CN113188801A - 基于荧光寿命的发动机叶片温度动态扫描测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于荧光寿命的发动机叶片温度动态扫描测量装置及方法，包括环形荧光探测器，其上方设置有激光器，下方设置有窄带滤光片，环形荧光探测器与窄带滤光片均开设有通孔，两通孔相对，用以使激光器发出的激励激光穿过，窄带滤光片下方设置有第一蓝宝石导光棒，其可竖直滑动地安装在滑轨上，第一蓝宝石导光棒下方垂直连接有第二蓝宝石导光棒，第一蓝宝石导光棒与第二蓝宝石导光棒连接处倾斜设置有凹面反射镜，使光在第一蓝宝石导光棒与第二蓝宝石导光棒间反射，第二蓝宝石导光棒自由端连接有可调探头，可调探头与涂有荧光材料的涡轮叶片相对。本发明装置及方法用以对涡轮叶片多点温度的实时动态测量，实现非接触全场温度的测量。

Description

基于荧光寿命的发动机叶片温度动态扫描测量装置及方法
技术领域
本发明涉及航空技术领域，特别是涉及一种基于荧光寿命的发动机叶片温度动态扫描测量装置及方法。
背景技术
航空发动机作为现代飞机的动力来源，不断向着更高性能，更高推重比的方向发展，所以涡轮叶片的温度也不断升高，目前第四代发动机的涡轮进口温度已经达到1800℃以上，预计未来第五代发动机的涡轮进口温度可达到2000℃。热端部件长期在高温、高压、高转速的环境下工作，材料本身的强度等性能会下降，可能会发生蠕变甚至断裂，造成严重后果。涡轮叶片是发动机最重要的热端部件，是发动机工作温度最高的旋转部件，它的耐高温性能直接决定着发动机的最高工作温度。所以准确测量发动机涡轮叶片正常工作时的温度对发动机性能的提升非常重要。
目前常见的航空发动机涡轮叶片的测温方法有两大类：一是接触式测温方法，有热电偶、晶体、示温漆测温法；二是非接触式测温法，如荧光测温、红外辐射测温、光纤测温。
然而，使用接触测量设备，如热电偶，或不同类型的温度计(电阻式或液体膨胀温度计)，存在不足，比如被限制在一个点上，在所有环境中都不具有化学稳定性，具有高度的侵入性，并表现出一些测量不确定性，有限的空间和时间分辨率，以及诸如传导误差和探针氧化等问题。其中，热电偶的一个主要的缺点是需要电线，这使得热电偶不能用于移动和旋转的物体。
使用非接触式测量方法，常见的是辐射测温法，黑体辐射聚焦在探测器上，将测量到的波长转换为温度。然而，检测到的温度取决于不同材料的发射特性或材料的发射率。由于材料的表面腐蚀或氧化，因此，物体的发射率可能会随着时间变化。高温计对其他入射辐射源也很敏感，比如附近的热物体，这些辐射会带来测量的不确定性和误差。
荧光测温法优点在于荧光寿命只与温度相关，且不受任何其它因素干扰，测温范围宽、重复性好、测温精度极高，不干扰被测表面温度场。但想要应用于航空发动机涡轮叶片动态测温，必须要解决荧光激发、荧光回收光学系统的设计、依据涡轮叶片的结构完成扫描的设计，以达到多点检测的目的。
因此，亟需一种能够基于荧光寿命的发动机叶片温度动态扫描测量装置及方法，以实现发动机叶片温度动态扫描测量，并提高测温精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于荧光寿命的发动机叶片温度动态扫描测量装置及方法，以解决上述现有技术存在的测温精度差、实时动态测温困难、采样点数少的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一方面，本发明提供一种基于荧光寿命的发动机叶片温度动态扫描测量装置，包括环形荧光探测器，所述环形荧光探测器中心开设有第一通孔，所述环形荧光探测器下方设置有窄带滤光片，所述窄带滤光片中心开设有第二通孔，所述第二通孔与所述第一通孔相对，所述环形荧光探测器上方设置有激光器，所述激光器发出的激励激光依次穿过所述第一通孔与所述第二通孔，所述窄带滤光片下方设置有第一蓝宝石导光棒，所述第一蓝宝石导光棒可竖直滑动地安装在滑轨上，所述第一蓝宝石导光棒下端垂直连接有第二蓝宝石导光棒，所述第一蓝宝石导光棒与所述第二蓝宝石导光棒连接处倾斜设置有凹面反射镜，用以反射激励激光、受激荧光，使激励激光、受激荧光在所述第一蓝宝石导光棒与所述第二蓝宝石导光棒之间传导，所述第二蓝宝石导光棒自由端连接有可调探头，所述可调探头与涂有荧光材料的涡轮叶片相对。
