【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及氣體溫度測量，具體地說，涉及一種基于激光光學(xué)技術(shù)的氣體溫度測量系統(tǒng)及方法。
技術(shù)介紹
1、現(xiàn)有的氣體溫度測量技術(shù)，如熱電阻或熱電偶需要將傳感器插入待測氣流中，該技術(shù)無法測量旋轉(zhuǎn)葉片之間的氣流溫度；由于響應(yīng)頻率較低，響應(yīng)時(shí)間較長，現(xiàn)有技術(shù)也無法測量高速波動變化的氣流溫度；傳統(tǒng)的接觸式溫度測量方法(如熱電偶、熱電阻等)可能無法在高溫、高壓或危險(xiǎn)環(huán)境下安全使用，接觸式傳感器可能會對被測物體產(chǎn)生干擾，改變其物理狀態(tài)，容易受到電磁干擾、振動等因素的影響，導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，提供一種基于激光光學(xué)技術(shù)的氣體溫度測量系統(tǒng)及方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的在于提供基于激光光學(xué)技術(shù)的氣體溫度測量系統(tǒng)及方法，以解決上述
技術(shù)介紹
中提出的響應(yīng)速度慢、接觸式測量限制、測量精度受限的問題。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，一方面，本專利技術(shù)目的在于提供了一種基于激光光學(xué)技術(shù)的氣體溫度測量系統(tǒng)，包括：
3、發(fā)射單元，所述發(fā)射單元用于發(fā)射激光并產(chǎn)生干涉區(qū)域，使信號光的光強(qiáng)產(chǎn)生波動；
4、接收單元，所述接收單元被放置于反射出來的信號光光路上，用于接收信號光的光強(qiáng)變化；
5、模數(shù)單元，所述模數(shù)單元轉(zhuǎn)換接收單元輸出的電壓信號并進(jìn)行存儲；
6、信號處理單元，所述信號處理單元對數(shù)據(jù)信號序列進(jìn)行快速傅里葉變換，獲得信號的波動變化頻率并生成標(biāo)定系數(shù)，并在標(biāo)定系數(shù)的生成過程中引入空氣中顆粒物濃度和氣流擾動參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，用于減少外部環(huán)境對信號的影響，基于標(biāo)
7、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述發(fā)射單元包括泵浦激光發(fā)射模塊、反射模塊和信號光激光發(fā)射模塊；
8、其中，泵浦激光發(fā)射模塊將激光分為兩束，經(jīng)過反射模塊后，兩束激光平行進(jìn)入聚焦模塊并進(jìn)行匯聚，形成干涉條紋；信號光激光發(fā)射模塊提供連續(xù)的激光信號，用于和泵浦激光發(fā)射模塊形成的干涉條紋相互作用來調(diào)制信號光的強(qiáng)度。
9、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述反射模塊通過控制激光束的方向和兩束激光之間的光程差，用于確保兩束激光在進(jìn)入聚焦模塊前保持平行。
10、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述模數(shù)單元包括轉(zhuǎn)換模塊和存儲模塊；
11、其中，轉(zhuǎn)換模塊用于將接收單元輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；
12、存儲模塊用于將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行存儲。
13、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述信號處理單元對數(shù)據(jù)信號序列進(jìn)行快速傅里葉變換，獲得信號的波動變化頻率，包括以下步驟：
14、s1.1、計(jì)算頻域信號，并構(gòu)建包含信號的衰減特性、非線性效應(yīng)參數(shù)的模型來描述信號的特性，用于優(yōu)化快速傅里葉變換進(jìn)行信號處理的過程：
15、
16、其中，k表示頻率分量的索引，k＝0，1，…，n-1；n表示信號長度；x[k]表示頻域信號；i(tn)表示構(gòu)建的包含信號的衰減特性、非線性效應(yīng)參數(shù)的模型；n表示信號序列中的索引；j表示虛數(shù)單位；
17、s1.2、得到頻域信號x[k]后，使用采樣頻率fs計(jì)算每個(gè)頻率分量k對應(yīng)的頻率fk：
18、
19、s1.3、選擇頻域信號x[k]中具有較大幅度的頻率分量作為波動變化頻率fosc。
20、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述s1.1中，構(gòu)建包含信號的衰減特性、非線性效應(yīng)參數(shù)的模型具體為：
21、
22、其中，i(t)表示信號光的強(qiáng)度隨時(shí)間變化的函數(shù)；a表示信號光的初始強(qiáng)度；α表示衰減系數(shù)；β表示非線性效應(yīng)的幅度；ω表示非線性效應(yīng)的角頻率；表示非線性效應(yīng)的相位；t表示時(shí)間。
23、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述生成標(biāo)定系數(shù)，包括以下步驟：
24、s2.1、選擇已知溫度d下的氣體作為標(biāo)定參考，記錄該氣體在該溫度下產(chǎn)生的信號序列；
25、s2.2、在不同的溫度條件下收集信號序列，每個(gè)溫度條件對應(yīng)一組信號序列；
26、s2.3、對每組信號序列執(zhí)行快速傅里葉變換，得到對應(yīng)的頻域信號x[k]；
27、s2.4、分析不同溫度條件下的信號頻率成分，尋找頻率分量與溫度之間的關(guān)系，并建立數(shù)學(xué)模型來描述這種關(guān)系；
