CN111879435B - 吸气式光纤法珀总温探针及其测量系统 - Google Patents

吸气式光纤法珀总温探针及其测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了吸气式光纤法珀总温探针及其测量系统，包括L型管道、光纤法珀传感器、法珀支撑钢管和真空泵；L型管道包括进气道和引气管；进气道内部从上到下依次具有稳流通道、收敛通道、喉部和扩张通道；引气管连接在进气道下端，并与进气道的扩张通道连通；法珀支撑钢管头部伸入在进气道的收敛通道中，下端从进气道底部穿出；光纤法珀传感器安装在进气道的收敛通道中；工作时，通过真空泵对引气管进行抽气，进气道入口处收敛通道的风速处于一个相对高速且稳定的状态，当收敛段达到超临界状态时，法珀传感器周围的局部对流换热系数增大至一个稳定值，并不受来流静压和流速波动的影响，从而提升总温探针的测温速度、测温精度和稳定性。

Description

吸气式光纤法珀总温探针及其测量系统
技术领域
本发明属于温度传感测量领域技术领域，具体涉及吸气式光纤法珀总温探针及其测量系统。
背景技术
瞬态温度是燃烧、高速传热等应用场合下高温流场及耐温器件热力学分析的重要参数，对瞬态温度的高速动态准确测量在航空航天、燃气轮机、导弹炸药等国防工业的诸多领域具有至关重要的作用。如航空发动机研制中，需对进气道出口、转子级间等部位的气流温度进行高速动态测试；在导弹燃气射流、弹药爆炸、枪炮管内外壁等武器研究中，也都涉及瞬态温度测试。这些场合具有温度高、温变范围大且变化速度快、测量环境恶劣、难以重复等特点，对测量要求极高，难度极大。针对这些测试需求，目前普遍采用的电测法，如微细热电偶、微细热丝等测温方式，在强度可靠性、抗干扰、响应速度等方面，均存在一定缺陷，难以满足高速、恶劣工况的测量需求。而光纤传感技术则具有抗干扰、体积小、高精度、高可靠性等优势，可适应一些恶劣环境条件下温度测量的需求。其中，光纤法珀测温技术在常规测温场合已有大量应用。但在常规应用中，大部分都采用双光纤在套管内接插形成空气腔，或双光纤直接熔接形成本征腔。采用这种结构的探针感温区相对较大，导致热容大，难以适应高速动态测温的需求，必须进行针对性改进，才能满足上述特种应用环境的测试需求。
发明内容
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，吸气式光纤法珀总温探针，包括L型管道、光纤法珀传感器、法珀支撑钢管和真空泵。
所述L型管道包括进气道和引气管。
所述进气道内部从上到下依次具有稳流通道、收敛通道、喉部和扩张通道。
所述引气管连接在进气道下游，并与进气道的扩张通道连通。
所述法珀支撑钢管头部伸入在进气道的收敛通道中，其下端穿过进气道的扩张通道，并从引气管头部穿出。
所述光纤法珀传感器安装在法珀支撑钢管上，并位于进气道的收敛通道中。所述光纤法珀传感器的光纤从法珀支撑钢管尾部引出后，穿出引气管，并沿程固定在引气管的外壁上。
所述真空泵安装在引气管尾部。工作时，通过所述真空泵对引气管进行抽气。
进一步，所述光纤法珀传感器包括热敏标准具、反射金属铝膜和入射金属镍膜。
所述反射金属铝膜为不透明金属膜，厚度为100nm。所述反射金属铝膜连接在所述热敏标准具上端。
所述入射金属镍膜为半透明金属膜，厚度为10nm。所述入射金属镍膜连接在热敏标准具下端。
进一步，所述热敏标准具的材质为ZnSe，热敏标准具厚度为1.5μm。
进一步，所述引气管尾部的外壁上设置有螺纹。所述引气管通过螺纹连接有测试探针支杆。所述真空泵的进气管道连接在测试探针支杆尾部。
进一步，本发明还公开一种基于吸气式光纤法珀总温探针的测量系统，所述吸气式光纤法珀总温探针的光纤法珀传感器与测量仪相连。
所述测量仪包括光源、耦合器、光谱仪和计算机。