优选地，所述环形荧光探测器包括PIN光电二极管，多个所述PIN光电二极管环绕所述通孔排列成环形阵列。
优选地，所述环形荧光探测器的直径为10mm，所述通孔的直径为3mm，所述PIN光电二极管的直径为0.8mm。
优选地，所述窄带滤光片的中心波长为456nm，半带宽为2nm。
优选地，所述第一蓝宝石导光棒与所述第二蓝宝石导光棒的直径均为10mm。
优选地，所述凹面反射镜的直径为50mm，焦距为210mm。
另一方面，本发明提供一种基于荧光寿命的发动机叶片温度动态扫描测量方法，其步骤包括：
①利用共沉淀法制备荧光材料掺镝铒钇铝石榴石的圆柱形晶体样品，样品中镝的质量百分含量为1.5％，铒的质量百分含量为0.5％，并将该样品涂覆在涡轮叶片的表面；
②采用激光器发出频率为DC-50Hz、脉宽5ns的激励激光；激励激光依次经过第一通孔、第二通孔、第一蓝宝石导光棒传到凹面反射镜上，再由凹面反射镜反射，经第二蓝宝石导光棒、可调探头传至涡轮叶片上一点，涡轮叶片上该点的荧光材料受激发出受激荧光，受激荧光经可调探头、第二蓝宝石导光棒入射至凹面反射镜，再由凹面反射镜反射，经第一蓝宝石导光棒、窄带滤光片传至环形荧光探测器；
③根据受激荧光的荧光寿命和温度的关系，由环形荧光探测器接收到的受激荧光的荧光寿命计算出涡轮叶片上当前点的温度；
④涡轮叶片旋转一周，测到所有涡轮叶片该点的温度；竖直滑动第一蓝宝石导光棒，调整整个测量装置的纵向位置，测量涡轮叶片的径向温度；可调探头平移，沿涡轮轴向方向测量涡轮叶片温度。
优选地，激光器为YAG 355nm型激光器。
优选地，受激荧光的荧光寿命和温度的关系为
Figure BDA0003061873180000031
式中，RS、RT、k、ΔE为常数，T为热力学温度。
优选地，涡轮叶片的测试温度范围为600-1600℃。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
1、本发明提供的一种基于荧光寿命的发动机叶片温度动态扫描测量装置及方法，动态测量涡轮叶片多点温度，实现非接触全场温度的测量。
2、本发明提供的一种基于荧光寿命的发动机叶片温度动态扫描测量装置及方法，提高了涡轮叶片的测温精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中基于荧光寿命的发动机叶片温度动态扫描测量装置；
图2为本发明中环形荧光探测器结构图；
图中：1：环形荧光探测器、11：第一通孔、12：PIN光电二极管。2：激光器、21：激励激光。3：窄带滤光片。4：第一蓝宝石导光棒。5：第二蓝宝石导光棒。6：凹面反射镜。7：可调探头。8：受激荧光。9：涡轮叶片。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
本发明的目的是提供一种基于荧光寿命的发动机叶片温度动态扫描测量装置及方法，以解决现有技术存在的测温精度差、实时动态测温困难、采样点数少的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
一方面，本实施例提供一种基于荧光寿命的发动机叶片温度动态扫描测量装置，如图1和图2所示，包括环形荧光探测器1，环形荧光探测器1中心开设有第一通孔11，环形荧光探测器1下方设置有窄带滤光片3，窄带滤光片3中心开设有第二通孔，第二通孔与第一通孔11相对，环形荧光探测器1上方设置有激光器2，激光器2发出的激励激光21依次穿过第一通孔11和第二通孔，窄带滤光片3下方设置有第一蓝宝石导光棒4，第一蓝宝石导光棒4可竖直滑动地安装在滑轨上，第一蓝宝石导光棒4下端垂直连接有第二蓝宝石导光棒5，第一蓝宝石导光棒4与第二蓝宝石导光棒5连接处倾斜设置有凹面反射镜6，用以反射激励激光21、受激荧光8，使激励激光21、受激荧光8在所述第一蓝宝石导光棒4与所述第二蓝宝石导光棒5之间传导，第二蓝宝石导光棒5自由端连接有可调探头7，可调探头7与涂有荧光材料的涡轮叶片9相对。
