CN110702207A - 基于自聚焦透镜的多模光纤式叶尖定时传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光纤传感器技术领域，为提高光纤式叶尖定时传感器的定时分辨力。为此，本发明采取的技术方案是，基于自聚焦透镜的多模光纤式叶尖定时传感器，由发射端耦合器、接收端耦合器、抗拉抗压发射电缆、抗拉抗压接收电缆、环形器、光纤收发电缆、插芯套管、无芯光纤、自聚焦透镜构成，所述抗拉抗压发射电缆、抗拉抗压接收电缆、光纤收发电缆均内含一根多模光纤，发射端耦合器、接收端耦合器分别经抗拉抗压发射电缆、抗拉抗压接收电缆连接到环形器。本发明主要应用于光纤传感器的设计制造场合。

Description

基于自聚焦透镜的多模光纤式叶尖定时传感器
技术领域
本发明属于传感器领域。具体的说，本发明涉及一种光纤式叶尖定时传感器，特别是一种通过缩小光斑直径，提高定时分辨力的基于自聚焦透镜的多模光纤式叶尖定时传感器。
背景技术
航空发动机、燃气轮机、烟气轮机和汽轮机等大型旋转机械的叶片作为核心做功元件，其状态参数尤其是振动参数的在线监测对保证发动机运行质量、保障重大设备运行安全至关重要。特别是自现代航空发动机研发以来，高性能要求、高优化结构的转子叶片处于更复杂的流场环境中，叶片与绕流的流固耦合作用会产生包括低阶弯振、高阶振动和弯扭复合振动等多种形式的耦合振动，颤振、裂纹等失效形式的发生直接体现在叶片高阶振动幅度的微小变化上，而叶片高阶振动模态的振动幅值仅有几十微米，振动位移的测量精度必须优于10μm才能实现微小振幅的准确测量。
叶尖定时测量技术是非接触叶片振动测量的标配技术，其中光纤式叶尖定时传感器具有响应速度快、测量精度高等优点，是非接触叶片测振传感器的首选。传统光纤式叶尖定时传感器采用六根多模接收光纤紧密围绕一根多模发射光纤的结构，发射光纤与接收光纤相互独立，可获得很高信噪比，但发射光纤发散角较大，光斑直径较大。航空发动机压气机动叶片的旋转线速度可达700m/s，振动位移测量精度10μm时，叶尖定时测量系统的定时分辨力要求达到3ns，光斑直径需要小于63μm，而传统的光纤式叶尖定时传感器，发射光纤的数值孔径为0.22时，最小的叶尖间隙0.5mm处光斑直径仍为220μm，难以满足现代航空发动机的需求。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种高定时分辨力基于自聚焦透镜的多模光纤式叶尖定时传感器。该传感器能够提高光纤式叶尖定时传感器的定时分辨力。为此，本发明采取的技术方案是，基于自聚焦透镜的多模光纤式叶尖定时传感器，由发射端耦合器、接收端耦合器、抗拉抗压发射电缆、抗拉抗压接收电缆、环形器、光纤收发电缆、插芯套管、无芯光纤、自聚焦透镜构成，所述抗拉抗压发射电缆、抗拉抗压接收电缆、光纤收发电缆均内含一根多模光纤，发射端耦合器、接收端耦合器分别经抗拉抗压发射电缆、抗拉抗压接收电缆连接到环形器；光纤收发电缆内的多模光纤插入到插芯套管内部并与无芯光纤接通，插芯套管的前端装配自聚焦透镜，光纤收发电缆内的多模光纤发出的光经过自聚焦透镜照射到叶片端面，自聚焦透镜还用于控制照射到叶片端面的光斑直径；环形器使得抗拉抗压发射电缆发射的光信号仅能被光纤收发电缆接收，光纤收发电缆传输的叶片反射光信号仅能被抗拉抗压接收电缆接收。
