可調(diào)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(nèi), 真空環(huán)境下該技術(shù)的應(yīng)用研究較少。空間真空環(huán)境由于壓力極低, 傳統(tǒng)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(zhuǎn)溫度的可能性和精度。同時(shí)以C2H2 分子1535.393 nm 和1535.432 nm 兩條吸收譜線為例, 分析了TDLAS 技術(shù)測量氣體分子振- 轉(zhuǎn)溫度的方法和精度。分析結(jié)果表明即使壓力達(dá)到1.0×10^-3Pa, 如果在實(shí)驗(yàn)中選取吸收強(qiáng)度大的譜線對(duì), 同時(shí)增加有效吸收光程, 可以得到比較理想的吸收信號(hào), 實(shí)現(xiàn)氣體分子振- 轉(zhuǎn)溫度的測量。

　　隨著我國航天技術(shù)、飛行器再入技術(shù)的發(fā)展, 真空環(huán)境試驗(yàn)、特別是航天器真空熱試驗(yàn)成為一項(xiàng)非常重要的試驗(yàn)驗(yàn)證工作, 其中真空環(huán)境下某些基本參數(shù)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(yàn)中溫度的測量基本上還是采用傳統(tǒng)的接觸式測溫技術(shù), 其中熱電偶溫度測量系統(tǒng)應(yīng)用十分普遍, 但隨著航天科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 傳統(tǒng)的熱電偶測溫技術(shù)存在著一定的局限性[ 2], 如高真空環(huán)境會(huì)導(dǎo)致溫度傳感器的表面解吸、不同氣體組分導(dǎo)致傳感器的熱響應(yīng)改性; 熱電勢信號(hào)較小, 當(dāng)信號(hào)采集處理單元安裝在真空室外, 連接測量點(diǎn)和信號(hào)處理單元間的熱偶電纜比較長, 噪聲會(huì)對(duì)高精度的測量產(chǎn)生不利影響。

　　另外, 由于真空熱試驗(yàn)的溫度場比較復(fù)雜, 測量線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(yàn)中需要的熱電偶數(shù)量龐大, 不僅給試驗(yàn)帶來困難, 而且熱電偶線的熱損失也會(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(duì)流、熱傳導(dǎo)和輻射三種, 但是在真空狀態(tài)( < 10 Pa) 下, 對(duì)流和熱傳導(dǎo)的作用非常微小, 此時(shí)對(duì)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(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)( 分別對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)溫度) 的熱運(yùn)動(dòng)情況, 可事實(shí)情況卻是: 熱電偶的校準(zhǔn)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(yùn)動(dòng)的劇烈程度。上述現(xiàn)象表明: 當(dāng)采用常壓下標(biāo)定的熱電偶測量真空環(huán)境的溫度存在著不可預(yù)知的問題, 因此發(fā)展先進(jìn)的、準(zhǔn)確的、有效的空間真空環(huán)境下溫度測量技術(shù)有著明確的、長遠(yuǎn)的、重大的民用和軍事應(yīng)用背景。

　　基于上述原因, 考慮可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS) 可以測量氣體分子振-轉(zhuǎn)溫度、且分子振-轉(zhuǎn)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(yīng)用到空間真空環(huán)境下溫度的測量, 并根據(jù)測量得到的振-轉(zhuǎn)溫度驗(yàn)證傳統(tǒng)接觸式測溫技術(shù)的可靠性和精度。為此, 本文通過選擇合理的氣體分子( C2H2 分子) 吸收譜線, 通過數(shù)值模擬技術(shù)分析和計(jì)算了TDLAS 技術(shù)測量極低壓力環(huán)境下氣體分子振-轉(zhuǎn)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(jì)六七十年代以來, 隨著激光和光電子技術(shù)的發(fā)展以及半導(dǎo)體激光器與光纖元件大規(guī)模商用化, TDLAS 技術(shù)得到迅速發(fā)展。尤其是上世紀(jì)80年代J. Reid將波長調(diào)制光譜(WMS) 技術(shù)引入到TDLAS 測量系統(tǒng)中以來, 科研工作者通過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(xiàn)了多種環(huán)境下氣體分子振-轉(zhuǎn)溫度的在線測量。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(nèi), 而關(guān)于高真空環(huán)境( 1.0 Pa 以下) 下氣體溫度測量的報(bào)道很少, 其主要原因在于: 目前TDLAS技術(shù)主要針對(duì)具體的工程應(yīng)用, 而工程應(yīng)用中一般很少涉及到極低壓力環(huán)境; 另外,TDLAS 技術(shù)是通過分析氣體對(duì)激光的吸收情況得到氣體分子的振-轉(zhuǎn)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(hào)很弱而不利于實(shí)驗(yàn)測量。但近幾年來,隨著實(shí)驗(yàn)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(jié)

　　本文針對(duì)傳統(tǒng)的接觸式測溫技術(shù)在極低壓力環(huán)境下存在的問題, 初步提出并分析了TLDAS 測溫技術(shù)在空間真空環(huán)境下應(yīng)用的可能性, 并以C2H2 分子1535.393 nm 和1535.432 nm 兩條吸收譜線為例, 分析和計(jì)算了TDLAS 技術(shù)測量氣體分子振-轉(zhuǎn)溫度的精度。另外, 考慮到極低壓力環(huán)境下氣體分子對(duì)激光吸收較弱的問題, 本文擬采用離軸積分腔光譜技術(shù)增大譜線的吸收強(qiáng)度, 計(jì)算結(jié)果表明: 即使壓力小于1.0 Pa, 如果在實(shí)驗(yàn)中選取吸收強(qiáng)度大的譜線對(duì),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(hào), 實(shí)現(xiàn)氣體分子振-轉(zhuǎn)溫度的測量。與此同時(shí), 為驗(yàn)證傳統(tǒng)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(yàn)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(zhǔn)技術(shù)。