CN111337157A - 基于激光光学试纸的高频响测温方法 - Google Patents

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王瑞玲
吴锋
张志宏
宋国堃
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Abstract

本发明涉及一种基于激光光学试纸的高频响测温方法，属于航空发动机试验测试领域。本发明的目的是为了解决目前航空发动机试验温度测试技术存在测量频响低，灵活性较差等问题，提供一种基于激光光学试纸的高频响测温方法。该方法通过将一种具有覆盖223～700K测温范围的高分辨力温敏粒子制备到具有一定二维尺寸的基底材料上，在激光器发射的具有额定参数的激光作用下，整个附着有温敏粒子的基底区域会发射出随温度变化而快速变化的荧光，通过分析该荧光信号测得流场温度，从而实现发动机进气流场温度快速响应、多维度测量的目的。

Description

基于激光光学试纸的高频响测温方法
技术领域
本发明涉及一种基于激光光学试纸的高频响测温方法，属于航空发动机试验测试领域。
背景技术
温度是航空发动机试验测试的核心参数之一，目前主要采用热电偶或热电阻等接触式传感器对发动机进气温度进行测量，这类方法主要存在以下不足：1)温度响应速度慢，普遍高于100ms，因此无法满足温度畸变、高温升率等发动机特种试验测试需求；2)单点式测量，数据量有限，不能反映温度的二维及多维分布。
除了接触式方法外还有利用光学方法开展发动机温度测量的案例，比如滤波瑞利散射法，红外法，示温漆等，但这类光学方法普遍存在以下不足：1)设备集成度高，各模块间耦合性强，成本昂贵；此外由于发动机试验过程存在振动、噪声、扰流等诸多干扰因素，不满足这类光学设备许用条件；2)实时性较差，往往需要经过后处理才能获得测试结果；3)航空发动机试验温度变化覆盖负温至高温区，而现有部分光学测试方法需要替换不同的感温元件对其进行分段测量，因此只能测量某一较窄温度区间；此外，某些方法仅能感受温度单向变化；这导致测试方法灵活性、适用性存在局限。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前航空发动机试验温度测试技术存在测量频响低，灵活性较差等问题，提供一种基于激光光学试纸的高频响测温方法。该方法通过将一种具有覆盖223～700K测温范围的温敏粒子制备到具有一定二维尺寸的基底材料上，在激光器发射的具有额定参数的激光作用下，整个附着有温敏粒子的基底区域会发射出随温度变化而快速变化的荧光，通过分析该荧光信号测得流场温度，从而实现发动机试验进气流场温度快速响应、多维度测量的目的。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
基于激光光学试纸的高频响测温方法，首先通过理化反应制备出一种可以感受223～700K的温度敏感材料，这种材料的温度响应时间优于20ms因此可以迅速响应流场温度变化；然后，利用微加工技术将温敏材料粒子加工成微小的探针头部或者贴片试纸的形式；接着，在具有额定参数的激光作用下，温敏粒子区域将会发射与流场环境温度相关的荧光，通过对荧光信号的检测与分析得到流场温度。
利用微纳工艺技术将温敏粒子制备到基底上，制备工艺要求温敏粒子覆盖均匀；在基底中埋入热电偶丝以监测基底的温度，可用于后续温度修正。
温敏材料制备到基底上可采用两种方式，一是将温敏材料制作成液态形式，并与专用光学胶混合，将混合液粘涂在基底上；另一种方式则是通过物理化学方法，将温敏粒子制作成光学薄膜的形式，薄膜厚度在微米量级保证其热惯性低即具有快速换热特性，然后通过物理沉积方法将光学薄膜制备到基底上。在将温敏材料制作为胶状液态或薄膜形式过程要保证温敏材料密度分布均匀，不得出现温敏材料团积的情况。总之，无论是涂抹的方式还是物理化学沉积方式，其制备过程都应该保证温敏材料均匀地附着在基底表面，且厚度控制在微米以内。
工作过程：这里以光学试纸测量航空发动机试验进气流场中心流温度为例说明本发明工作过程。首先，根据温敏材料的特性选择合适的激励光源，保证光源参数符合温敏材料特性；接着，通过由柔性光纤或导光臂组成的光源光路将激励光源引入位于流量管中心流的光学试纸测量面上方一定距离；光源光路的另一端配备有扩束棱镜，它可以将光源光路的线光源扩束成面光源，此时通过观察窗确认面光源是否能覆盖光学试纸有效测温区域范围，若不能完全覆盖则调节光纤/导光臂与光学试纸的距离。
进气气流与光学试纸开始换热，测试开始，测控终端给光源启动信号，激光按连续或者脉冲的形式作用到光学试纸上，接着荧光信号采集器连续高频采集光学试纸发射的荧光，并实时送入测控终端；测控终端通过分析各个时刻荧光的强度，结合内置的算法将温度数据快速计算输出。
有益效果
1)本发明的基于激光光学试纸的高频响测温方法，由于采用温敏材料作为温度感应的核心，其热响应时间可优于20ms，能比现有的热电偶或小惯性热电偶更快地跟踪发动机试验进气流场温度变化，所以能实现航空发动机试验进气温度动态测量，满足温度畸变、高温升率等航空发动机特种试验温度测量需求。
2)本发明的基于激光光学试纸的高频响测温方法，采用的温敏材料范围覆盖223～700K，使其不需要采用更换感温元件进行分段测量的方式就能测到一个满足航空发动机试验要求的宽范围温度区间；此外，温敏材料的荧光信号可以跟随温度变化而变化，这弥补了传统示温漆技术只能测单向温度变化的不足；
