CN103411727B - 用于压气机压力测量的光纤压力传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于压气机压力测量的光强式与光栅式混合光纤压力传感器及其测量方法，光强光纤垂直照射到弹性应变片中心，并由两组接收光纤接收反射光，通过两组接收光纤的光强比值计算弹性应变片的偏移距离；测温光栅光纤水平固定在筒状金属外壳内侧测量工作环境温度，用以进行温度补偿。本发明采用弹性应变片作为敏感元件，应用非接触式光强光纤作为测量元件，这种方式可有效的提高压力测量的精度，降低安装及信号接收的复杂度。与此同时，本发明采用光栅光纤直接测量传感器所处环境温度，通过温度补偿实现对压力的精确测量，充分应用了光纤传感器结构简单、体积小、重量轻、抗干扰能力强并且精度高的优点。

Description

用于压气机压力测量的光纤压力传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及发动机压力测量的光纤传感器技术领域，具体为一种用于压气机压力测量的光强式与光栅式混合光纤压力传感器及其测量方法。

背景技术

传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，成为80年代中期以来国际市场上最走俏的产品之一。近些年来，在力、热、电压、磁、气、湿、光七大类传感器中尤其以光传感器中的光纤传感器倍受青睐。

压气机是航空发动机的核心部件之一，其工作状态对整个发动机的正常运行有着重要作用。而高压比的压气机既是军用航空发动机的发展趋势所需，又是航空发动机中易发生故障的部件，并且一般情况下，压比越高，越容易发生喘振。如果压气机不能正常工作以至于发生喘振，将可能导致叶片断裂、结构损坏、燃烧室超温和发动机熄火等严重故障，因此对其进行实时监控是必要的。而在众多参数的监控中，稳态压力和动态压力的测量又是其中的重点和难点。光纤压力传感器相比于常规压力传感器，其对应变、温度、位移等有更高的灵敏度，同时又具有体积小、重量轻、抗腐蚀、抗电磁干扰等优点。因此应用光纤传感器对压气机压力进行测量，为压气机压力可靠精确测量提供了一种解决方式。此外，在高精度测量的同时解决温度补偿问题也是光纤压力传感器实用化中的关键问题。

北京长城计量测试技术研究所的张立哲等人发明了一种具有温度补偿功能的光纤光栅拉压力传感器（中国专利101586994，2009年11月25日）,这种传感器共有九个短周期光纤光栅，其中八个短周期光纤光栅两个一组以90度的间隔垂向安装在弹性元件圆周上，另外一个光栅作为温度补偿使用。这种传感器对压力的测量是接触式的，需要将光纤安装在弹性膜片上，这就可能给光纤信号的接收带来困难，同时也使弹性 膜片的安装和更换变得复杂；与此同时，如果安装在弹性元件上的某一根光纤发生故障，将不得不对整个膜片和光纤进行更换；另外，由于光纤光栅因其机械性能差、灵敏度不高，特别是压力灵敏度较低，量程较小，因此限制了它在很多方面的应用，尤其是航空发动机压气机压力的测量。因此进一步开展非接触式的反射式光强压力传感器也成为光纤压力传感器的一个发展方向。并且，目前国内还没有应用于工程实践的非接触式光强光纤压力测量和光栅光纤温度补偿的混合式光纤压力传感器，所以在这方面理论和技术还很薄弱，需要进一步深入研究。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种用于压气机压力测量的光强式与光栅式混合光纤压力传感器及其测量方法。

技术方案

一种用于压气机压力测量的光强式与光栅式混合光纤压力传感器，其特征在于包括圆形弹性应变片1、筒状金属封装外壳2、光纤探头3、测温光栅光纤7；在筒状金属封装外壳2顶部密封固定圆形弹性应变片1，在筒状金属封装外壳3的另一端设有通孔，光纤探头4置于筒状金属封装外壳2的真空腔内，并通过通孔引出发射和接收光纤；测温光栅光纤7设置在筒状金属封装外壳3的真空腔的内壁上；所述光纤探头3上的发射和接收光纤的排布为：光纤的中心为一根发射光纤4，发射光纤的外围设有六根接收光纤形成第一组接收光纤5，第一组接收光纤6的外围设有十二根接收光纤形成第二组接收光纤6；所述测温光栅光纤7上设有信号输出连接线。