所述耦合器的输入端通过光纤与光源连接。所述耦合器的耦合端与光纤法珀传感器的光纤连接。所述耦合器的输出端通过光纤连接光谱仪。所述光谱仪与计算机连接。
在测量时，将所述吸气式光纤法珀总温探针置于测温环境中，如航空发动机气道，开启真空泵进行抽气，并按计算好的抽吸压力和流量使进气道喉部达到声速状态，使收敛段光纤传感器安装位置的流场Ma数固定。入射光从光源中输出，进入耦合器的输入端后，经耦合器的耦合端传播至光纤法珀传感器。光被光纤法珀传感器反射后，输出至耦合器。所述耦合器的输出端输出光谱至光谱仪。所述光谱仪将探测到的光谱信息传输至计算机，计算机将光谱信息解调计算后转化为实时温度数据，并通过上位机的数据二次处理程序对实测温度值进行修正。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，具有如下优点：
1)进气道入口处的收敛通道能有效使光纤法珀传感器处的风速处于一个相对高速且稳定的状态，有利于稳定并提高法珀传感器处的局部对流换热系数，从而提升总温探针的测温速度和测试精度；
2)真空泵安装在引气管尾部，通过吸气可进一步加大进气管中的风速，使进气道喉部附近达到声速、管道进入超临界状态，从而使得测点处的总温不受气体流速影响，减少流速校正步骤；
3)传统电类传感需形成回路才能工作，而光纤法珀传感器是单端感温，其轴向方向与气流方向一致，可大幅减小传感器在气流中的受力截面，从而降低其在高速气流下的冲击力，提升其在高速气流冲击下工作的存活率；
4)光纤法珀腔由热敏标准具、一层反射金属铝膜和一层入射金属镍膜组成。两层金属膜能够提高法珀传感器的信号对比度。且光纤法珀传感器的热敏标准具厚度只有1.5μm，具有极高的温度响应速度，因此具有测温速度快的优点。
附图说明
图1为本发明的结构透视图；
图2为本发明的平面结构示意图；
图3为图2的俯视图；
图4为光纤法珀传感器结构图；
图5为本发明的总温探针应用于航空发动机内流通道内的测温示意图；
图6为本发明的工作原理示意图；
图7为测量的光谱示意图。
图中：进气道1、稳流通道101、收敛通道102、喉部103、扩张通道104、引气管2、光纤法珀传感器3、热敏标准具301、反射金属铝膜302、入射金属镍膜303、法珀支撑钢管4、光源5、耦合器6、光谱仪7、计算机8和燃烧室9。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
本实施例公开一种应用于航空发动机内流通道的吸气式光纤法珀总温探针，参见图1至图3，包括L型管道、光纤法珀传感器3、法珀支撑钢管4和真空泵。
所述L型管道包括进气道1和引气管2。
所述进气道1上端敞口，进气道1内部从上到下依次具有稳流通道101、收敛通道102、喉部103、扩张通道104。
所述引气管2连接在进气道1下游，并与进气道1的扩张通道104连通，二者形成L型管道结构。
所述法珀支撑钢管4头部伸入在进气道1的收敛通道102中，其下端穿过进气道1的扩张通道104，并从引气管2头部穿出。
参见图4，所述光纤法珀传感器3包括热敏标准具301、反射金属铝膜302和入射金属镍膜303。
所述热敏标准具301为1.5μm厚的热敏ZnSe标准具，具有较高的热光系数，温度的变化会导致热敏标准具301折射率的变化，从而导致光在热敏标准具301内光程的变化。
所述反射金属铝膜302为不透明金属膜，厚度为100nm。所述反射金属铝膜302连接在所述热敏标准具301上端。所述入射金属镍膜303为半透明金属膜，厚度为10nm。所述入射金属镍膜303连接在热敏标准具301下端。
所述光纤法珀传感器3固定在法珀支撑钢管4上，并位于进气道1的收敛通道102中，光纤法珀传感器3的轴向方向与待测热气流方向一致。值得说明的是，纤法珀传感器3能够根据不同的动态测试性能要求安装在不同的位置。
