CN112697302A - 基于光纤光栅的总温探针及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于光纤光栅的总温探针及其制作方法，探针包括滞止罩、套筒、保护套管、传输光纤、熔球、光纤光栅、出气孔和高温胶；制作方法步骤为：1)在保护套管的一端进行点焊；2)加工出气孔；3)将保护套管插入到套筒中；将套筒插入到滞止罩中；4)在滞止罩、套筒外接处进行焊接，形成焊缝I；在套筒和保护套管外接处进行焊接，形成焊缝II；5)将传输光纤插入到保护套管中；6)在传输光纤和保护套管内壁之间涂高温胶；7)将总温探针放在高温炉里进行分阶段固化。本发明的光谱传输信号不受电磁干扰，传导光纤采用金属化涂覆保证其结构强度，在航空发动机恶劣环境下可靠性高。

Description

基于光纤光栅的总温探针及其制作方法

技术领域

本发明涉及流场总温测试技术领域，具体是基于光纤光栅的总温探针及其制作方法。

背景技术

高温高速气流的总温测试在航空航天技术领域中，特别是航空发动机的设计、研制和实验中非常重要，它可以用于计算压气机和涡轮机的工作效率，还可以测量燃烧室出口温度分布，确保涡轮叶片安全工作等。

测量装置的引入势必会影响流场分布，进而影响发动机工作性能，因此需要测量装置的迎风面尽量小，同时还要保证测量装置的可靠性以及测量精度。

目前，国内外对高温高速气流总温测量采用最广泛的是采用滞止罩式总温热电偶探针，这种测量方法具有结构简单，测温精度高的优点。但由于热电偶需构成电回路以及需绝缘保护，测温装置体积难以做得很小，从而对流场产生较大干扰。航空发动机喷流等高速气流流场的总温、总压比较高，在高速喷射状态下产生的固体颗粒速度很高，会对总温热电偶产生较大的损坏，如果为了追求小体积而将偶丝做的很细便更容易损坏。此外，热电偶存在热电势和热电势率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，易烧坏，易受电磁干扰等缺点。

现有技术存在将黑体腔光纤安放在滞止室内的总温传感器，这种利用黑体辐射原理进行感温，主要适用于高温环境，分辨力较低。此外，光纤黑体腔是由脉冲激光溅射沉积法对光纤探针前端进行镀膜制作而成，在高速喷射状态下产生的固体颗粒冲击膜层会对黑体腔产生较大的损坏，并且气流中的污染物会污染膜层使黑体腔的测量精度大大降低。

发明内容

本发明的目的是提供基于光纤光栅的总温探针，包括滞止罩、套筒、保护套管、传输光纤、熔球、光纤光栅、出气孔和高温胶；

所述滞止罩的一端开设有进气孔；

所述滞止罩的侧壁开设有若干出气孔；

所述出气孔的数量为偶数。若干出气孔对称分布。所述出气孔的横截面积之和为进气孔横截面积的30％～40％。

所述滞止罩内放置有套筒；

所述滞止罩和套筒焊接；

所述滞止罩为筒体。

所述滞止罩和保护套管之间具有空隙。

所述套筒内放置有保护套管；

所述套筒和保护套管焊接；

所述保护套管靠近进气孔的一端焊接有熔球；

所述保护套管内放置有传输光纤；

所述传输光纤通过高温胶与保护套管内壁粘接；

所述传输光纤靠近进气孔的一端刻写有光纤光栅。

所述光纤光栅为感温元件。

所述基于光纤光栅的总温探针的制作方法，包括以下步骤：

1)利用冷焊机在保护套管的一端进行点焊，形成熔球；

2)利用电火花微孔加工技术在滞止罩侧壁上加工出气孔；

3)在电子显微镜下用千分尺确定滞止罩、套筒和保护套管焊接点的位置，并做好标记；

4)将保护套管插入到套筒中；将套筒插入到滞止罩中；

5)利用激光加工装置控制滞止罩、套筒和保护套管的位置；在滞止罩、套筒外接处进行焊接，形成焊缝I；在套筒和保护套管外接处进行焊接，形成焊缝II；

6)将传输光纤插入到保护套管中，并用精密位移台控制光纤插入的长度；

7)利用电子显微镜和精密位移台在传输光纤和保护套管内壁之间涂高温胶，形成基于光纤光栅的总温探针；

8)将基于光纤光栅的总温探针放在高温炉里，进行分阶段固化。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明提供了基于光纤光栅的气流总温探针及其制作方法，采用光纤光栅作为感温元件，大大减小了探针的直径。本发明提供的探针以光谱传输信号使其不受电磁干扰，传导光纤采用金属化涂覆保证其结构强度，从而在航空发动机恶劣环境下可靠性得以保证。金属结构件之间采用激光焊接的方法进行封装，保证其结构强度，同时焊接点的热膨胀系数与金属结构件相同从而在高温下不会受到热应力影响而损坏。本发明将光纤光栅放置在光纤的端头，感温速度更快且更接近总温，使用短距光栅，光谱信号更加稳定；光纤外使用保护套管对光纤进行保护，探针的可靠性大大提高。

