CN110954501A - 一种耐高温可调谐激光吸收光谱探头结构 - Google Patents

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李飞
李欣
杨秋临
林鑫
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Abstract

本发明属于探头安装技术领域，涉及一种耐高温可调谐激光吸收光谱探头结构，包括：探头端部，耐高温宝石窗口，准直器固定架，准直器调节架，准直器，保护罩；该探头的端部为蓝宝石窗口，石墨垫片，可承受1500℃以上的长时间高温。准直器调节架具备光线的扭转和俯仰调节功能，准直器将光纤内的激光源准直为直径1mm左右的红外激光光束。保护罩具有氮气吹除接口，保护内部的准直器和光纤等光学元器件。该探头的耐温高，结构紧凑，直径小，是TDLAS技术用于高温燃气测量的敏感单元组件，该装置保证了传感器高适应性，高可靠性和高精度，是高温燃气测试系统的重要组成部分，是实现燃烧室内部温度及组分场测试的必备组件。

Description

一种耐高温可调谐激光吸收光谱探头结构
技术领域
本发明属于探头安装技术领域，涉及一种小型化耐高温可调谐激光吸收光谱(TDLAS)探头结构，用于高温、高震动等复杂环境。
背景技术
在航空航天发动机中，高温环境下的燃气温度、组分浓度等状态量的测量对于了解发动机内部的燃烧情况非常重要，同时也是燃烧组织和结构优化的重要依据。基于可调谐激光吸收光谱(TDLAS)的高温燃气测试技术是利用待测区域的分子对入射光产生吸收，并根据吸收后光强的变化情况来推算出气体温度及浓度，具有非接触式、多状态参数、量程宽、精度高、动态响应好、小型化等特点，可以实现温度、组分浓度、压强、密度等参数的测量，特别适用于高温恶劣环境的气体参数检测，因此研究基于可调谐激光吸收光谱的高温燃气测试技术对保障运行安全、提高发动机性能和能源利用效率具有重要意义，可满足国内对高温环境下实时检测燃气温度及组分浓度的军事需求。探头作为基于可调谐激光吸收光谱(TDLAS)的高温燃气测试系统的核心部件，它需要安装在发动机壁面，其尺寸、耐高温性能以及其在高振动条件下的适用性(包括抗震、光路易调节)是该探头的关键。
发明内容
本发明的目的是：公开一种耐高温可调谐激光吸收光谱探头结构，以提高航空发动机燃气在线检测技术的精度及稳定性。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
一种耐高温可调谐激光吸收光谱探头结构，所述的耐高温可调谐激光吸收光谱探头结构包括：探头端部1，耐高温宝石窗口3，准直器固定架5，准直器调节架6，准直器7，保护罩8；
所述探头端部1内部前端密封安装有耐高温宝石窗口3，后端与准直器固定架5连接；
所述准直器7安装在准直器调节架6上，准直器调节架6具备光线的扭转和俯仰调节功能,安装在准直器固定架5上；准直器7将光纤内的激光源准直为空间红外激光光束，准直器7与光纤连接；
所述保护罩8安装在准直器固定架5外围，用于保护准直器7和与准直器7相连的光纤用，准直器7、准直器调节架6位于保护罩8内部。
所述耐高温宝石窗口3与探头端部1之间安装有密封垫片，并通过窗口压环4密封固定。
所述密封垫片为环形的石墨垫片2。保证窗口与螺纹间的高温密封。
所述耐高温宝石窗口3为蓝宝石窗口。所述蓝宝石窗口的材料为单晶蓝宝石，上下表面有2°-3°楔角。主要作用是隔绝发动机高温燃气进入到探头内部的准直器、光纤附近。
所述窗口压环4为环形结构，材料为高温合金，环形中空为激光光路。
所述探头端部1材质为高温合金。
所述准直器7为成品。用于将激光器光源连接至探头部，防止激光器受到高温干扰，二者距离最大可达100米。
优选地，所述保护罩8内部通有干燥空气或惰性气体。
优选地，所述准直器固定架5为硬铝材料，与准直器调节架6螺纹连接。
所述准直器调节架6为顶丝、弹簧结构的机械调节架，硬铝材料，可以调节扭转俯仰角度，角度范围为±3°。
优选地，所述探头端部1与准直器固定架5螺纹连接。
优选地，窗口压环4为高温压环，中间孔直径10mm，与探头端部螺纹连接。
本发明的有益效果是：
公开了一种耐高温可调谐激光吸收光谱探头结构，它具有耐高温、尺寸小、易于调节的优点。相对于以往固定窗口型的结构，该发明具有光学探头的角度可调的特性，克服了发动机燃烧室差异光路的影响，保证燃烧室燃气特性分析的准确性和精度。
针对发动机燃烧室高温、高压和高振动的特点进行小型化耐高温TDLAS探头结构设计，使得探头结构具有与燃烧室外壳振动同步和耐高温等特性。
该发明的优点在于小型化耐高温TDLAS探头结构紧凑，可以为提高发动机燃烧室温度场及组分场测试分辨率提供一种可行方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对本发明的实例中需要使用的附图作简单的解释。显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的耐高温可调谐激光吸收光谱探头结构示意图；
图2为探头端部示意图；
图3为宝石窗口示意图；
图4为窗口压环示意图；
图5为保护罩示意图；
图6为本发明的探头与发动机壁面安装示意图；