插芯套管内的无芯光纤的长度即多模光纤到自聚焦透镜端面的距离为L1，自聚焦透镜的长度为Z，自聚焦透镜端面到叶片端面的距离为L2，自聚焦透镜的渐变系数为α，自聚焦透镜的沿轴折射率为n1，自聚焦透镜的物方顶焦距为LF，自聚焦透镜的像方顶焦距为L′F，则插芯套管内无芯光纤的长度L1的确定方法为：物方顶焦距与像方顶焦距的表达式根据实际工况环境下，自聚焦透镜像方端面到叶片端面的距离L2，控制切割自聚焦透镜的长度Z，使得L1＝-LF＝L′F＝L2，此时照射到叶片端面的光斑直径最小。
无芯光纤的内径大于内部多模光纤的外径。
本发明的特点及有益效果是：
克服现有的光纤式叶尖定时传感器定时分辨力不高，定时精度较差，不能满足现代航空发动机压气机动叶片旋转线速度700m/s、振动位移测量精度10μm对定时分辨力3ns要求的缺点。设计一种基于自聚焦透镜的多模光纤式叶尖定时传感器，利用多模光纤收发电缆装配自聚焦透镜的结构，减小光斑直径，提高光纤式叶尖定时传感器的定时分辨力。
附图说明：
图1示出本发明的基于自聚焦透镜的多模光纤式叶尖定时传感器示意图。
图2示出本发明的插芯套管7内的多模光纤与自聚焦透镜9及叶片端面10的相对位置关系示意图。
图1中：1为发射端耦合器，2为接收端耦合器，3为抗拉抗压发射电缆，4为抗拉抗压接收电缆，5为环形器，6为光纤收发电缆，7为插芯套管，8为无芯光纤，9为自聚焦透镜，10为叶片端面。
具体实施方式
本发明提出的传感器采用一根多模发射光纤和一根多模接收光纤通过光环形器与多模光纤收发电缆连接、光纤探头前端装配自聚焦透镜的结构，减小了光斑直径，进而提高了光纤式叶尖定时传感器的定时分辨力。
为克服现有技术的前述不足，本发明设计一种高定时分辨力基于自聚焦透镜的多模光纤式叶尖定时传感器，主要解决的技术问题是：
克服现有的光纤式叶尖定时传感器定时分辨力不高，定时精度较差，不能满足现代航空发动机压气机动叶片旋转线速度700m/s、振动位移测量精度10μm对定时分辨力3ns要求的缺点。设计一种基于自聚焦透镜的多模光纤式叶尖定时传感器，利用多模光纤收发电缆装配自聚焦透镜的结构，减小光斑直径，提高光纤式叶尖定时传感器的定时分辨力。
为达到上述目标，本发明采取的技术方案是，设计一种基于自聚焦透镜的多模光纤式叶尖定时传感器，如图1所示，包括：发射端耦合器1、接收端耦合器2、抗拉抗压发射电缆3、抗压抗拉接收电缆4、环形器5、光纤收发电缆6、插芯套管7、无芯光纤8、自聚焦透镜9、叶片端面10；
进一步，本发明中，发射端耦合器1内含一根用于发射光信号的多模光纤，该光纤位于抗拉抗压发射电缆3的内部，以保证光纤不受踩压、拉拽等影响，提高可靠性；
进一步，本发明中，接收端耦合器2内含一根用于传输叶片反射光信号的多模光纤，该光纤位于抗拉抗压接收电缆4的内部，以保证光纤不受踩压、拉拽等影响，提高可靠性；
进一步，本发明中，光纤收发电缆6内含一根用于同时发射光信号和传输叶片反射光信号的多模光纤，外面由抗拉抗压电缆包裹，以保证光纤不受踩压、拉拽等影响，提高可靠性；
进一步，本发明中，光纤收发电缆6内的多模光纤插入到插芯套管7内部，插芯套管7的前端装配自聚焦透镜9，多模光纤发出的光经过自聚焦透镜9聚焦后能够有效地减小照射到叶片端面10的光斑直径；
