CN106018341A - 一种飞机油箱氧气浓度非接触式检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机油箱氧气浓度非接触式检测装置，属于光学领域。解决上述技术问题所采用的技术方案是：通过集氧装置将氧气集中在检查仓体内，利用激光器发射激光束，同时接收器接收氧气浓度的信号，进一步测定氧气的浓度。测量飞机油箱上层空间氧气浓度的装置，该装置包括激光器、检查仓体、接收器、集氧装置；检查仓体安装在飞机油箱上端，将激光器、接收器安装在检查仓体的左右两侧，将集氧装置安装在检查仓体的底部。本装置具有测量任意指定气体浓度作用，本装置结构简单，适用范围广。

Description

一种飞机油箱氧气浓度非接触式检测装置

技术领域

本发明涉及光学领域，基于波长调制光谱技术测量飞机油箱上层空间氧气浓度。

背景技术

燃油不仅是提供常规飞机动力的唯一能源，而且也是飞机液压系统、滑油系统、环控系统等系统的热沉。燃油装载在飞机的各个油箱之中，飞机的油箱遍布机翼和机身，所以油箱的设计不仅是飞机安全的决定性因素，而且也是飞机其他子系统正常工作的保证。

飞机油箱的燃油爆炸是威胁航空飞行安全的主要因素之一。从1960年以来，全球已有18架飞机出现油箱爆炸事故。据FAA调查统计，油箱上层空间中的氧气含量超标是飞机油箱爆炸的主要原因之一。除了外界大气中的氧气能够进入燃油油箱上层的气相空间中，溶解于燃油中的氧气也会随着油箱状态的改变而析出到油箱上层空间中。如果混合气体中氧气浓度较高，极易引起燃烧，导致油箱爆炸。鉴于氧含量对油箱安全性具有重要影响，美国联邦航空管理局(FAA)近期对适航条例进行了修订，规定飞机油箱上层空间的氧含量必须低于12％，以保证飞机的飞行安全。

从安全的角度考虑，为了降低油箱燃烧的风险，首先要掌握油箱中混合气体尤其是氧气的变化规律及其与油箱可燃性的关系，特别是针对多参量变化的油箱系统；同时要建立油箱检测的先进技术以及探索支持这些技术的理论；本课题的研究对飞机油箱设计具有重要的科学意义，同时对飞机的安全飞行也具有巨大的实用价值。

气体可燃性与动态变化过程研究及相应的气体传感器多年来一直得到广泛的研究及探索。近几年，随着飞机事故的不断增多，以及对飞机的飞行安全需求，飞机油箱上层气体的迁移与气体检测方法开始成为研究热点。目前的相关研究主要集中在以下两个方面：油箱上层空间混合气体迁移与可燃性机理研究和气体传感器检测技术研究。

国外自上个世纪30年代起就开始研究开发气体传感器，品种达到了数百种。我国也在消化、吸收的基础上研究开发出多种气体传感器。目前气体传感器主要有以下几类：1)半导体气体传感器。2)固体电解质气体传感器3)光学式气体传感器。但这些大多是工业上使用的接触式传感器，无法应用于航空航天领域。

因此本课题针对飞机油箱上层空间中氧气迁移机理与检测方法的难点，综合机理分析、状态变化，探索飞机油箱上层空间中氧气的迁移机理；研究非接触式激光检测氧气方法；在相应的机理分析、基础理论、核心技术等方面展开探索和研究，从而解决油箱上层空间氧气迁移与检测方法的关键问题，对降低飞机油箱爆炸的风险、保证飞机安全运行具有实际意义和十分广阔的应用前景。

发明内容

本发明所要解决地技术问题在于克服上述飞机飞行过程中油箱发生偏移，导致氧气浓度测量不准的缺点，提供一种设计合理、结构简单、使用维护方便、无机械转动、无噪声、能耗低、测量飞机油箱声上层空间氧气浓度的测量装置。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：通过集氧装置将氧气集中在检查仓体内，利用激光器发射激光束，同时接收器接收氧气浓度的信号，进一步测定氧气的浓度。

一种飞机油箱氧气浓度非接触式检测装置，该装置包括激光器1、检查仓体2、接收器3、集氧装置4；检查仓体2安装在飞机油箱上端，将激光器1、接收器3安装在检查仓体2的左右两侧，将集氧装置4安装在检查仓体2的底部。