所述的圆形弹性应变片1的边缘与筒状金属封装外壳2的顶端之间通过紧固件相连接，并涂有高强度密封胶。

所述的光纤探头3的轴线方向应与圆形弹性应变片1中心的轴线方向重合。

所述的圆形弹性应变片1选用复合硅材料。

光纤探头3与圆形弹性应变片1的距离保持在0.25mm-2.5mm。

所述筒状金属封装外壳2的外侧涂覆耐高温涂层。

一种利用所述传感器进行压气机气体流量的测试方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：通过接收光纤接收到的光进行光电转换并采集，得到两组接收光的光强比值M(z)，应用公式

$M\left(z\right)=\exp =\left\{\frac{-3\·d^2}{{a_0}^2{[1+\mathrm{\ζ}{\left(\frac{2z}{a_0}\right)}^{3/2}\tan {\mathrm{\θ}}_0]}^2}\right\}+\exp \left\{\frac{-2\·d^2}{{\mathrm{\σ}}^2{a_0}^2{[1+\mathrm{\ζ}{\left(\frac{2z}{a_0}\right)}^{3/2}\tan {\mathrm{\θ}}_0]}^2}\right\}$

计算出应变位移发生的变化z与光强比值M(z)之间的关系，其中入射光纤和接收光纤的轴间距为d、光纤束光纤的半径为a₀、光纤的最大入射角为θ₀、σ为表征光纤折射率分布的相关参数、ζ为与光源种类及光源和光纤耦合情况有关的调制参数；

步骤2：通过光栅式光纤7测得的工作环境温度的变化和已知的初始环境温度可以得到实时的环境温度T，温度变化于光栅波长变化的关系如下式，其中α为光纤的热膨胀系数、ξ为光纤的热光系数、Δλ为波长的变化、ΔT为温度的变化、λ为光栅中光的中心波长：

Δλ＝(α+ξ)λΔT

步骤3：根据步骤1中计算得到的圆形总压应变片位移z和步骤2中计算得到的环境温度T，通过公式z=p^**/（AE（T））得到总压的计算p^*=z*（AE（T）），其中A为压力作用的横截面积，E（T）为所选材料的弹性模量，其大小与工作环境的温度有直接关系。

有益效果

本发明的用于压气机压力测量的光强式与光栅式混合光纤压力传感器及其测量方法，光强光纤垂直照射到弹性应变片中心，并由两组接收光纤接收反射光，通过两组接收光纤的光强比值计算弹性应变片的偏移距离；测温光栅光纤水平固定在筒状金属外壳内侧测量工作环境温度，用以进行温度补偿。本发明采用弹性应变片作为敏感元件，应用非接触式光强光纤作为测量元件，这种方式可有效的提高压力测量的精度，降低安装及信号接收的复杂度。与此同时，本发明采用光栅光纤直接测量传感器 所处环境温度，通过温度补偿实现对压力的精确测量，充分应用了光纤传感器结构简单、体积小、重量轻、抗干扰能力强并且精度高的优点。

由于本发明采用光纤作为发动机压力的测量和温度补偿的关键部件，该传感器结构简单、体积小、精度高，并且采用光强反射式光纤测量弹性应变片的距离以达到压力测量的目的，同时采用光栅式光纤测量传感器所处温度用以进行温度漂移的补偿。所以，简要总结该传感器具有以下优点：1、本发明采用弹性应变片作为敏感元件，应用非接触式光强光纤作为测量元件，这种方式可有效的提高压力测量的精度；2、本发明采用光栅光纤直接测量传感器所处环境温度，利用温度补偿实现对压力的精确测量；3、本发明传感器结构简单、体积小、重量轻、抗干扰能力强并且精度可靠性高。

附图说明

图1：本发明的结构示意图；

图2：图1中双圈同轴光强反射式光纤的局部放大图；

其中：1、圆形弹性应变片；2、筒状金属外壳；3、光纤探头；4、入射光纤；5、接收光纤1；6、接收光纤2；7、测温光栅光纤。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

本发明实施例的技术方案为：参照附图1，本实施例中的一种用于压气机压力测量的光强式与光栅式混合光纤压力传感器包括圆形弹性应变片1、筒状金属外壳2、真空腔3、入射光纤4、内圈接收光纤5、外圈接收光纤6、测温光栅光7。

在筒状金属封装外壳2顶部密封固定圆形弹性应变片1，在筒状金属封装外壳3的另一端设有通孔，光纤探头4置于筒状金属封装外壳2的真空腔内，并通过通孔引出发射和接收光纤；测温光栅光纤7设置在筒状金属封装外壳3的真空腔的内壁上；所述光纤探头3上的发射和接收光纤的排布为：光纤的中心为一根发射光纤4，发射光纤的外围设有六根接收光纤形成第一组接收光纤5，第一组接收光纤6的外围设有十二根接收光纤形成第二组接收光纤6；所述测温光栅光纤7上设有信号输出连接线。

