CN111998990B - 一种用于多方向高速动态压力测量的多孔阵列光纤探针及其测量系统 - Google Patents

一种用于多方向高速动态压力测量的多孔阵列光纤探针及其测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于多方向高速动态压力测量的多孔阵列光纤探针及其测量系统，探针包括探头、感压膜片、光纤固定装置和多根光纤；所述探头上端成型有锥形结构；所述光纤固定装置为柱体，其上端连接在探头下方；所述感压膜片安装在探头与光纤固定装置之间；所述光纤固定装置和探头的外表均封装有金属保护罩；光纤探针通过支架固定在发动机内壁上，光纤探针的光纤穿过支架与高速解调仪连接，形成测量系统；本发明能够进行多路多方向压力测量，且探针制作简单，体积较小，容易在测量高速动态压力的空间内部进行安装和调试，保证压力测量的准确性。

Description

一种用于多方向高速动态压力测量的多孔阵列光纤探针及其 测量系统
技术领域
本发明属于压力传感测量领域，具体涉及一种用于多方向高速动态压力测量的多孔阵列光纤探针及其测量系统。
背景技术
航空发动机内部流场的动态压力，是航空发动机研制过程中的重要性能表征参数，而动态压力的精确测量则是发动机气动结构与优化设计的重要依据。传统压力测量使用的是电学类传感器，存在高温上限不到600℃，无法将传感器安装在发动机高温高压环境中直接感受气体压力，常常配合多孔探针和引压管路将压力引出，在发动机外部使用电学类传感器进行测量，如图7所示。广泛使用的压力传感器因为承受不了不了高温，只能通过引压管进行测试，受感部的动态测量精度、响应速度都很难达到要求。具体的，具体的，多孔探针将待测空间中各个方向的气压收集并经过较长的引压管传输至压力传感器，在传输的过程中，沿着导压管温度会逐渐下降，温度降低会影响到压力的测量，导致测量的压力与实际压力之间会有较大的误差；气压从多孔探针经引压管传输至压力传感器需要较长的时间，使得压力传感器无法对待测空间内部压力进行实时测量。
因此，现有技术中需要一种能够解决上述问题的测量探针和测量系统。
发明内容
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种用于多方向高速动态压力测量的多孔阵列光纤探针，包括探头、感压膜片、光纤固定装置和多根光纤。
所述探头为柱体，其上端成型有锥形结构。所述锥形结构尖端上设置有通孔I。所述锥形结构的斜面上均布有若干个通孔II。若干个通孔II将通孔I包围。
所述光纤固定装置为柱体，其上端连接在探头下方。所述光纤固定装置端面中心设置有与通孔I相对应的光纤容纳通孔I。所述光纤固定装置端面上均布有与通孔II一一对应的若干个光纤容纳通孔II，若干个光纤容纳通孔II将光纤容纳通孔I包围。所述光纤容纳通孔I和光纤容纳通孔II上端均扩径，形成多个扩大孔。
所述感压膜片安装在探头与光纤固定装置之间。
所述光纤分别穿入在光纤容纳通孔II和纤容纳通孔I中。多跟所述光纤与感压膜片将多个扩大孔封闭，形成多个法珀腔。
所述光纤固定装置和探头的外表均封装有金属保护罩。
进一步，所述光纤通过耐高温材料固定在光纤固定装置中。
进一步，所述通孔I与通孔II孔径相同。所述光纤容纳通孔II与光纤容纳通孔I孔径相同。
进一步，本发明还公开一种用于多方向高速动态压力测量的多孔阵列光纤探针的测量系统，所述光纤探针通过支架固定在发动机内壁上。所述光纤探针的光纤穿过支架与高速解调仪连接。
测量时，发动机内部的高温高速动态气流吹向光纤探针，通过通孔I和通孔II传输至感压膜片。所述感压膜片受压，改变法珀腔腔长，感压膜片的反射光信号经过光纤传输至高速解调仪。所述高速解调仪解调后得到法珀腔的腔长信息，并将腔长信息转化为压力信息。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，探头的多孔设计能够进行多路多方向压力测量，且探针制作简单，体积较小，容易在测量高速动态压力的空间内部进行安装和调试；外界环境与感压膜片之间距离短，使得外界环境中压力变化与探针检测的压力变化同步，保证了探针能够对外界环境的压力进行实时监测，保证压力测量的准确性。
附图说明
图1为本发明探针的结构示意图；
图2为锥形结构顶视图1；
图3为锥形结构顶视图2；
图4为测量系统测量航空发动机内部压力示意图；
图5为探针测量原理示意图；
图6为测量时波长与光强变化示意图；
图7为现有技术中发动机内腔的压力测量示意图。
图中：探头1、锥形结构101、通孔I1011、通孔II1012、感压膜片2、光纤固定装置3、光纤容纳通孔I301、光纤容纳通孔II302、光纤4、法珀腔5、金属保护罩6、耐高温材料7、支架8和高速解调仪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：
本实施例公开一种用于多方向高速动态压力测量的多孔阵列光纤探针，参见图1，包括探头1、感压膜片2、光纤固定装置3和多根光纤4。
所述探头1为柱体，其上端成型有锥形结构101。参见图2，所述锥形结构101尖端上加工有通孔I1011。所述锥形结构101的斜面上均匀加工有四个通孔II1012。四个通孔II1012将通孔I1011包围，通孔I1011与通孔II1012孔径相同，五个孔整体呈以通孔I1011为中心的阵列状分布。
