基于波长调制光谱技术的真空环境下温度测量方法

摘要

基于波长调制光谱技术的真空环境下温度测量方法，属于可调谐激光二极管吸收光谱技术领域。该方法基于波长调制光谱技术利用高频正弦波、低频三角波和低频方波对激光器进行调制，使选择的两条测温谱线分别出现在方波信号的高电平处和低电平处，三角波实现谱线扫描，实验测量得到两条谱线的二次谐波信号比值，并将其与理论计算值进行比较确定气体分子的转动温度，由于转动温度与平动温度(经典热力学温度)时刻保持平衡，从而可以实现气体温度测量。该方法解决了目前接触式温度传感器在真空环境下应用所遇到的表面材料解析、温度溯源性问题。

主权项

1.一种基于波长调制光谱技术的真空环境下温度测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1)确定测量气体介质，从HITRAN光谱数据库中选择该气体介质的两条特征谱线对，其中心频率分别为ν₀₁和ν₀₂；2)以可调谐半导体激光器(6)为光源，调节激光控制器(5)的温度及电流，使可调谐半导体激光器(6)的输出频率稳定在频率ν₀处，并用波长计(7)进行标定和监测；3)将第一信号发生器(1)产生的低频方波、第二信号发生器(2)产生的低频三角波和锁相放大器(3)产生的高频正弦波经过加法器(4)叠加后输入激光控制器(5)，驱动可调谐半导体激光器(6)产生的激光分别在频率ν₀₁和ν₀₂处发生扫描和调制，并使中心频率为ν₀₁和中心频率为ν₀₂的两条谱线分别出现在方波的高电平处和低电平处；4)将测量气体介质充入真空腔(8)内，由压力传感器(12)对真空腔压力进行测量；将扫描和调制的激光准直后透过真空腔(8)一端的透射镜(9)到达真空腔另一端反射镜(10)，反射后由光电探测器(11)接收，光电探测器(11)输出信号连接至数字示波器(13)进行显示并输入锁相放大器(3)进行二次谐波信号检测；5)将锁相放大器(3)输出的二次谐波信号通过数据采集卡(14)采集后，输入到计算机数据采集与处理系统(15)，该计算机数据采集与处理系统对数据进行如下处理：a.根据下列公式计算得到二次谐波峰值比RR与温度T函数曲线；式中S_2f-peak-1和S_2f-peak-2分别为两条特征谱线对的二次谐波峰值；和分别为两条特征谱线对的光强；与分别为两条特征谱线对的线型函数，S₁(T)和S₂(T)分别为两条特征谱线对的线强度，其大小决定于环境温度T，θ∈[-π，π]；b.利用软件程序得到步骤1）中的两条特征谱线对的各自中心频率处二次谐波峰值，并计算峰值比值RR；c.根据二次谐波峰值比值RR与温度T函数曲线得到真空环境温度T。