所述光纤法珀传感器3的光纤从法珀支撑钢管4下端伸出，穿出引气管2，并沿程固定在引气管2背压侧外壁上。引气管2尾部的外壁上设置有螺纹，所述引气管2通过螺纹连接有测试探针支杆，所述真空泵通过其进气软管专用接口连接在上述探针支杆尾部。安装时，将吸气式光纤法珀总温探针的进气道1插入在航空发动机内流通道9内，使进气道1迎着风速的方向，如图5所示。
工作时，通过所述真空泵和探针支杆通道对引气管2进行抽气。当真空泵调节到一定功率、抽速和泵进口负压值时，进气道1的喉部103附件可达到声速，这时收敛通道102各截面的气流马赫数均已稳定，不受流静压和流速波动等外界气流条件的影响。光纤法珀传感器3由于安装在收敛通道102中，气流具有很高的马赫数且相对稳定，增加了光纤法珀传感器3处的局部对流换热系数，从而提升总温探针的测温速度和测试精度。
本实施例公开的吸气式光纤法珀总温探针，进气道1入口处的收敛通道102能有效使光纤法珀传感器3处的风速处于一个相对高速且稳定的状态，有利于稳定并提高法珀传感器处的局部对流换热系数，从而提升总温探针的测温速度。同时，通过将真空泵安装在引气管2尾部并进行吸气，可进一步提升管内气流速度，直至进气道达到超临界状态，从而提升探针的测温精度和稳定性。本实施例中，光纤法珀传感器3的轴向方向与热气流方向一致的安装方式，可大幅减小光纤法珀传感器3在气流中的受力截面，从而降低其在高速气流下的冲击力，提升其在高速气流冲击下工作的存活率。
实施例2：
本实施例提供一种较为基础的实现方式，一种吸气式光纤法珀总温探针，参见图1至图3，包括L型管道、光纤法珀传感器3、法珀支撑钢管4和真空泵。
所述L型管道包括进气道1和引气管2。
所述进气道1上端敞口，进气道1内部从上到下依次具有稳流通道101、收敛通道102、喉部103、扩张通道104。
所述引气管2连接在进气道1下游，并与进气道1的扩张通道104连通，二者形成L型管道结构。
所述法珀支撑钢管4头部伸入在进气道1的收敛通道102中，下端从进气道1底部穿出。
所述光纤法珀传感器3固定在法珀支撑钢管4上，并位于进气道1的收敛通道102中，光纤法珀传感器3的轴向方向与待测热气流方向一致。值得说明的是，光纤法珀传感器3能够根据不同的动态测试性能要求安装在不同的位置。
所述光纤法珀传感器3的光纤从法珀支撑钢管4下端伸出，穿出引气管2，并沿程固定在引气管2背压侧外壁上。安装时，将吸气式光纤法珀总温探针的进气道1插入在航空发动机内流通道9内，使进气道1迎着风速的方向，如图5所示。
工作时，通过所述真空泵对引气管2进行抽气。当真空泵调节到一定功率、抽速和泵进口负压值时，进气道1的喉部103附近可达到声速，这时收敛通道102各截面的气流马赫数均已稳定，不受外界条件波动的影响。光纤法珀传感器3由于安装在收敛通道102中，气流具有很高的马赫数且相对稳定，增加了光纤法珀传感器3处的局部对流换热系数，从而提升总温探针的测温速度。
实施例3：
本实施例主要结构同实施例2，进一步，参见图4，所述光纤法珀传感器3包括热敏标准具301、反射金属铝膜302和入射金属镍膜303。
所述热敏标准具301为1.5μm厚的热敏ZnSe标准具，具有较高的热光系数，温度的变化会导致标准具折射率的变化，从而导致光在热敏标准具301内光程的变化。
所述反射金属铝膜302为不透明金属膜，厚度为100nm。所述反射金属铝膜302连接在所述热敏标准具301上端。所述入射金属镍膜303为半透明金属膜，厚度为10nm。所述入射金属镍膜303连接在热敏标准具301下端。
实施例4：
本实施例主要结构同实施例2，进一步，所述引气管2尾部的外壁上具有螺纹。引气管2尾部的外壁上设置有螺纹，所述引气管2通过螺纹连接有测试探针支杆，所述真空泵通过其进气软管专用接口连接在上述探针支杆尾部。
实施例5：
本实施例公开一种基于吸气式光纤法珀总温探针的测量系统，参见图6，吸气式光纤法珀总温探针的光纤法珀传感器3与测量仪相连。