进一步，本发明中，如图2所示，设插芯套管7内的无芯光纤8的长度(即多模光纤到自聚焦透镜端面的距离)为L1，自聚焦透镜9的长度为Z，自聚焦透镜端面到叶片端面10的距离为L2，自聚焦透镜9的渐变系数为α，自聚焦透镜9的沿轴折射率为n1，自聚焦透镜9的物方顶焦距为LF，自聚焦透镜9的像方顶焦距为L′F，则插芯套管7内无芯光纤8的长度L1的确定方法为：物方顶焦距与像方顶焦距的表达式
Figure BDA0002230167770000031
根据实际工况环境下，自聚焦透镜像方端面(即实际的传感器端面)到叶片端面10的距离L2，控制切割自聚焦透镜的长度Z，使得L1＝-LF＝L′F＝L2，此时照射到叶片端面10的光斑直径最小；
进一步，本发明中，无芯光纤8的内径大于内部多模光纤的外径；
进一步，本发明中，抗拉抗压发射电缆3、抗拉抗压接收电缆4和光纤收发电缆6分别与环形器5的三个端口相连接，使得抗拉抗压发射电缆3发射的光信号仅能被光纤收发电缆6以较小插入损耗接收，而与抗拉抗压接收电缆4之间存在较大隔离度，光纤收发电缆6传输的叶片反射光信号仅能被抗拉抗压接收电缆4以较小插入损耗接收，而与抗拉抗压发射电缆3之间存在较大隔离度；
进一步，本发明中，发射端耦合器1可采用ST接头、FC接头等常用的光纤耦合器，接收端耦合器2可采用ST接头、FC接头等常用的光纤耦合器；
进一步，本发明中，抗拉抗压发射电缆3、抗拉抗压接收电缆4、光纤收发电缆6可选择不锈钢软管、金属软管、包塑铠装管、塑料保护管等；内径大于内部多模光纤的外径，长度应满足实际使用要求。
为克服现有技术的前述不足，本发明设计一种高定时分辨力基于自聚焦透镜的多模光纤式叶尖定时传感器，主要解决的技术问题是：
克服现有的光纤式叶尖定时传感器定时分辨力不高，定时精度较差，不能满足现代航空发动机压气机动叶片旋转线速度700m/s、振动位移测量精度10μm对定时分辨力3ns要求的缺点。设计一种基于自聚焦透镜的多模光纤式叶尖定时传感器，利用多模光纤收发电缆装配自聚焦透镜的结构，减小光斑直径，提高光纤式叶尖定时传感器的定时分辨力。
本发明是这样实现的：
本发明设计一种基于自聚焦透镜的多模光纤式叶尖定时传感器，如图1所示，包括：发射端耦合器1、接收端耦合器2、抗拉抗压发射电缆3、抗压抗拉接收电缆4、环形器5、光纤收发电缆6、插芯套管7、无芯光纤8、自聚焦透镜9。利用自聚焦透镜束腰半径小、数值孔径小的优点，与传统光纤式叶尖定时传感器对比，减小照射到叶片端面的光斑直径，进而提高传感器的定时分辨力。
下面结合附图和实施例对发明做进一步说明。
进一步，本发明中，发射端耦合器1可采用ST接头。发射端耦合器1内含一根用于发射光信号的多模光纤，该光纤位于抗拉抗压发射电缆3的内部，以保证光纤不受踩压、拉拽等影响，提高可靠性；该发射光信号的多模光纤外径参数可选择为(芯径/包层/涂覆层，μm)50/125/150，数值孔径NA为0.22；
进一步，本发明中，接收端耦合器2可采用ST接头。接收端耦合器2内含一根用于传输叶片反射光信号的多模光纤，该光纤位于抗拉抗压接收电缆4的内部，以保证光纤不受踩压、拉拽等影响，提高可靠性；该传输叶片反射光信号的多模光纤外径参数可选择为(芯径/包层/涂覆层，μm)50/125/150，数值孔径NA为0.22；
进一步，本发明中，光纤收发电缆6内含一根用于同时发射光信号和传输叶片反射光信号的多模光纤，外面由抗拉抗压电缆包裹，以保证光纤不受踩压、拉拽等影响，提高可靠性；该同时发射光信号和传输叶片反射光信号的多模光纤外径参数可选择为(芯径/包层/涂覆层，μm)50/125/150，数值孔径NA为0.22；