其中，1-探头端部、2-石墨垫片、3-宝石窗口、4-窗口压环、5-准直器固定架、6-准直器调节架、7-准直器、8-保护罩、9-O型密封圈、10-发动机壁面、11-第一探头、12-第二探头。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。
在各个附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。
如图1所示为耐高温可调谐激光吸收光谱探头结构示意图，包括：探头端部1，耐高温宝石窗口3，准直器固定架5，准直器调节架6，准直器7，保护罩8；
所述探头端部1如图2所示，内部前端密封安装有耐高温宝石窗口3，后端与准直器固定架5连接；探头端部1为高温合金材料，能够耐受温度1500℃，外螺纹M22×1，与发动机壁面安装；探头端部1安装到发动机壁面，安装方式为外螺纹，内部安装有宝石窗口3和密封垫片2，后端用外螺纹与准直器固定架5连接。
所述准直器7安装在准直器调节架6上，准直器调节架6具备光线的扭转和俯仰调节功能，安装在准直器固定架5上；准直器7将光纤内的激光源准直为空间红外激光光束，准直器7与光纤连接；
所述耐高温宝石窗口3与探头端部1之间安装有密封垫片，并通过窗口压环4密封固定。
石墨密封垫片2厚度2mm，直径13mm。
蓝宝石窗口示意图如图3所示，其材料为单晶蓝宝石，直径为12.7mm，厚度2mm，上下表面有2-3°楔角。
窗口压环4示意图如图4所示，材料为高温压环，中间孔直径10mm，外螺纹M13×0.5与探头端部螺纹连接。
准直器固定架5为硬铝材料，内螺纹M29×1与探头端部螺纹连接。
准直器调节架6为顶丝、弹簧结构的机械调节架，硬铝材料，可以调节扭转俯仰角度，±3°，外螺纹M36×0.75与准直器固定架5螺纹连接，也可以通过螺栓压紧。
准直器7，为成品，型号为Thorlabs F220SMA，用于光纤输出激光的准直，自由光的耦合进入光纤。
所述保护罩8示意图如图5所示，安装在准直器固定架5外围，用于保护准直器7和与准直器7相连的光纤用，准直器7、准直器调节架6位于保护罩8内部。保护罩8用于保护探头内部的准直器7和光纤(连接到准直器7上)，可以通入N2或干燥空气。准直器7后面连接单模光纤(FC接头)用于从TDLAS设备的主体上将激光传输到探头，两者距离最大可达100米。
如图6所示，探头实际使用中，应在发动机壁面的上下，或左右两侧开一对螺纹孔(M22×1)，用于安装第一探头11和第二探头12，图6中中间虚线表示激光传输。第一探头11和第二探头12与发动机壁面10用o型密封圈9密封。所示的发动机燃烧室中的外壁及内壁中开槽，将探头安装在发动机内外壁之间，接收端探头和发射端探头保持分别对准，可以通过准直器三个可调螺丝进行微调保证光路准直。壁内侧为探头组成中第1部分，壁外侧为探头组成中第5部分。光耦合器单一端头通过激光准直器连接到发射端和接收端探头上，光耦合器多端口连接光纤。光信号输入控制模块连接发射端光纤，光信号输出模块连接接收端光纤。搭建完成后可用TDLAS法测量发动机燃烧室内温度及组分场。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耐高温可调谐激光吸收光谱探头结构，其特征在于：所述的耐高温可调谐激光吸收光谱探头结构包括：探头端部(1)，耐高温宝石窗口(3)，准直器固定架(5)，准直器调节架(6)，准直器(7)，保护罩(8)；
所述探头端部(1)内部前端密封安装有耐高温宝石窗口(3)，后端与准直器固定架(5)连接；
所述准直器(7)安装在准直器调节架(6)上，准直器调节架(6)具备光线的扭转和俯仰调节功能，安装在准直器固定架(5)上；准直器(7)与光纤连接；
所述保护罩(8)安装在准直器固定架(5)外围，用于保护准直器(7)和与准直器(7)相连的光纤用，准直器(7)、准直器调节架(6)位于保护罩(8)内部。
2.根据权利要求1所述的耐高温可调谐激光吸收光谱探头结构，其特征在于：所述耐高温宝石窗口(3)与探头端部(1)之间安装有密封垫片，并通过窗口压环(4)密封固定。
3.根据权利要求2所述的耐高温可调谐激光吸收光谱探头结构，其特征在于：所述密封垫片为环形的石墨垫片(2)。
4.根据权利要求1所述的耐高温可调谐激光吸收光谱探头结构，其特征在于：所述耐高温宝石窗口(3)为蓝宝石窗口；所述蓝宝石窗口的材料为单晶蓝宝石，上下表面有2°-3°楔角。
5.根据权利要求2所述的耐高温可调谐激光吸收光谱探头结构，其特征在于：所述窗口压环(4)为环形结构，材料为高温合金，环形中空为激光光路。
6.根据权利要求1所述的耐高温可调谐激光吸收光谱探头结构，其特征在于：所述探头端部(1)材质为高温合金。
7.根据权利要求1所述的耐高温可调谐激光吸收光谱探头结构，其特征在于：所述保护罩(8)内部通有干燥空气或惰性气体。
8.根据权利要求1所述的耐高温可调谐激光吸收光谱探头结构，其特征在于：所述准直器固定架(5)为硬铝材料，与准直器调节架(6)螺纹连接。
9.根据权利要求1所述的耐高温可调谐激光吸收光谱探头结构，其特征在于：所述准直器调节架(6)为顶丝、弹簧结构的机械调节架，硬铝材料，可以调节扭转俯仰角度，角度范围为±3°。
10.根据权利要求1所述的耐高温可调谐激光吸收光谱探头结构，其特征在于：所述窗口压环(4)为高温压环，与探头端部(1)螺纹连接。
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