集氧装置4用以将氧气与其它气体分开，利用氧气的顺磁性性质，设计一个磁性装置将氧气吸收进来，如图2所示，混合气体被接收器接收时会通过磁性装置，将氧气吸入，而排除其余非顺磁性气体，以达到只接收氧气的目的。集氧装置4包括底座4.1、永久磁体4.2、加热器4.3、上盖4.4、壳体4.5；壳体4.5为集氧装置4的外壳，在壳体4.5顶部设置上盖4.4，上盖4.4上加工有出风口，壳体4.5上加工有进风口，壳体4.5底部设置有底座4.1，壳体4.5内设置有带磁靴4.6的永久磁体4.2，加热器4.3设置在上盖4.4出风口的出风通道内。

该装置实现在线测量方法的过程如下，

飞机油箱内的待测气体为氧气，从高分辨率光谱数据库中选取吸收光谱谱线，其中心频率为V₀。

以激光器1为光源，调节激光控制器8的温度和电流，使激光器1的输出频率稳定在中心频率V₀上，并用波长计10进行标定和检测。

将信号发生器5产生的低频锯齿波和锁相放大器6产生的高频正弦波经过加法器7叠加后输入到激光控制器8中，驱动激光器产生的激光在吸收光谱谱线频率处产生扫描和调制，则通过如下公式算出激光瞬时频率V和激光强度I₀。

式中：a[cm^-1]为频率调制幅度，定义调制系数m＝a/γ，γ[cm^-1]为谱线半高宽，w为定制新号的角频率，为激光频率的平均值，为激光强度的平均值，ΔI为强度调制幅度，为频率调制和强度调制之间的相位差。

将激光器1发出的激光准直后直接由光电探测器11接收，然后分两路，一路输入数字示波器12中记录激光强度随时间的变化过程，另一路输入到锁相放大器6中进行一次谐波监测，锁相放大器6检测到的一次谐波背景信号S输入到计算机数据采集与处理系统13中。

将激光器1发出的激光准直后通过气体介质10由光电探测器11接收，然后分两路，一路输入数字示波器12中记录激光强度I₀随时间的变化过程，另一路输入到锁相放大器6中进行一次谐波监测，锁相放大器6检测到的奇数次谐波X轴信号和Y轴信号输入到计算机数据采集与处理系统13中。

本发明提供一种波长调制光谱技术中气体吸收率函数拟合方法，可直接确定气体浓度。

计算机数据采集与处理系统13处理奇数次谐波X轴信号X_2k-1和Y轴信号Y_2k-1，进而得到信号函数fun_2k-1。

${\mathrm{fun}}_{2k-1}=\frac{X_{2k-1}.sin\mathrm{\β}-Y_{2k-1}.cos\mathrm{\β}}{S_{1-back}}$

式中，β为锁相放大器参考信号与输入信号之间的相位差

将fun_2k-1代入下式，得到函数Fun_k。

$\begin{array}{c}{\mathrm{Fun}}_k={\mathrm{fun}}_1-{\mathrm{fun}}_3+{\mathrm{fun}}_5+...{(-1)}^{k-1}{\mathrm{fun}}_{2k-1}\\ ={\Σ}_{n-1}^k{(-1)}^{k-1}{\mathrm{fun}}_{2k-1}\end{array}$

将Fun_k代入下式，得到气体吸收率函数即

根据下式，按照直接吸收法得到待测气体的浓度。

为分子吸收线型函数，C为气体浓度。

本装置具有测量任意指定气体浓度作用，本装置结构简单，适用范围广。

附图说明

图1是本发明主视图。

图2是磁性集氧装置的主视图。

图3是基于波长调制光谱技术测量气体浓度的过程图

具体实施方式

以下结合附图1-3对本发明作进一步详细说明。

按照图1所示安装所需装置，通过集氧装置将混合气体中的氧气分离出来，使其进入检查仓体，再通过激光器向检查仓体发射激光，选定中心频率V₀，以激光器1为光源，调节激光控制器8的温度和电流，使激光器1的输出频率稳定在中心频率上，并用波长计9进行标定和检测。

将信号发生器5产生的低频锯齿波和锁相放大器6产生的高频正弦波经过加法器7叠加后输入到激光控制器8中，驱动激光器产生的激光在吸收光谱谱线频率处产生扫描和调制，通过公式算出激光瞬时频率V和激光强度I₀。将激光器1发出的激光准直后直接由光电探测器11接收，然后分两路，一路输入数字示波器12中记录激光强度随时间的变化过程，另一路输入到锁相放大器6中进行一次谐波监测，锁相放大器6检测到的一次谐波背景信号S输入到计算机数据采集与处理系统13中。再重复上一步骤，将锁相放大器6检测到的奇数次谐波X轴信号和Y轴信号输入到计算机数据采集与处理系统13中。计算机数据采集与处理系统13处理奇数次谐波X轴信号和Y轴信号，进而得到气体吸收率函数，根据直接吸收法得到气体浓度。再通过相应比例计算出油箱中实际的氧气浓度，以达到项目要求。