进一步，本发明中，光纤收发电缆6内的多模光纤插入到插芯套管7内部，插芯套管7的前端装配自聚焦透镜9，多模光纤发出的光经过自聚焦透镜9聚焦后能够有效地减小照射到叶片端面的光斑直径；
进一步，本发明中，若实际传感器端面，即自聚焦透镜像方端面到叶片端面10的距离为15mm，设置插芯套管7内的无芯光纤8的长度，即多模光纤到自聚焦透镜物方端面的距离也为15mm，根据自聚焦透镜9的渐变系数α、沿轴折射率n1，切割自聚焦透镜的长度Z，使得
Figure BDA0002230167770000041
此时叶片端面10位于自聚焦透镜9的像方焦点位置处，照射到叶片端面10的光斑直径最小；
进一步，本发明中，无芯光纤8的内径大于内部多模光纤的外径；
进一步，本发明中，环形器5可采用偏振无关型光环形器，以保证多模光纤与其的耦合效率，抗拉抗压发射电缆3、抗拉抗压接收电缆4和光纤收发电缆6分别与环形器5的三个端口相连接，使得抗拉抗压发射电缆3发射的光信号仅能被光纤收发电缆6以较小插入损耗接收，而与抗拉抗压接收电缆4之间存在较大隔离度，光纤收发电缆6传输的叶片反射光信号仅能被抗拉抗压接收电缆4以较小插入损耗接收，而与抗拉抗压发射电缆3之间存在较大隔离度；
进一步，本发明中，抗拉抗压发射电缆3、抗拉抗压接收电缆4、光纤收发电缆6可选择不锈钢软管、金属软管、包塑铠装管、塑料保护管等；内径大于多模光纤外径，长度应满足实际使用要求；如选择外径3.9mm的包塑铠装缆，抗拉抗压发射电缆3长度为0.5m，抗拉抗压接收电缆4长度为0.5m，光纤收发电缆6长度为3m。

Claims (3)

1.一种基于自聚焦透镜的多模光纤式叶尖定时传感器，其特征是，由发射端耦合器、接收端耦合器、抗拉抗压发射电缆、抗拉抗压接收电缆、环形器、光纤收发电缆、插芯套管、无芯光纤、自聚焦透镜构成，所述抗拉抗压发射电缆、抗拉抗压接收电缆、光纤收发电缆均内含一根多模光纤，发射端耦合器、接收端耦合器分别经抗拉抗压发射电缆、抗拉抗压接收电缆连接到环形器；光纤收发电缆内的多模光纤插入到插芯套管内部并与无芯光纤接通，插芯套管的前端装配自聚焦透镜，光纤收发电缆内的多模光纤发出的光经过自聚焦透镜照射到叶片端面，自聚焦透镜还用于控制照射到叶片端面的光斑直径；环形器使得抗拉抗压发射电缆发射的光信号仅能被光纤收发电缆接收，光纤收发电缆传输的叶片反射光信号仅能被抗拉抗压接收电缆接收。
2.如权利要求1所述的基于自聚焦透镜的多模光纤式叶尖定时传感器，其特征是，插芯套管内的无芯光纤的长度即多模光纤到自聚焦透镜端面的距离为L1，自聚焦透镜的长度为Z，自聚焦透镜端面到叶片端面的距离为L2，自聚焦透镜的渐变系数为α，自聚焦透镜的沿轴折射率为n1，自聚焦透镜的物方顶焦距为LF，自聚焦透镜的像方顶焦距为L′F，则插芯套管内无芯光纤的长度L1的确定方法为：物方顶焦距与像方顶焦距的表达式
Figure FDA0002230167760000011
根据实际工况环境下，自聚焦透镜像方端面到叶片端面的距离L2，控制切割自聚焦透镜的长度Z，使得L1＝-LF＝L′F＝L2，此时照射到叶片端面的光斑直径最小。
3.如权利要求1所述的基于自聚焦透镜的多模光纤式叶尖定时传感器，其特征是，无芯光纤的内径大于内部多模光纤的外径。
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