28、s2.5、使用最小二乘法來擬合模型參數(shù)，通過調(diào)整模型參數(shù)使得預(yù)測的溫度與實(shí)際溫度盡可能接近；
29、s2.6、得到一組標(biāo)定系數(shù)用于將頻率分量映射到實(shí)際的溫度值。
30、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述s2.4中，建立的數(shù)學(xué)模型具體為：
31、
32、其中，t表示氣體的溫度；fosc表示頻率分量的幅度；b表示截距項(xiàng)的系數(shù)；c表示頻率分量fosc對溫度t的影響系數(shù)；
33、引入空氣中顆粒物濃度和氣流擾動參數(shù)優(yōu)化建立的數(shù)學(xué)模型，用于減少外部環(huán)境對信號的影響，具體為：
34、
35、其中，t1表示引入空氣中顆粒物濃度和氣流擾動參數(shù)后的氣體溫度；p表示顆粒物濃度；d表示氣流擾動；kp表示空氣中顆粒物濃度的影響系數(shù)；kd表示氣流擾動的影響系數(shù)。
36、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，s2.5中，使用最小二乘法來擬合模型參數(shù)具體為：
37、s3.1、定義殘差函數(shù)ri，其表示模型預(yù)測值與實(shí)際值之間的差異：
38、ri＝ti-tpr(b，c，kp，kd，fo，i)
39、其中，ti表示第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的實(shí)際溫度，tpr(b，c，kp，kd，fo，i)表示模型預(yù)測的溫度值；fo，i表示第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的波動頻率；
40、s3.2、定義目標(biāo)函數(shù)e，其表示所有殘差平方和的總和：
41、
42、s3.3、選擇截距項(xiàng)系數(shù)的初始值b0、頻率分量fosc對溫度t的影響系數(shù)初始值c0、空氣中顆粒物濃度的影響系數(shù)初始值kp0、氣流擾動的影響系數(shù)初始值kd0；
43、s3.4、使用高斯-牛頓法逐步調(diào)整截距項(xiàng)系數(shù)b、頻率分量fosc對溫度t的影響系數(shù)c、空氣中顆粒物濃度的影響系數(shù)kp、氣流擾動的影響系數(shù)kd的值，直到目標(biāo)函數(shù)e達(dá)到最小值；
44、s3.5、當(dāng)目標(biāo)函數(shù)e的變化小于閾值u時(shí)，停止迭代并檢查模型預(yù)測的溫度與實(shí)際溫度之間的差異是否在可接受范圍內(nèi)。
45、另一方面，本專利技術(shù)提供了一種基于激光光學(xué)技術(shù)的氣體溫度測量方法，基于上述的基于激光光學(xué)技術(shù)的氣體溫度測量系統(tǒng)，包括如下步驟：
46、s4.1、通過發(fā)射激光并產(chǎn)生干涉區(qū)域，使信號光的光強(qiáng)產(chǎn)生波動；
47、s4.2、通過反射回來的信號光接收信號光的光強(qiáng)變化；
48、s4.3、將光強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)換成電壓信號再轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號并進(jìn)行存儲；
49、s4.4、對數(shù)據(jù)信號序列進(jìn)行快速傅里葉變換，獲得信號的波動變化頻率并生成標(biāo)定系數(shù)，基于標(biāo)定系數(shù)和波動頻率計(jì)算氣體溫度。
50、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的有益效果：
51、1、該基本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種基于激光光學(xué)技術(shù)的氣體溫度測量系統(tǒng)，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光光學(xué)技術(shù)的氣體溫度測量系統(tǒng)，其特征在于：所述發(fā)射單元(1)包括泵浦激光發(fā)射模塊、反射模塊和信號光激光發(fā)射模塊；
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于激光光學(xué)技術(shù)的氣體溫度測量系統(tǒng)，其特征在于：所述反射模塊通過控制激光束的方向和兩束激光之間的光程差，用于確保兩束激光在進(jìn)入聚焦模塊前保持平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光光學(xué)技術(shù)的氣體溫度測量系統(tǒng)，其特征在于：所述模數(shù)單元(3)包括轉(zhuǎn)換模塊和存儲模塊；
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光光學(xué)技術(shù)的氣體溫度測量系統(tǒng)，其特征在于：所述信號處理單元(4)對數(shù)據(jù)信號序列進(jìn)行快速傅里葉變換，獲得信號的波動變化頻率，包括以下步驟：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于激光光學(xué)技術(shù)的氣體溫度測量系統(tǒng)，其特征在于：所述S1.1中，構(gòu)建包含信號的衰減特性、非線性效應(yīng)參數(shù)的模型具體為：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于激光光學(xué)技術(shù)的氣體溫度測量系統(tǒng)，其特征在于：所述生成標(biāo)定系數(shù)，包括以下步驟：
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