Claims (3)

1.一种飞机油箱氧气浓度非接触式检测装置，其特征在于：该装置包括激光器(1)、检查仓体(2)、接收器(3)、集氧装置(4)；检查仓体(2)安装在飞机油箱上端，将激光器(1)、接收器(3)安装在检查仓体(2)的左右两侧，将集氧装置(4)安装在检查仓体(2)的底部；

集氧装置(4)用以将氧气与其它气体分开，利用氧气的顺磁性性质，设计一个磁性装置将氧气吸收进来，混合气体被接收器接收时会通过磁性装置，将氧气吸入，而排除其余非顺磁性气体，以达到只接收氧气的目的；集氧装置(4)包括底座(4.1)、永久磁体(4.2)、加热器(4.3)、上盖(4.4)、壳体(4.5)；壳体(4.5)为集氧装置(4)的外壳，在壳体(4.5)顶部设置上盖(4.4)，上盖(4.4)上加工有出风口，壳体(4.5)上加工有进风口，壳体(4.5)底部设置有底座(4.1)，壳体(4.5)内设置有带磁靴(4.6)的永久磁体(4.2)，加热器(4.3)设置在上盖(4.4)出风口的出风通道内。

2.根据权利要求1所述的一种飞机油箱氧气浓度非接触式检测装置，其特征在于：该装置实现在线测量方法的过程如下，

飞机油箱内的待测气体为氧气，从高分辨率光谱数据库中选取吸收光谱谱线，其中心频率为V₀；

以激光器(1)为光源，调节激光控制器(8)的温度和电流，使激光器(1)的输出频率稳定在中心频率V₀上，并用波长计(10)进行标定和检测；

将信号发生器(5)产生的低频锯齿波和锁相放大器(6)产生的高频正弦波经过加法器(7)叠加后输入到激光控制器(8)中，驱动激光器产生的激光在吸收光谱谱线频率处产生扫描和调制，则通过如下公式算出激光瞬时频率V和激光强度I₀；

式中：a[cm^-1]为频率调制幅度，定义调制系数m＝a/γ，γ[cm^-1]为谱线半高宽，w为定制新号的角频率，为激光频率的平均值，为激光强度的平均值，ΔI为强度调制幅度，为频率调制和强度调制之间的相位差；

将激光器(1)发出的激光准直后直接由光电探测器(11)接收，然后分两路，一路输入数字示波器(12)中记录激光强度随时间的变化过程，另一路输入到锁相放大器(6)中进行一次谐波监测，锁相放大器(6)检测到的一次谐波背景信号S输入到计算机数据采集与处理系统(13)中；

将激光器(1)发出的激光准直后通过气体介质(10)由光电探测器(11)接收，然后分两路，一路输入数字示波器(12)中记录激光强度I₀随时间的变化过程，另一路输入到锁相放大器(6)中进行一次谐波监测，锁相放大器(6)检测到的奇数次谐波X轴信号和Y轴信号输入到计算机数据采集与处理系统(13)中。

3.根据权利要求2所述的一种飞机油箱氧气浓度非接触式检测装置，其特征在于：一种波长调制光谱技术中气体吸收率函数拟合方法，直接确定气体浓度；

计算机数据采集与处理系统(13)处理奇数次谐波X轴信号X_2k-1和Y轴信号Y_2k-1，进而得到信号函数fun_2k-1；

${\mathrm{fun}}_{2k-1}\frac{X_{2k-1}.sin\mathrm{\β}-Y_{2k-1}.cos\mathrm{\β}}{S_{1-back}}$

式中，β为锁相放大器参考信号与输入信号之间的相位差

将fun_2k-1代入下式，得到函数Fun_k；

$\begin{array}{c}{\mathrm{Fun}}_k={\mathrm{fun}}_1-{\mathrm{fun}}_3+{\mathrm{fun}}_5+...{(-1)}^{k-1}{\mathrm{fun}}_{2k-1}\\ ={\Σ}_{n-1}^k{(-1)}^{k-1}{\mathrm{fun}}_{2k-1}\end{array}$

将Fun_k代入下式，得到气体吸收率函数即

根据下式，按照直接吸收法得到待测气体的浓度；

为分子吸收线型函数，C为气体浓度。