附图说明

图1为光纤光栅总温探针结构图；

图2为光纤光栅原理示意图；

图3为航空发动机内部总温测量方法；

图4(a)为探针结构俯视图。

图4(b)为探针结构主视图。

图4(c)为探针结构右视图。

图4(d)为探针结构立体图。

图5为探针制作流程图。

图中：滞止罩1、套筒2、保护套管3、传输光纤4、熔球5、光纤光栅6、出气孔7、高温胶8、焊缝I9、进气孔11、焊缝II10。

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：

参见图1、图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)，基于光纤光栅的总温探针，包括滞止罩1、套筒2、保护套管3、传输光纤4、熔球5、光纤光栅6、出气孔7和高温胶8；

所述滞止罩1的一端开设有进气孔11；

所述滞止罩1的侧壁开设有若干出气孔7；

所述出气孔7的数量为偶数(大于等于2)；若干出气孔7对称分布。

所述出气孔7的横截面积之和为进气孔11横截面积的30％～40％。

所述滞止罩1内放置有套筒2；

所述滞止罩1和套筒2焊接，形成焊缝I9；

所述滞止罩1为筒体。

所述滞止罩1和保护套管3之间具有空隙。

所述套筒2内放置有保护套管3；

所述套筒2和保护套管3焊接，形成焊缝II10；

所述保护套管3靠近进气孔11的一端焊接有熔球5；

所述保护套管3内放置有传输光纤4；

所述传输光纤4通过高温胶8与保护套管3内壁粘接；

所述传输光纤4靠近进气孔11的一端刻写有光纤光栅6。

所述光纤光栅6为感温元件。

实施例2：

基于光纤光栅的总温探针，包括滞止罩1、套筒2、保护套管3、传输光纤4、熔球5、光纤光栅6、出气孔7和高温胶8；

所述滞止罩1的一端开设有进气孔11；

所述滞止罩1的侧壁开设有若干出气孔7；

所述滞止罩1内放置有套筒2；

所述滞止罩1和套筒2焊接，形成焊缝I9；

所述滞止罩1和保护套管3之间具有空隙。

所述套筒2内放置有保护套管3；

所述套筒2和保护套管3焊接，形成焊缝II10；

所述保护套管3靠近进气孔11的一端焊接有熔球5；

所述保护套管3内放置有传输光纤4；

所述传输光纤4通过高温胶8与保护套管3内壁粘接；

所述传输光纤4靠近进气孔11的一端刻写有光纤光栅6。

所述光纤光栅6为感温元件。

实施例3：

基于光纤光栅的总温探针，主要结构见实施例2，其中，出气孔7的数量为2，每个出气孔面积为进气孔的15％——20％，这一面积比可以获得最好的滞止效果。所述进气孔进行了45度倒角。

实施例4：

基于光纤光栅的总温探针，主要结构见实施例2，其中，光纤光栅置于光纤的顶端，可以最快感温；采用短距光栅可以减小由光栅温度分布不均造成的误差。

实施例5：

参见图2，基于光纤光栅的总温探针的工作原理如下：

根据光纤光栅的谐振条件，当一束宽带光入射到光纤光栅时，满足谐振条件的特定波长的光被光纤光栅反射并沿原路返回，其余所有不满足谐振条件的光的传输不受影响，它们将继续无损耗地穿过光纤光栅。光纤光栅的谐振条件为

λ_B＝2n_effΛ (1)

式中，λ_B是光纤光栅的布拉格波长，即被光纤光栅反射回来的波长；Λ是光纤光栅的光栅周期，即栅距；n_eff是光纤光栅纤芯的有效折射率。由式(1)可知，光纤光栅的布拉格波长λ_B取决于光纤光栅的栅距Λ和有效折射率n_eff。

探针工作原理：探针进气孔朝向气流来流方向，高速气流在探针端头被减速滞止，动能转化为内能，热量通过空气和金属管传递到光纤光栅，光纤光栅的温度发生变化，使得光纤光栅的栅距Λ或有效折射率n_eff发生变化，光纤光栅的布拉格波长λ_B亦发生相应的变化。因此，通过探测布拉格波长λ_B的变化便可求出外界温度的温度，即

T＝ΔT+T₀＝Δλ_B/K_T+λ₀ (2)

式中K_T为光纤光栅的温度灵敏系数。

实施例6：

参见图3，基于光纤光栅的总温探针的运用到航空发动机内部的高速动态温度的测量过程如下：

首先将光纤光栅总温探针安装在探针安装装置上，再将探针安装装置固定在发动机内壁上，使探针滞止罩进气孔正对高速气流来流方向，铠装传输光纤连接到解调仪，解调仪与电脑之间通过网线连接。