所述光纤固定装置3为柱体，其上端连接在探头1下方。所述光纤固定装置3端面中心加工有与通孔I1011相对应的光纤容纳通孔I301。所述光纤固定装置3端面上均布有与通孔II1012一一对应的若干个光纤容纳通孔II302，若干个光纤容纳通孔II302将光纤容纳通孔I301包围，光纤容纳通孔II302与光纤容纳通孔I301孔径相同。所述光纤容纳通孔I301和光纤容纳通孔II302上端均扩径，形成多个扩大孔。本实施例中，探头1和光纤固定装置3材质相同，其材质可以选择金属、SiO2等等。
所述感压膜片2置于探头1与光纤固定装置3之间。感压膜片2是作为感受压力的部件。当外界气压不为0时，通过通孔I1011和通孔II1012传输过来的气压就会使感压膜片2挠度发生变化，气压越大，感压膜片2形变的挠度也越大。
所述光纤4分别穿入在光纤容纳通孔II302和纤容纳通孔I301中，并通过填充耐高温材料7固定。多跟所述光纤4与感压膜片2将多个扩大孔封闭，形成多个法珀腔5。扩大孔通过刻蚀方法制成，这样做目的是为了让法珀腔5的直径更大，每个法珀腔5上的感压膜片2对压力更为敏感，增大灵敏度。
所述光纤固定装置3和探头1的外表均封装有金属保护罩6，用以保护内部光纤固定装置3和探头1，使探针不容易受到损坏；同时在探针的通孔I1011和通孔II1012处，金属保护罩6预留孔以保证探针孔内的气压能与待测空间中气压保持一致。
当外界压力作用到感压膜片2上时，感压膜片2挠度发生变化，法珀腔5的腔长也会随之发生变化，使得输出光谱发生变化，通过解调光谱，可测得动态压力的变化。
本实施例公开的光纤探针，探头1的多孔设计能够进行多路多方向压力测量，且探针制作简单，体积较小，容易在测量高速动态压力的空间内部进行安装和调试；外界环境与感压膜片2之间距离短，使得外界环境中压力变化与探针检测的压力变化同步，保证了探针能够对外界环境的压力进行实时监测，保证压力测量的准确性。
实施例2：
本实施例提供一种较为基础的实现方式，一种用于多方向高速动态压力测量的多孔阵列光纤探针，参见图1，包括探头1、感压膜片2、光纤固定装置3和多根光纤4。
所述探头1为柱体，其上端成型有锥形结构101。参见图2，所述锥形结构101尖端上加工有通孔I1011。所述锥形结构101的斜面上均匀加工有六个通孔II1012。六个通孔II1012将通孔I1011包围，通孔I1011与通孔II1012孔径相同，七个孔整体呈以通孔I1011为中心的阵列状分布。
所述光纤固定装置3为柱体，其上端连接在探头1下方。所述光纤固定装置3端面中心加工有与通孔I1011相对应的光纤容纳通孔I301。所述光纤固定装置3端面上均布有与通孔II1012一一对应的若干个光纤容纳通孔II302，若干个光纤容纳通孔II302将光纤容纳通孔I301包围，光纤容纳通孔II302与光纤容纳通孔I301孔径相同。所述光纤容纳通孔I301和光纤容纳通孔II302上端均扩径，形成多个扩大孔。
所述感压膜片2置于探头1与光纤固定装置3之间。感压膜片2是作为感受压力的部件。当外界气压不为0时，通过通孔I1011和通孔II1012传输过来的气压就会使感压膜片2挠度发生变化，气压越大，感压膜片2形变的挠度也越大。
所述光纤4分别穿入在光纤容纳通孔II302和纤容纳通孔I301中。多跟所述光纤4与感压膜片2将多个扩大孔封闭，形成多个法珀腔5。扩大孔通过刻蚀方法制成，这样做目的是为了让法珀腔5的直径更大，每个法珀腔5上的感压膜片2对压力更为敏感，增大灵敏度。
所述光纤固定装置3和探头1的外表均封装有金属保护罩6，用以保护内部光纤固定装置3和探头1，使探针不容易受到损坏；同时在探针的通孔I1011和通孔II1012处，金属保护罩6预留孔以保证探针孔内的气压能与待测空间中气压保持一致。
当外界压力作用到感压膜片2上时，感压膜片2挠度发生变化，法珀腔5的腔长也会随之发生变化，使得输出光谱发生变化，通过解调光谱，可测得动态压力的变化。
本实施例公开的光纤探针，探头1的多孔设计能够进行多路多方向压力测量，且探针制作简单，体积较小，容易在测量高速动态压力的空间内部进行安装和调试；外界环境与感压膜片2之间距离短，使得外界环境中压力变化与探针检测的压力变化同步，保证了探针能够对外界环境的压力进行实时监测。
实施例3：
本实施例主要结构同实施例2，进一步，所述光纤4分别穿入在光纤容纳通孔II302和纤容纳通孔I301中，并通过填充耐高温材料7固定。
实施例4：
本实施例公开一种基于用于多方向高速动态压力测量的多孔阵列光纤探针的测量系统，参见图4至图5，所述光纤探针通过支架8固定在发动机内壁上。所述光纤探针的光纤4穿过支架8内部与高速解调仪9连接。
测量时，发动机内部的高温高速动态气流吹向光纤探针。所述光纤探针将航空发动机内部各个方向的气压收集并通过通孔I1011和通孔II1012传输至感压膜片2。所述感压膜片2受压后挠度发生变化，改变法珀腔5腔长，感压膜片2反射回来的信号经过光纤4传输至高速解调仪9。所述高速解调仪9解调后得到法珀腔5的腔长信息，并将腔长信息转化为压力信息，即可获得待测空间内部各个方向的压力大小。假设法珀腔5腔长为L，从光纤4射出的光在感压膜片2处发生反射，入射光与反射光相遇发生干涉，干涉信号如(1)式。干涉得到的光谱信号曲线为余弦曲线，法珀腔5越短，信号的频率越小。
Figure BDA0002637856390000061
式(1)中，IR(λ)是干涉光谱信号，I0(λ)是入射光的光强，R为膜片的反射率，λ为入射光的波长，L是法珀腔5的腔长。对干涉光谱曲线归一化得到图6。