进一步地，如图2所示，环形荧光探测器1包括PIN光电二极管12，多个PIN光电二极管12环绕通孔11排列成环形阵列。
进一步地，环形荧光探测器1的直径为10mm，通孔11的直径为3mm，PIN光电二极管12的直径为0.8mm。
上述环形荧光探测器1的结构设置能够快速且更大程度地检测到受激荧光8，使得所测涡轮叶片温度更精准。
进一步地，窄带滤光片3的中心波长为456nm，半带宽为2nm，窄带滤光片3的设置避免了其它光束的干扰，进一步提高测温精度。
进一步地，第一蓝宝石导光棒4与第二蓝宝石导光棒5的直径均为10mm，与环形荧光探测器1的直径相同，这样的设置既能保证光的有效传导，又能更大程度地为环形荧光探测器1提供光信号强度，进一步有效保证了测温精度。
进一步地，凹面反射镜6的直径为50mm，焦距为210mm，凹面反射镜6的设置能够聚集光束，增加光的强度，使光能够快速、准确地在第一蓝宝石导光棒4与第二蓝宝石导光棒5之间反射，保证了测温的有效进行。
本实施例中凹面反射镜6还可以内嵌于第一蓝宝石导光棒4与第二蓝宝石导光棒5垂直连接处，这样不仅能够连接第一蓝宝石导光棒4与第二蓝宝石导光棒5，而且避免了光在第一蓝宝石导光棒4与第二蓝宝石导光棒5垂直连接处传导不畅，使光能够更快速、准确地在第一蓝宝石导光棒4与第二蓝宝石导光棒5之间传导，进一步保证了测温的有效进行。
另一方面，本发明提供一种基于荧光寿命的发动机叶片温度动态扫描测量方法，其步骤包括：
①利用共沉淀法制备荧光材料掺镝铒钇铝石榴石的圆柱形晶体样品，样品中镝的质量百分含量为1.5％，铒的质量百分含量为0.5％，并将该样品涂覆在涡轮叶片9的表面；
②如图1所示，采用激光器2发出频率为DC-50Hz、脉宽5ns的激励激光21；激励激光21依次经过第一通孔11、第二通孔、第一蓝宝石导光棒4传到凹面反射镜6上，再由凹面反射镜6反射，经第二蓝宝石导光棒5、可调探头7传至涡轮叶片9上一点，涡轮叶片9上该点的荧光材料受激发出受激荧光8，受激荧光8经可调探头7、第二蓝宝石导光棒5入射至凹面反射镜6，再由凹面反射镜6反射，经第一蓝宝石导光棒4、窄带滤光片3传至环形荧光探测器1；
③根据受激荧光8的荧光寿命和温度的关系，由环形荧光探测器1接收到的受激荧光8的荧光寿命计算出涡轮叶片9上当前点的温度；
④涡轮叶片9旋转一周，测到所有涡轮叶片9该点的温度；竖直滑动第一蓝宝石导光棒4，调整整个测量装置的纵向位置，测量涡轮叶片9的径向温度；可调探头7平移，沿涡轮轴向方向测量涡轮叶片9温度。
进一步地，激光器2为YAG 355nm型激光器。
进一步地，受激荧光8的荧光寿命和温度的关系为
Figure BDA0003061873180000061
(1),式中，RS、RT、k、ΔE为常数，T为热力学温度。
进一步地，涡轮叶片9的测试温度范围为600-1600℃。
本实施例中，建立蓝宝石光波导涡轮叶片动态扫描测量光学系统和扫描结构，用以对涡轮叶片多点温度的动态测量，实现非接触全场温度的测量。
本实施例中，在测量时，首先根据实际需要，调整测量装置与发动机之间的距离，防止测量装置与发动机发生剐蹭。
其次，在发动机静止状态下，打开激光器2，调整凹面反射镜6的位置，使激励激光21能准确传输到涡轮叶片9表面并且受激荧光8可以通过凹面反射镜6传回环形荧光探测器1。
然后，发动机工作，将激光器2打开，355nm的激励激光21照射在荧光材料上，电子跃迁到高能级，当电子从高能级回到基态时会产生波长为456nm的受激荧光8，受激荧光8通过窄带滤光片3被环形荧光探测器1采集，通过荧光寿命和温度的关系可以检测到当前点的温度。涡轮叶片9旋转一周，可以检测不同涡轮叶片9当前点的温度，实现涡轮叶片9的周向检测。利用滑轨实现装置的竖直方向的移动，可以对涡轮叶片9的径向不同位置进行测量，这样便实现了涡轮叶片9的全场温度测量。