滞止罩将高速气流滞止，将动能转化为内能，经过热传递，热量传递给光纤光栅。解调仪提供宽带光由传输光纤传入光纤光栅，光纤光栅感受温度变化，反射包含温度信息的窄带光，解调仪读取反射光的光谱信息，将其通过网线传递到电脑。电脑对光谱信号进行解调，获得相应的温度信息，实现总温的测量。

实施例7：

参见图5，所述基于光纤光栅的总温探针的制作方法，包括以下步骤：

1)利用冷焊机在保护套管3的一端进行点焊，形成熔球5；

2)利用电火花微孔加工技术在滞止罩1侧壁上加工出气孔7；

3)在电子显微镜下用千分尺确定滞止罩1、套筒2和保护套管3焊接点的位置，并做好焊接点位置的标记；

4)将保护套管3插入到套筒2中；将套筒2插入到滞止罩1中；

5)利用激光加工装置控制滞止罩1、套筒2和保护套管3的位置；在滞止罩1、套筒2外接处进行焊接，形成焊缝I9；在套筒2和保护套管3外接处进行焊接，形成焊缝II10；

6)将传输光纤4插入到保护套管3中，插入过程中用精密位移台控制光纤插入的长度；

7)利用电子显微镜下在传输光纤4和保护套管3内壁之间涂高温胶8，形成基于光纤光栅的总温探针；

8)将基于光纤光栅的总温探针放在高温炉里，进行分阶段固化。

实施例8：

参见图5，所述基于光纤光栅的总温探针的制作方法，包括以下步骤：

1)材料准备；

2)通过冷焊机在保护套管端头点焊形成熔球，对其进行密封；

3)采用电火花微孔加工技术在滞止罩壁上预定位置加工两个面积均为进气孔面积15％——20％的微孔作为出气孔；

4)在电子显微镜下用千分尺确定滞止罩、套筒和保护套管上焊接点的位置并做好标记；

5)使用激光加工装置精确控制位置，在滞止罩和套筒以及套筒和保护套管外接处进行焊接，形成致密的圆周焊缝；

6)将光纤穿入保护套管，在电子显微镜下用精密位移台精确控制涂胶位置，涂过胶之后在高温炉里分阶段固化。

Claims (7)

1.基于光纤光栅的总温探针，其特征在于：包括滞止罩(1)、套筒(2)、保护套管(3)、传输光纤(4)、所述熔球(5)、光纤光栅(6)、出气孔(7)和高温胶(8)。

所述滞止罩(1)的一端开设有进气孔(11)；

所述滞止罩(1)的侧壁开设有若干出气孔(7)；

所述滞止罩(1)内放置有套筒(2)；

所述滞止罩(1)和套筒(2)焊接；

所述套筒(2)内放置有保护套管(3)；

所述套筒(2)和保护套管(3)焊接；

所述保护套管(3)靠近进气孔(11)的一端焊接有熔球(5)；

所述保护套管(3)内放置有传输光纤(4)；

所述传输光纤(4)通过高温胶(8)与保护套管(3)内壁粘接；

所述传输光纤(4)靠近进气孔(11)的一端刻写有光纤光栅(6)。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的总温探针，其特征在于：所述滞止罩(1)为筒体。

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的总温探针，其特征在于：所述出气孔(7)的数量为偶数；若干出气孔(7)对称分布。

4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的总温探针，其特征在于：所述出气孔(7)的横截面积之和为进气孔(11)横截面积的30％_～40％。

5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的总温探针，其特征在于：所述光纤光栅(6)为感温元件。

6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的总温探针，其特征在于：所述滞止罩(1)和保护套管(3)之间具有空隙。

7.权利要求1至6任一项所述基于光纤光栅的总温探针的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用冷焊机在保护套管(3)的一端进行点焊，形成熔球(5)；

2)利用电火花微孔加工技术在滞止罩(1)侧壁上加工出气孔(7)；

3)在电子显微镜下用千分尺确定滞止罩(1)、套筒(2)和保护套管(3)焊接点的位置，并做好标记；

4)将保护套管(3)插入到套筒(2)中；将套筒(2)插入到滞止罩(1)中；

5)利用激光加工装置控制滞止罩(1)、套筒(2)和保护套管(3)的位置；在滞止罩(1)、套筒(2)外接处进行焊接，形成焊缝I(9)；在套筒(2)和保护套管(3)外接处进行焊接，形成焊缝II(10)；

6)将传输光纤(4)插入到保护套管(3)中，并用精密位移台控制光纤插入的长度；

7)利用电子显微镜和精密位移台在传输光纤(4)和保护套管(3)内壁之间涂高温胶(8)，形成基于光纤光栅的总温探针；

8)将基于光纤光栅的总温探针放在高温炉里，进行分阶段固化。

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