基于分子吸收光谱的动态压力高时间分辨率、高精度测量方法研究

Traceable dynamic pressure measurement has always been an international problem in the field of dynamic measurement. Up to date, there is no pressure sensor that able to provide traceable measurements of dynamic pressure. There is only Russia and France established the national standard of dynamic pressure in the world, but all of them still did not solve the problem of direct traceable measurement of dynamic pressure generated by the used shock tube standard device. In view of the problem of dynamic pressure measurement, the proposal plan to carry out dynamic pressure measurement based on molecular absorption spectroscopy. Based on the mechanism of the transient response of micro-level molecule to the pressure, the information of molecular transients response to pressure was obtained, non-contact, non-destructive and real-time, from the molecular absorption spectroscopy as a result of photons and molecules interaction. High time resolution (100kHz), high precision (1%) measurement of dynamic pressure is achieved via high-speed, periodic scanning the laser wavelength. This will solve the key scientific issues of traceable dynamic pressure measurement. This will also enhance China's dynamic pressure research level, promote the establishment schedule of China's national standard of dynamic pressure, and offer services for developing of the field that involving dynamic pressure, such as aviation, aerospace, high-speed rail, engine and so on, healthily.

动态压力的测量及溯源问题一直是困扰动态计量领域的一个国际性难题，当前还没有一种压力传感器能实现动态压力的溯源测量，国际上仅有俄罗斯和法国建立了动态压力国家标准，但两国都仍然没有解决所用激波管标准装置的动态压力直接测量溯源问题。针对动态压力测量这一国际性难题，本项目拟开展基于分子吸收光谱的动态压力测量方法研究。项目从分子（量子）微观层面对压力的瞬态响应机制出发，通过光子与分子的相互作用，以分子吸收光谱的形式，非接触、非破坏的实时在线获取微观层面的分子对压力的瞬态响应信息，并通过高速周期性扫描激光波长，实现动态压力的高时间分辨率（100kHz）、高精度（1%）测量，从而解决动态压力测量及溯源的关键科学问题，提升我国动态压力领域的研究水平，推动我国建立动态压力国家标准的进程，为涉及动态压力的航空、航天、高铁、发动机等领域的健康发展提供服务。

本项目针对传统的机械接触式压力传感器存在响应时间慢、高频振荡等技术瓶颈，难于实现动态压力测量和直接测量溯源的国际性难点问题，开展基于分子吸收光谱的动态压力测量方法研究。意在通过非接触光学测量手段，实现动态压力的高时间分辨率测量，解决动态压力测量和溯源等问题。.项目围绕吸收光谱压力测量这一核心问题，基于分子光谱理论，系统分析研究了H2O、CO2、CH4和CO分子在不同温度、压力下的吸收光谱特性，获得了这些分子吸收光谱与压力、温度的相互关系。通过高温、高压光谱测量平台，开展了基于H2O、CO2、CH4分子吸收光谱的压力测量研究，最高测量压力达到70atm，最快测量速度达到100kHz，实现了预期的10μs测量时间分辨率目标，测量精度在3%之内。在50μs测量时间分辨率下，测量精度优于1%，实现了预期的1%测量精度目标。这些研究结果为后期进一步开展吸收光谱快速测量动态压力和溯源提供了很好的基础和参考，可为航空动力、发动机等燃烧动力设备的动态压力高速非接触测量提供技术支持，尤其是高温环境下，可解决接触式压力传感器耐温受限的问题，通过光谱手段，实现非接触测量高温恶劣环境的压力信息。.本项目共发表学术论文5篇，其中SCI 收录4篇，培养5位研究生，其中2位博士研究生和1位硕士研究生已经顺利毕业，1位博士研究生获得了中科院院长奖，硕士毕业生获得了省优秀毕业生称号。依托本项目取得的研究基础成果，得到了国家有关项目的支持，研制相关的测量设备，实现了基础研究成果应用于国家重大需求。