本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于荧光寿命的发动机叶片温度动态扫描测量装置，其特征在于：包括环形荧光探测器，所述环形荧光探测器中心开设有第一通孔，所述环形荧光探测器下方设置有窄带滤光片，所述窄带滤光片中心开设有第二通孔，所述第二通孔与所述第一通孔相对，所述环形荧光探测器上方设置有激光器，所述激光器发出的激励激光依次穿过所述第一通孔与所述第二通孔，所述窄带滤光片下方设置有第一蓝宝石导光棒，所述第一蓝宝石导光棒可竖直滑动地安装在滑轨上，所述第一蓝宝石导光棒下端垂直连接有第二蓝宝石导光棒，所述第一蓝宝石导光棒与所述第二蓝宝石导光棒连接处倾斜设置有凹面反射镜，用以反射激励激光、受激荧光，使激励激光、受激荧光在所述第一蓝宝石导光棒与所述第二蓝宝石导光棒之间传导，所述第二蓝宝石导光棒自由端连接有可调探头，所述可调探头与涂有荧光材料的涡轮叶片相对。
2.根据权利要求1所述的一种基于荧光寿命的发动机叶片温度动态扫描测量装置，其特征在于：所述环形荧光探测器包括PIN光电二极管，多个所述PIN光电二极管环绕所述通孔排列成环形阵列。
3.根据权利要求2所述的一种基于荧光寿命的发动机叶片温度动态扫描测量装置，其特征在于：所述环形荧光探测器的直径为10mm，所述通孔的直径为3mm，所述PIN光电二极管的直径为0.8mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于荧光寿命的发动机叶片温度动态扫描测量装置，其特征在于：所述窄带滤光片的中心波长为456nm，半带宽为2nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于荧光寿命的发动机叶片温度动态扫描测量装置，其特征在于：所述第一蓝宝石导光棒与所述第二蓝宝石导光棒的直径均为10mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于荧光寿命的发动机叶片温度动态扫描测量装置，其特征在于：所述凹面反射镜的直径为50mm，焦距为210mm。
7.一种基于荧光寿命的发动机叶片温度动态扫描测量方法，其特征在于，其步骤包括：
①利用共沉淀法制备荧光材料掺镝铒钇铝石榴石的圆柱形晶体样品，样品中镝的质量百分含量为1.5％，铒的质量百分含量为0.5％，并将该样品涂覆在涡轮叶片的表面；
②采用激光器发出频率为DC-50Hz、脉宽5ns的激励激光；激励激光依次经过第一通孔、第二通孔、第一蓝宝石导光棒传到凹面反射镜上，再由凹面反射镜反射，经第二蓝宝石导光棒、可调探头传至涡轮叶片上一点，涡轮叶片上该点的荧光材料受激发出受激荧光，受激荧光经可调探头、第二蓝宝石导光棒入射至凹面反射镜，再由凹面反射镜反射，经第一蓝宝石导光棒、窄带滤光片传至环形荧光探测器；
③根据受激荧光的荧光寿命和温度的关系，由环形荧光探测器接收到的受激荧光的荧光寿命计算出涡轮叶片上当前点的温度；
④涡轮叶片旋转一周，测到所有涡轮叶片该点的温度；竖直滑动第一蓝宝石导光棒，调整整个测量装置的纵向位置，测量涡轮叶片的径向温度；可调探头平移，沿涡轮轴向方向测量涡轮叶片温度。
8.根据权利要求7所述的一种基于荧光寿命的发动机叶片温度动态扫描测量方法，其特征在于：激光器为YAG 355nm型激光器。
9.根据权利要求7所述的一种基于荧光寿命的发动机叶片温度动态扫描测量方法，其特征在于：受激荧光的荧光寿命和温度的关系为
Figure FDA0003061873170000021
式中，RS、RT、k、ΔE为常数，T为热力学温度。
10.根据权利要求7所述的一种基于荧光寿命的发动机叶片温度动态扫描测量方法，其特征在于：涡轮叶片的测试温度范围为600-1600℃。
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