光强光纤垂直照射到弹性应变片中心，并由两组接收光纤接收反射光；测温光栅 光纤水平固定在筒状金属外壳内侧；圆形弹性应变片密封固定在筒状金属外壳顶部；光强光纤与光栅光纤接收通道均通过筒状金属外壳底部小孔放置于真空腔内，并保证与金属外壳底部密封连接；接收光纤所接收的光通过光纤传递至高精度光电转换器进行进一步处理。

光强光纤探头的轴线方向应与弹性应变片的轴线方向重合。

光强光纤探头与弹性应变片的距离保持在0.25mm-2.5mm。

所选弹性应变片的材料为特殊复合材料，这种材料具有耐高温、较高强度极限和较高比例极限的特点。

所选筒状金属封装外壳，内侧选用导热性好的金属，外侧采用导热性差的金属并添加耐高温涂层。

所述的弹性应变片的边缘与所述的金属封装壳体顶端的边缘之间通过紧固件相连接，并涂有高强度密封胶，所述的弹性应变片与壳体的内部空腔构成一个密闭的真空腔。

弹性应变片1的材料为特殊复合材料，这种材料具有耐高温、较高强度极限和较高比例极限的特点，本发明中可选用复合硅材料，这是因为航空发动机压气机的温度可达500K左右并且需要测量的压力为0-5Mpa。

筒状金属外壳2由两层材料组成，为保证封装壳体的强度和刚度要求，两层材料均为合金材料。其中内层为导热性好的合金材料，以保证测温光栅光纤可以准确的测量传感器的工作环境温度，外层采用导热性差的金属并添加耐高温涂层。

本实施例中的光强反射式光纤的入射光源应根据光电转换器选择，本发明中选择红光作为光源。并且入射光照入密封真空腔可以排除外界光源和干扰对传感器的影响。

本发明的光强式与光栅式混合光纤压力传感器工作时，当外界压力作用于弹性膜片时，弹性应变片1发生形变，入射光纤探头4与弹性应变片1下表面中心之间的距离发生微小改变，从而使内圈接收光纤5和外圈接收光纤6接收的光强发生变化；同时，处于同一温度场内的光栅光纤可检测到温度发生的变化而引起光栅反射的中心波长发生偏移。因此，可根据光强变化与距离变化之间的关系，并结合压力与弹性应变 片应变之间的关系，计算所测压力的大小；通过光栅反射中心波长的偏移量计算出所处温度的大小，从而实现压气机压力的精确测量和温度补偿。具体计算过程如下：

弹性应变片的受力应变公式如下：

z=P/（AE）    （1）

式中z为产生的应变量，A为压力作用的横截面积，E为所选材料的弹性模量，P为施加的压力。

参照附图2，根据双圈同轴光纤探头的光纤束排列方式，将两组接收光纤接收到的光强进行比值处理，可以得到此传感器的输出特性调制函数的计算公式，即

$M\left(z\right)=\frac{I_{r2}}{I_{r1}}=\frac{{6I}_2+{6I}_3}{{6I}_1}---\left(2\right)$

式中：

M(z)——为两组接收光纤束光强的比值；

I_r1——表示第一组接收光纤束接收的光强/cd；

I_r2——表示第二组接收光纤束接收的光强/cd。

通过两组接收光纤采集的光强的比值M(z)可以计算出应变位移发生的变化z，具体计算公式如下：

$M\left(z\right)=\exp =\left\{\frac{-3\·d^2}{{a_0}^2{[1+\mathrm{\ζ}{\left(\frac{2z}{a_0}\right)}^{3/2}\tan {\mathrm{\θ}}_0]}^2}\right\}+\exp \left\{\frac{-2\·d^2}{{\mathrm{\σ}}^2{a_0}^2{[1+\mathrm{\ζ}{\left(\frac{2z}{a_0}\right)}^{3/2}\tan {\mathrm{\θ}}_0]}^2}\right\}---\left(3\right)$

通过式（3）可知，当光纤结构参数入射光纤和接收光纤的轴间距d、光纤束光纤的半径a₀、光纤的最大入射角θ₀一定时，光纤输出特性仅与光纤端面到应变膜片之间的距离z有关，而与光源强度、反射体的反射率、光纤的本征损耗和由弯曲所带来的附加损耗等因素无关。因此将光强进行光电转换后得到其比值，通过式（3）结合式（1）计算出压气机的压力。

