CN103487086A - 航天水升华器混合式光纤传感监测装置和监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水升华器混合式光纤传感监测装置及监测方法，所述水升华器混合式光纤传感监测装置从输入到输出通过多芯光缆依序连接设置了包括混合光源模块、光功率分配模块、多芯光缆；光纤耦合器阵列模块、多芯高气密光纤过墙法兰、耐低温光纤温度传感器阵列、耐低温光纤压力传感器阵列、耐低温光纤振动传感器阵列、多光纤传感器固定支架、光谱扫描接收组件、低相干干涉条纹接收组件和混合式光纤信号接收模块以及数据采集处理单元。与现有技术相比，本发明混合多种光纤传感技术，将振动、温度和压力信号共同作为表征水升华器的工作状态的物理量，通过同时对三个信号进行解调和数据融合分析，准确地分析和判断出水升华器的工作状态。
Description
技术领域
本发明涉及航天器热控技术领域，特别涉及一种航天水升华器的混合式光纤传感监测装置和方法。
背景技术
随着载人航天技术的高速发展，航天员的在轨出舱活动越来越频繁，舱外航天服系统其重要性日益显著。舱外航天服系统是保证航天员安全、有效地完成出舱任务的重要装备，其中热控系统作为舱外航天服便携式生保系统的一个重要组成部分，为航天服提供冷源，同时将低压循环氧回路中所含的湿气进行冷凝，保证航天员在出舱活动过程中的热舒适性。
在所有已进行研究的热控方案中，水升华器的体积最小，重量最轻，在失重和热负荷变化的条件下越能够可靠工作，受到了各航天大国科技工作者的青睐。水升华器主要包括多孔板和液/气换热器两部分，其主要工作原理是:当不断渗透进多孔板的给水达到水的三相点压力(约610Pa)时，水将凝固成冰，并同时进行升华，冷却了航天员液冷服和通风服内循环水及循环氧，同时将循环氧中所含的湿气进行冷凝。
但是由于航天工作环境恶劣，传统的电测手段无法实现对水升华器的工作状态进行监测。
发明内容
针对上述现有问题，本发明提供一种航天水升华器混合式光纤传感监测装置和监测方法，通过结合多种光纤传感器构成混合式光纤传感装置，能实现水升华器工作状态监测。
本发明提出的一种航天水升华器混合式光纤传感监测装置，包括空间环境模拟器9、航天水升华器10和水升华器混合式光纤传感监测装置，所述水升华器混合式光纤 传感监测装置从输入到输出通过多芯光缆（6）依序连接设置了由1550nm波段可调谐光源组件1、1310nm波段窄带光源组件2和550nm波段宽带光源组件3组成的混合光源模块4、由三个1×8分束器组成的光功率分配模块5、多芯光缆6；由24个光纤耦合器组成的光纤耦合器阵列模块7、由3个2～8芯高气密光纤过墙法兰组成的多芯高气密光纤过墙法兰8、耐低温光纤温度传感器阵列11、耐低温光纤压力传感器阵列12、耐低温光纤振动传感器阵列13、多光纤传感器固定支架14、由接收耐低温光纤温度传感器返回信号的光谱扫描接收组件15、接收耐低温光纤压力传感器返回信号的低相干干涉条纹接收组件16和接收耐低温光纤振动传感器返回信号的动态光信号分析组件17组成的混合式光纤信号接收模块18以及由具有24路采集通道多路采集卡和进行数据处理分析的计算机构成的数据采集处理单元19；
将固定有耐低温光纤温度传感器阵列11，耐低温光纤压力传感器阵列12和耐低温光纤振动传感器阵列13的多光纤传感器固定支架14固定于接近于空间环境模拟器9中的航天水升华器10喷气口处，混合光源模块4的3个波段的光经过光功率分配模块5，进入光纤耦合器模块7，其中出射光分别送入耐低温光纤温度传感器、耐低温光纤压力传感器和耐低温光纤振动传感器，携带温度、压力和振动信息的反射光经混合式光纤信号接收模块18接收，转换为电信号，然后传递给数据采集处理单元19，数据采集处理单元19将上述电信号转化成数字信号后，分别提取出温度、压力和振动信号，对这三类信号进行时间校正对齐，并利用温度数据进行各传感器的温度校正，最后分别得到温度、压力和振动随时间变化的信号，然后对温度、压力和振动信号进行多参数数据融合，分析得出水升华器的四种工作状态即稳定、喷气、喷气附带少量冰和喷冰工作状态：