所述测量仪包括光源5、耦合器6、光谱仪7和计算机8。
所述耦合器6的输入端通过光纤与光源5连接。所述耦合器6的耦合端与光纤法珀传感器3的光纤连接。所述耦合器6的输出端通过光纤连接光谱仪7。所述光谱仪7与计算机8网络连接。
在测量时，将所述吸气式光纤法珀总温探针置于测温环境中，开启真空泵进行抽气，温度场变化使光纤材料产生热光效应。入射光从光源5中输出，进入耦合器6的输入端后，经耦合器6的耦合端传播至光纤法珀传感器3。光被光纤法珀传感器3的光纤法珀腔反射后，输出光至耦合器6。所述耦合器6的输出端输出光谱至光谱仪7。所述光谱仪7将探测到的光谱信息传输至计算机8，计算机8将光谱信息解调计算后转化为温度数据。参见图7，由于温度变化将导致热光效应的程度发生变化，光纤法珀的折射率调制程度也将不一样，使得光纤法珀腔反射和折射的光谱发生变化，通过光谱仪7和计算机8实时将光谱信息转化为实时温度数据。最后，通过将传输至计算机8的温度数据进行二次处理，编制数据修正程序对实测温度值进行修正，可实时获得当前环境温度。

Claims (3)

1.吸气式光纤法珀总温探针，其特征在于：包括L型管道、光纤法珀传感器（3）、法珀支撑钢管（4）和真空泵；
所述L型管道包括进气道（1）和引气管（2）；
所述进气道（1）内部从上到下依次具有稳流通道（101）、收敛通道（102）、喉部（103）和扩张通道（104）；
所述引气管（2）连接在进气道（1）下游，并与进气道（1）的扩张通道（104）连通；
所述法珀支撑钢管（4）头部伸入在进气道（1）的收敛通道（102）中，其下端穿过进气道（1）的扩张通道（104），并从引气管（2）头部穿出；
所述光纤法珀传感器（3）包括热敏标准具（301）、反射金属铝膜（302）和入射金属镍膜（303）；
所述反射金属铝膜（302）为不透明金属膜；所述反射金属铝膜（302）连接在所述热敏标准具（301）上端；所述入射金属镍膜（303）为半透明金属膜；所述入射金属镍膜（303）连接在热敏标准具（301）下端；所述光纤法珀传感器（3）安装在法珀支撑钢管（4）上，并位于进气道（1）的收敛通道（102）中；所述光纤法珀传感器（3）的光纤从法珀支撑钢管（4）尾部引出后，穿出引气管（2），并沿程固定在引气管（2）外壁上；
所述真空泵安装在引气管（2）尾部；所述引气管（2）尾部的外壁上设置有螺纹；所述引气管（2）通过螺纹连接有测试探针支杆；所述真空泵的进气管道连接在测试探针支杆尾部；工作时，通过所述真空泵对引气管（2）进行抽气。
2.根据权利要求1所述的吸气式光纤法珀总温探针，其特征在于：所述热敏标准具（301）的材质为ZnSe。
3.根据权利要求1所述的吸气式光纤法珀总温探针的测量系统，其特征在于：所述吸气式光纤法珀总温探针的光纤法珀传感器（3）与测量仪相连；
所述测量仪包括光源（5）、耦合器（6）、光谱仪（7）和计算机（8）；
所述耦合器（6）的输入端通过光纤与光源（5）连接；所述耦合器（6）的耦合端与光纤法珀传感器（3）的光纤连接；所述耦合器（6）的输出端通过光纤连接光谱仪（7）；所述光谱仪（7）与计算机（8）连接；
在测量时，将所述吸气式光纤法珀总温探针置于动态测温环境中，开启真空泵进行抽气，并按计算好的抽吸压力和流量使进气道（1）的喉部（103）达到声速状态；入射光从光源（5）中输出，进入耦合器（6）的输入端后，经耦合器（6）的耦合端传播至光纤法珀传感器（3）；光被光纤法珀传感器（3）反射后，输出至耦合器（6）；所述耦合器（6）的输出端输出光至光谱仪（7）；所述光谱仪（7）将探测到的光谱信息传输至计算机（8），计算机（8）将光谱信息解调计算后转化为实时温度数据。
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