激光接收模块；

信号发生模块产生频率f2的锯齿波和频率f1的正弦信号的叠加信号，传输给激光控制器，激光控制器调节激光输出模块的波长，激光输出模块输出的激光信号经激光发射模块输出自由激光并通过外部喷管出口的超声速气流，所述超声速气流由外部电弧加热器对进入的试验介质进行加热，再经外部喷管膨胀加速后在外部喷管的出口形成；所述f1＞f2；

透过超声速气流的激光信号经激光接收模块接收，接收后的激光信号被数据采集模块采集，进行光电转换，将激光信号转换为电信号并送至数据分析模块；数据分析模块对电信号进行实时分析和处理，依据光谱信号强度的变化判定外部电弧加热器的运行是否异常。

优选的，所述数据分析模块判定外部电弧加热器的运行是否异常的具体过程为：

1)获得所述电信号的单周期信号；

2)对上述电信号单周期信号进行二次谐波分析，获得所述超声速气流中的水蒸气的2f信号；

3)选取所述2f信号中水蒸气中心波长位置的2f信号强度值，获得所述中心波长位置2f信号强度值随时间变化的曲线；

当所述中心波长位置2f信号强度值维持在一个预设的稳定范围内时，判定外部电弧加热器设备运行正常；当所述中心波长位置2f信号强度值突然增加，并连续N个周期均超过设定阈值A2，说明外部电弧加热器漏水，判定设备运行异常并关停设备。