3)本发明的基于激光光学试纸的高频响测温方法，光学试纸本身是一块二维的感温面，所以它可以反映一个二维区域的温度连续分布特性因此相对于传统单点测温方式它能得到更丰富的流场温度分布信息；光学试纸可配合机械辅助机构使其能测量发动机试验进气流场从中心区到壁面区的大范围区域温度参数；
4)本发明中的温敏材料、激光器、试纸形式、光路设计等可以根据实际测试需求进行再设计、改造，所以本方法较某些商业产品更具灵活性，例如可采用柔性光纤作为激励光、荧光信号的传导介质，由于光纤具有体积小，信号传输不受发动机试验振动、噪声等干扰，因此既能克服现有多点热电偶对流场造成影响的问题，又可以保证信号传输适用于航空发动机试验环境，减小测试误差。
附图说明
图1为光学试纸与光路布置结构；
图2为温敏粒子与基底的局部放大图；
图3为光学试纸应用于流场测温布局示意图。
其中，1—柔性光纤、2—棱镜、3—温敏粒子、4—基底、5—热电偶丝、6—流场、7—激光器、8—光学视窗、9—光学试纸、10—荧光信号采集器、11—测控终端。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
采用基于激光光学试纸的高频响测温方法对航空发动机试验进气流场温度进行测量，具体实施过程如下：
首先，将温敏材料制备到具有一个具有二维尺寸的基底(4)上，保证制备过程中温敏粒子(3)中温敏材料分布均匀且材料附着层厚度在微米级；与传统热电偶或热电阻传感器相比，该方式可测得流场温度的二维分布。
根据温敏材料特性选择合适的激励光源(7)，保证激光参数(例如激光强度，波长等参数)符合材料测温特性；接着通过由柔性光纤或导光臂(1)组成的光源光路(1)将激励光源引入位于流量管中心流的光学试纸(9)测量面上方一定距离；光源光路的另一端配备有扩束棱镜(2)，可以将光源光路的线光源扩束成面光源，从而有效地覆盖温敏感温区域；通过观察窗确认面光源是否能覆盖光学试纸(9)有效测温区域范围，若不能完全覆盖则调节光纤或导光臂(1)与光学试纸的距离。
试验进气开始，光学试纸(9)感受进气流场温度变化，测控终端(11)给激光光源(7)启动信号，激光按连续或者脉冲的形式作用到光学试纸(9)上；接着，荧光信号采集器(10)连续高频采集光学试纸(9)发射的荧光，且保证信号采集频率大于温敏材料的温度响应频率(即采样时间优于20ms)；与传统方法约100ms的热响应时间相比，该方法可达到20ms温度响应时间即能够更快地跟踪航空发动机试验进气温度变化。
数据处理：测控终端程序通过分析各采样点的荧光强度，通过荧光强度与温度的标定关系，系统的内置算法可以实时解析出某一荧光强度对应的温度，通过终端显示和存储功能将温度测量数据快速输出并存储。这里的内置算法设计可通过检测荧光光强求解温度。荧光强度与温度的算法关系的建立是通过对材料荧光与标准温度进行标定获得的，标定过程如下：在223～700K范围内，取至少N＝10个采样点，每一个采样点测量次数M≥3次，在剔除粗大误差后取算数平均值；获得N个荧光强度和温度的采样点后，通过多项式拟合方法得到荧光与温度的函数关系，该函数关系即为内置算法的核心算法。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于激光光学试纸的高频响测温方法，其特征在于：将响应时间优于20ms、温感度位于223～700K的感温温敏材料粒子加工成细小的探针头部或者贴片试纸的形式；再在具有额定参数的激光作用下，附着有温敏粒子的区域将会发射与流场温度相关的荧光，通过对荧光信号的检测得到流场温度。
2.如权利要求1所述的基于激光光学试纸的高频响测温方法，其特征在于：加工成细小的探针头部或者贴片试纸的方法为：利用微纳工艺技术将温敏粒子(3)制备到基底(4)上，需保证温敏粒子覆盖均匀；在基底(4)中埋入若干热电偶丝(5)以监测基底的温度，以用于后续温度修正。
3.如权利要求2所述的基于激光光学试纸的高频响测温方法，其特征在于：利用微纳工艺技术将温敏粒子(3)制备到基底(4)上的方法为：将温敏材料制作成液态形式，并掺入专用光学胶的方式将粘性温敏液体均匀涂抹在基底上(4)。
4.如权利要求2所述的基于激光光学试纸的高频响测温方法，其特征在于：利用微纳工艺技术将温敏粒子(3)制备到基底(4)上的方法为：通过物理化学方法，将温敏粒子(3)制作成光学薄膜的形式，然后通过物理沉积方法将光学薄膜均匀制备到基底(4)上。
5.如权利要求4所述的基于激光光学试纸的高频响测温方法，其特征在于：所述光学薄膜的厚度为微米量级，以保证其热惯性低即具有快速换热特性。
6.采用如权利要求1至5任意一项所述的基于激光光学试纸的高频响测温方法对测量进气流场中心流温度进行测量的方法，其特征在于：首先，根据温敏材料的特性选择合适的激励光源(7)，保证光源满足材料测温特性；接着通过由柔性光纤或导光臂组成的光源光路将激励光源引入位于流量管中心流的光学试纸测量面上方一定距离；光源光路的另一端配备有扩束棱镜(2)，可将光源光路的线光源扩束成面光源，此时通过观察窗确认面光源是否能覆盖光学试纸有效测温区域范围，若不能完全覆盖则调节光纤/导光臂与光学试纸的距离；
进气气流与光学试纸开始换热，测试开始，测控终端(11)给激励光源(7)启动信号，激光按连续或者脉冲的形式作用到光学试纸(9)上，接着荧光信号采集器连续高频采集光学试纸发射的荧光，并实时送入测控终端(11)；测控终端通过分析荧光参数并结合内置的算法将温度数据快速计算输出。
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