振动、压力、温度均保持稳定，无喷冰或喷气现象，为稳定工作状态；
振动传感器感受到振动频率小于1Hz的少量振动，为少量气流、温度传感器感受到温度在小于0.1℃/100采样点的缓慢上升、压力传感器感受外界压力小于10Pa/100采样点的无明显变动，而是随温度上升而缓慢上升，为喷气工作状态；
振动传感器感受到振动频率大于1Hz的少量振动、温度传感器感受到温度存在大于0.1℃/100采样点的缓慢上升、压力传感器感受外界压力大于10Pa/100采样点的非明显变动，而是随温度上升而缓慢上升，为喷气附带少量冰：。
振动传感器感受到突变气流、温度传感器感受到温度在下降、压力传感器在随温 度上升而缓慢上升的同时，感受外界压力波动相对较大，为喷冰状态。
本发明还提出了一种航天水升华器混合式光纤传感监测方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、将固定有耐低温光纤温度传感器阵列11，耐低温光纤压力传感器阵列12和耐低温光纤振动传感器阵列13的多光纤传感器固定支架14固定于接近于空间环境模拟器9中的航天水升华器10喷气口处，
步骤二、混合光源模块4的3个波段的光经过光功率分配模块5，进入光纤耦合器模块7，其中出射光分别送入耐低温光纤温度传感器、耐低温光纤压力传感器和耐低温光纤振动传感器，携带温度、压力和振动信息的反射光经混合式光纤信号接收模块18接收，转换为电信号；
步骤三、步骤二中的电信号传递给数据采集处理单元19，数据采集处理单元19将上述电信号转化成数字信号后，分别提取出温度、压力和振动信号，对三类信号进行时间校正对齐，并利用温度数据进行各传感器的温度校正，最后分别得到温度、压力和振动随时间变化的信号，然后对温度、压力和振动信号进行多参数数据融合，分析得出水升华器的四种工作状态，即稳定、喷气、喷气附带少量冰和喷冰工作状态：
振动、压力、温度均保持稳定，无喷冰或喷气现象，为稳定工作状态；
振动传感器感受到振动频率小于1Hz的少量振动，为少量气流、温度传感器感受到温度在小于0.1℃/100采样点的缓慢上升、压力传感器感受外界压力小于10Pa/100采样点的无明显变动，而是随温度上升而缓慢上升，为喷气工作状态；
振动传感器感受到振动频率大于1Hz的少量振动、温度传感器感受到温度存在大于0.1℃/100采样点的缓慢上升、压力传感器感受外界压力大于10Pa/100采样点的非明显变动，而是随温度上升而缓慢上升，为喷气附带少量冰：。
振动传感器感受到突变气流、温度传感器感受到温度在下降、压力传感器在随温度上升而缓慢上升的同时，感受外界压力波动相对较大，为喷冰状态。
与现有技术相比，本发明的航天水升华器混合式光纤传感监测装置和方法，混合多种光纤传感技术，将振动、温度和压力信号共同作为表征水升华器的工作状态的物理量，通过同时对三个信号进行解调和数据融合分析，准确地分析和判断出水升华器的工作状态，克服了以往无法监测的难题。
附图说明
图1为水升华器混合式光纤传感监测装置实验测试结构示意图
图2为多光纤传感器固定支架示意图；
图3为水升华器混合式光纤传感监测信号图。
图1中：
1、1550nm波段可调谐光源组件2、1310nm波段窄带光源组件3、550nm波段宽带光源组件4、混合光源模块5、光功率分配模块6、多芯光缆7、光纤耦合器模块8、多芯高气密光纤过墙法兰9、空间环境模拟器10、航天水升华器11、耐低温光纤温度传感器阵列12、耐低温光纤压力传感器阵列13、耐低温光纤振动传感器阵列14、多光纤传感器固定支架15、光谱扫描接收组件16、低相干干涉条纹接收组件块17、动态光信号分析组件18、混合式光纤信号接收模块19、数据采集处理单元
图2中：
20、传感器固定孔（传感器插入孔内）21、装置固定槽（将该装置固定在水升华器上）
图3中：
（a）为振动信号值，（b）为温度信号值，（c）为压力信号值。
具体实施方式
实施例1：水升华器混合式光纤传感监测装置