Claims (3)

1.一种用于多方向高速动态压力测量的多孔阵列光纤探针，其特征在于：包括探头(1)、感压膜片(2)、光纤固定装置(3)和多根光纤(4)；
所述探头(1)为柱体，其上端成型有锥形结构(101)；所述锥形结构(101)尖端上设置有通孔I(1011)；所述锥形结构(101)的斜面上均布有若干个通孔II(1012)；若干个通孔II(1012)将通孔I(1011)包围；
所述光纤固定装置(3)为柱体，其上端连接在探头(1)下方；所述光纤固定装置(3)的外径与探头(1)的外径相同；所述光纤固定装置(3)端面中心设置有与通孔I(1011)相对应的光纤容纳通孔I(301)；所述光纤固定装置(3)端面上均布有与通孔II(1012)一一对应的若干个光纤容纳通孔II(302)，若干个光纤容纳通孔II(302)将光纤容纳通孔I(301)包围；所述光纤容纳通孔I(301)和光纤容纳通孔II(302)上端均扩径，形成多个扩大孔；
所述感压膜片(2)安装在探头(1)与光纤固定装置(3)之间；
所述光纤(4)分别穿入在光纤容纳通孔II(302)和纤容纳通孔I(301)中；多跟所述光纤(4)与感压膜片(2)将多个扩大孔封闭，形成多个法珀腔(5)；
所述光纤固定装置(3)和探头(1)的外表均封装有金属保护罩(6)；
所述光纤探针通过支架(8)固定在发动机内壁上；所述光纤探针的光纤(4)穿过支架(8)与高速解调仪(9)连接；
测量时，发动机内部的高温高速动态气流吹向光纤探针，通过通孔I(1011)和通孔II(1012)传输至感压膜片(2)；所述感压膜片(2)受压，改变法珀腔(5)腔长，感压膜片(2)的反射光信号经过光纤(4)传输至高速解调仪(9)；所述高速解调仪(9)解调后得到法珀腔(5)的腔长信息，并将腔长信息转化为压力信息。
2.根据权利要求1所述的一种用于多方向高速动态压力测量的多孔阵列光纤探针，其特征在于：所述光纤(4)通过耐高温材料(7)固定在光纤固定装置(3)中。
3.根据权利要求1所述的一种用于多方向高速动态压力测量的多孔阵列光纤探针，其特征在于：所述通孔I(1011)与通孔II(1012)孔径相同；所述光纤容纳通孔II(302)与光纤容纳通孔I(301)孔径相同。
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