可通过光栅式光纤测得的工作环境温度的变化，应用神经网络算法补偿由于温度变化引起的弹性应变片的测量漂移。温度于光栅波长变化的关系如下

Δλ＝(α+ξ)λΔT    （4）

式中，α为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数，Δλ为波长的变化，ΔT为温度的变化。通过将光栅光纤的输出端连接到波长解调仪器上，可以测得波长的变化，从而通过计算得到温度的变化量，完成整个光强式光纤压力测量与光栅式光纤温度补偿的混合光纤压力传感器的设计。

Claims (7)

1.一种用于压气机压力测量的光强式与光栅式混合光纤压力传感器，其特征在于包括圆形弹性应变片(1)、筒状金属封装外壳(2)、光纤探头(3)、测温光栅光纤(7)；在筒状金属封装外壳(2)顶部密封固定圆形弹性应变片(1)，在筒状金属封装外壳(2)的另一端设有通孔，光纤探头(3)置于筒状金属封装外壳(2)的真空腔内，并通过通孔引出发射和接收光纤；测温光栅光纤(7)设置在筒状金属封装外壳(2)的真空腔的内壁上；所述光纤探头(3)上的发射和接收光纤的排布为：光纤的中心为一根发射光纤(4)，发射光纤的外围设有六根接收光纤形成第一组接收光纤(5)，第一组接收光纤(5)的外围设有十二根接收光纤形成第二组接收光纤(6)；所述测温光栅光纤(7)上设有信号输出连接线。

2.根据权利要求1所述的用于压气机压力测量的光强式与光栅式混合光纤压力传感器，其特征在于：所述的圆形弹性应变片(1)的边缘与筒状金属封装外壳(2)的顶端之间通过紧固件相连接，并涂有高强度密封胶。

3.根据权利要求1所述的用于压气机压力测量的光强式与光栅式混合光纤压力传感器，其特征在于：所述的光纤探头(3)的轴线方向应与圆形弹性应变片(1)中心的轴线方向重合。

4.根据权利要求1所述的用于压气机压力测量的光强式与光栅式混合光纤压力传感器，其特征在于：所述的圆形弹性应变片(1)选用复合硅材料。

5.根据权利要求1所述的用于压气机压力测量的光强式与光栅式混合光纤压力传感器，其特征在于：光纤探头(3)与圆形弹性应变片(1)的距离保持在0.25mm-2.5mm。

6.根据权利要求1所述的用于压气机压力测量的光强式与光栅式混合光纤压力传感器，其特征在于：所述筒状金属封装外壳(2)的外侧涂覆耐高温涂层。

7.一种利用权利要求1～6任一项所述传感器进行压气机气体流量的测试方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：通过接收光纤接收到的光进行光电转换并采集，得到两组接收光的光强比值M(z)，应用公式

$M\left(z\right)=\exp \left\{\frac{-3\·d^2}{{a_0}^2{[1+\mathrm{\ζ}{\left(\frac{2z}{a_0}\right)}^{3/2}\tan {\mathrm{\θ}}_0]}^2}\right\}+\exp \left\{\frac{-2\·d^2}{{\mathrm{\σ}}^2{a_0}^2{[1+\mathrm{\ζ}{\left(\frac{2z}{a_0}\right)}^{3/2}\tan {\mathrm{\θ}}_0]}^2}\right\}$

计算出应变位移发生的变化z与光强比值M(z)之间的关系，其中入射光纤和接收

光纤的轴间距为d、光纤束光纤的半径为a₀、光纤的最大入射角为θ₀、σ为表征

光纤折射率分布的相关参数、ζ为与光源种类及光源和光纤耦合情况有关的调制参

数；

步骤2：通过光栅式光纤(7)测得的工作环境温度的变化和已知的初始环境温度可以得到实时的环境温度T，温度变化与光栅波长变化的关系如下式，其中α为光纤的热膨胀系数、ξ为光纤的热光系数、Δλ为波长的变化、ΔT为温度的变化、λ为光栅中光的中心波长：

Δλ＝(α+ξ)λΔT

步骤3：根据步骤1中计算得到的圆形总压应变片位移z和步骤2中计算得到的环境温度T，通过公式z＝p^*/(AE(T))得到总压的计算p^*＝z*(AE(T))，其中A为压力作用的横截面积，E(T)为所选材料的弹性模量，其大小与工作环境的温度有直接关系。