如图1所示的水升华器混合式光纤传感监测装置，包括混合光源模块4（由1550nm波段可调谐光源组件1、1310nm波段窄带光源组件2和550nm波段宽带光源组件3组成）、光功率分配模块5（由三个1×8分束器组成）、多芯光缆6；光纤耦合器阵列模块7（由24个光纤耦合器组成）、多芯高气密光纤过墙法兰8（由3个2～8芯高气密光纤过墙法兰组成）、空间环境模拟器9、航天水升华器10、耐低温光纤温度传感器阵列11、耐低温光纤压力传感器阵列12、耐低温光纤振动传感器阵列13、多光纤传感器固定支架14、混合式光纤信号接收模块18（由接收耐低温光纤温度传感器返回信号的光谱扫描接收组件15、接收耐低温光纤压力传感器返回信号的低相干干涉条纹接收组件16和接收耐低温光纤振动传感器返回信号的动态光信号分析组 件17组成）以及数据采集处理单元19，由具有24路采集通道多路采集卡和进行数据处理分析的计算机构成。
实施例2：水升华器混合式光纤传感监测方法
如图2所示，将固定有耐低温光纤温度传感器阵列11，耐低温光纤压力传感器阵列12和耐低温光纤振动传感器阵列13的多光纤传感器固定支架14固定于空间环境模拟器9中的航天水升华器10喷气口附近。混合光源模块4的3个波段的光经过光功率分配模块5，进入光纤耦合器模块7，其中出射光分别送入耐低温光纤温度传感器、耐低温光纤压力传感器和耐低温光纤振动传感器，携带温度、压力和振动信息的反射光经混合式光纤信号接收模块18接收，转换为电信号，然后传递给数据采集处理单元19。
数据采集处理单元19将上述电信号转化成数字信号后，分别提取出温度、压力和振动信号，对三类信号进行时间校正对齐，并利用温度数据进行各传感器的温度校正，最后分别得到温度、压力和振动随时间变化的信号。然后对温度、压力和振动信号进行多参数数据融合，分析得出水升华器的工作状态。水升华器有稳定、喷气、喷气附带少量冰和喷冰，共四种工作状态，其判定方法如下：
①稳定：振动、压力、温度均保持稳定，无喷冰或喷气现象。
②喷气：振动传感器感受到少量振动（振动频率小于1Hz），为少量气流、温度传感器感受到温度在缓慢上升(小于0.1℃/100采样点)、压力传感器感受外界压力无明显变动（小于10Pa/100采样点），而是随温度上升而缓慢上升。
③喷气附带少量冰：振动传感器感受到少量振动（振动频率大于1Hz）、温度传感器感受到温度在缓慢上升（大于0.1℃/100采样点）、压力传感器感受外界压力无明显变动（大于10Pa/100采样点），而是随温度上升而缓慢上升。
④喷冰：振动传感器感受到突变气流（冰粒）、温度传感器感受到温度在下降、压力传感器在随温度上升而缓慢上升的同时，感受外界压力波动相对较大。
以试验中的一组数据为例，如图3所示，为某一短时间内三支传感器的信号图像，其中a图为振动信号值，b图为温度信号值，c图为压力信号值。分析：从黑线所在时间点开始，振动传感器感受到明显振动，结合温度传感器感受到短时间内温度在上升，如b图矩形框所示，同时压力传感器感受到温度上升，随之解调的传感器值也随 之上升，推出该时间段内为喷气；紧接着压力传感器感受到压力，如c图圆圈所示，随之温度下降，推出自此开始喷冰。
Claims (2)
1.一种航天水升华器混合式光纤传感监测装置，包括空间环境模拟器（9）、航天水升华器（10）和水升华器混合式光纤传感监测装置，其特征在于，所述水升华器混合式光纤传感监测装置从输入到输出通过多芯光缆（6）依序连接设置了由1550nm波段可调谐光源组件（1）、1310nm波段窄带光源组件（2）和550nm波段宽带光源组件（3）组成的混合光源模块（4）、由三个1×8分束器组成的光功率分配模块（5）、由24个光纤耦合器组成的光纤耦合器阵列模块（7）、由3个2～8芯高气密光纤过墙法兰组成的多芯高气密光纤过墙法兰（8）、耐低温光纤温度传感器阵列（11）、耐低温光纤压力传感器阵列（12）、耐低温光纤振动传感器阵列（13）、多光纤传感器固定支架（14）、由接收耐低温光纤温度传感器返回信号的光谱扫描接收组件（15）、接收耐低温光纤压力传感器返回信号的低相干干涉条纹接收组件（16）和接收耐低温光纤振动传感器返回信号的动态光信号分析组件（17）组成的混合式光纤信号接收模块（18）以及由具有24路采集通道多路采集卡和进行数据处理分析的计算机构成的数据采集处理单元（19）；
将固定有耐低温光纤温度传感器阵列（11），耐低温光纤压力传感器阵列（12）和耐低温光纤振动传感器阵列（13）的多光纤传感器固定支架（14）固定于接近于空间环境模拟器（9）中的航天水升华器（10）喷气口处，混合光源模块（4）的3个波段的光经过光功率分配模块（5），进入光纤耦合器模块（7），其中出射光分别送入耐低温光纤温度传感器、耐低温光纤压力传感器和耐低温光纤振动传感器，携带温度、压力和振动信息的反射光经混合式光纤信号接收模块（18）接收，转换为电信号，然后传递给数据采集处理单元（19），数据采集处理单元（19）将上述电信号转化成数字信号后，分别提取出温度、压力和振动信号，对这三类信号进行时间校正对齐，并利用温度数据进行各传感器的温度校正，最后分别得到温度、压力和振动随时间变化的信号，然后对温度、压力和振动信号进行多参数数据融合，分析得出水升华器的四种工作状态即稳定、喷气、喷气附带少量冰和喷冰工作状态：
振动、压力、温度均保持稳定，无喷冰或喷气现象，为稳定工作状态；
振动传感器感受到振动频率小于1Hz的少量振动，为少量气流、温度传感器感受到温度在小于0.1℃/100采样点的缓慢上升、压力传感器感受外界压力小于10Pa/100采样点的无明显变动，而是随温度上升而缓慢上升，为喷气工作状态；
振动传感器感受到振动频率大于1Hz的少量振动、温度传感器感受到温度存在大于0.1℃/100采样点的缓慢上升、压力传感器感受外界压力大于10Pa/100采样点的非明显变动，而是随温度上升而缓慢上升，为喷气附带少量冰：。
振动传感器感受到突变气流、温度传感器感受到温度在下降、压力传感器在随温度上升而缓慢上升的同时，感受外界压力波动相对较大，为喷冰状态。
2.一种航天水升华器混合式光纤传感监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将固定有耐低温光纤温度传感器阵列（11），耐低温光纤压力传感器阵列（12）和耐低温光纤振动传感器阵列（13）的多光纤传感器固定支架（14固定于接近于空间环境模拟器（9）中的航天水升华器（10）喷气口处，
步骤二、混合光源模块（4）的3个波段的光经过光功率分配模块（5），进入光纤耦合器模块（7），其中出射光分别送入耐低温光纤温度传感器、耐低温光纤压力传感器和耐低温光纤振动传感器，携带温度、压力和振动信息的反射光经混合式光纤信号接收模块18接收，转换为电信号；
步骤三、步骤二中的电信号传递给数据采集处理单元（19），数据采集处理单元（19）将上述电信号转化成数字信号后，分别提取出温度、压力和振动信号，对三类信号进行时间校正对齐，并利用温度数据进行各传感器的温度校正，最后分别得到温度、压力和振动随时间变化的信号，然后对温度、压力和振动信号进行多参数数据融合，分析得出水升华器的四种工作状态，即稳定、喷气、喷气附带少量冰和喷冰工作状态：
振动、压力、温度均保持稳定，无喷冰或喷气现象，为稳定工作状态；
振动传感器感受到振动频率小于1Hz的少量振动，为少量气流、温度传感器感受到温度在小于0.1℃/100采样点的缓慢上升、压力传感器感受外界压力小于10Pa/100采样点的无明显变动，而是随温度上升而缓慢上升，为喷气工作状态；
振动传感器感受到振动频率大于1Hz的少量振动、温度传感器感受到温度存在大于0.1℃/100采样点的缓慢上升、压力传感器感受外界压力大于10Pa/100采样点的非明显变动，而是随温度上升而缓慢上升，为喷气附带少量冰：。
振动传感器感受到突变气流、温度传感器感受到温度在下降、压力传感器在随温
度上升而缓慢上升的同时，感受外界压力波动相对较大，为喷冰状态。
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