CN113758599A - 一种用于动态总温测量的光纤法-珀总温探针及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于动态总温测量的光纤法‑珀总温探针及其制作方法，探针包括毛细钢管(1)、传输光纤(2)和高热光系数膜(3)；方法步骤为：1)在传输光纤(2)的侧面开设第一缺口，该缺口延伸至第一外延端的端面；3)在传输光纤(2)缺口处镀上一层高热光系数膜，2)形成光纤‑膜一体结构；3)传输光纤缺口表面与高热光系数膜表面形成光纤法‑珀腔；4)对光纤‑膜一体结构的第二外延端的端面进行处理，形成斜端面(7)5)将传输光纤(2)置于毛细钢管(1)内；6)将加工完成的用于动态总温测量的光纤法‑珀探针放在高温炉里，进行分阶段固化。本发明公开的光纤法‑珀探针不仅可实现高速动态测温，还具有尺寸小，后端光纤不需弯曲等优点。
Description
技术领域
本发明涉及温度传感测量领域，具体是一种用于动态总温测量的光纤法-珀总温探针及其制作方法。
背景技术
高速高温气流的温度参数测量在航空、国防等众多领域中都有重要的作用，特别在航空航天领域中，航空发动机进气口的气流温度测量显得尤为重要，该温度是衡量发动机质量的一个关键参数，关乎到飞机运行的稳定性和安全性。
目前国内外针对高速高温气流的测量采用的最普遍的方法是利用滞止罩结构的热电偶总温探针，但是由于热电偶总温探针属于电类传感器，会受到严重的电磁干扰所以需要额外的绝缘处理。并且热电偶体积较大，最终制作成的测量装置体积无法做到很小，这势必对发动机内部流场造成干扰，很可能会影响到发动机的工作性能。
为了避免测量装置对流场分布的影响，传感器的体积应尽可能的减小，同时也还要保证测量装置的精度和可靠性。
基于光纤的总温探针由于其体积小、抗电磁干扰、耐高温高压等优点，近年来也是研究的一大热点。目前基于光纤的总温探针有几种，比如将黑体腔光纤安放在滞止罩内，利用黑体辐射原理进行感温的传感器，但该方法分辨率较低，高速气流内的污染物会使黑体腔测量精度下降。还有是将通过光纤光栅总温探针，将几根光纤分别置于不同的滞止管内，再将滞止管以此固定于平板支架上，光纤后端传输光纤在支架上弯曲固定，再将平板支架通过开孔，安装在发动机内腔。
这种技术为了避免侧吹造成光纤折断，通过增加支杆的方式来将光纤端面正对气流方向，光纤后端引线弯曲不可避免，可能会影响测温效果，并且如果多点测量，每个光纤独立安装，整体传感器尺寸会增大，装配难度也会增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于动态总温测量的光纤法-珀总温探针，包括毛细钢管、传输光纤和高热光系数膜。
所述毛细钢管为筒体。
所述传输光纤与毛细钢管粘接。所述传输光纤的一端延伸出毛细钢管，记为第一外延端。
所述毛细钢管和传输光纤之间具有空隙。
所述传输光纤的侧面设有第一缺口，该缺口延伸至第一外延端的端面。
所述传输光纤外镀有高热光系数膜，形成光纤-膜一体结构。
所述光纤-膜一体结构延伸出毛细钢管的一端记为第二外延端。所述第二外延端的端面为斜端面。斜端面的倾斜角度记为θ。
所述光纤-膜一体结构的第一缺口表面镀高热光系数的膜，与第一缺口平行，形成光纤法珀腔。
所述光纤法珀腔为感温元。
所述光纤法珀腔位于毛细钢管外部。
用于动态总温测量的光纤法-珀探针还包括高温胶。
所述高温胶用于实现传输光纤与毛细钢管的粘接。
用于动态总温测量的光纤法-珀探针的制作方法，包括以下步骤：
1)对光纤端面进行加工，形成斜端面，所述加工包括切割和研磨。
2)对传输光纤侧面进行加工，从而在传输光纤的侧面开设缺口，该缺口延伸至外延端的端面；
3)在传输光纤缺口处镀上一层高热光系数膜，从而形成光纤-膜一体结构；传输光纤缺口表面与高热光系数膜表面形成光纤法-珀腔；
4)将传输光纤置于毛细钢管内，且令传输光纤的外延端延伸出毛细钢管。
5)在毛细钢管和传输光纤之间涂高温胶。
6)将加工完成的用于动态总温测量的光纤法-珀探针放在高温炉里，进行分阶段固化。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明的有益效果如下：
1)本发明通过将光纤端面抛光成45°斜面并镀上反射膜来实现光路转折，不需要另外增加支架来使整个光纤传感器改变方向。极大的减小了传感器的体积，并降低了安装难度。
2)本发明通过用高热光系数的材料镀膜形成法-珀腔。增大热光效应的效果，利用热光效应引起折射率的变化这一原理来实现高速气流温度的测量，对于因热膨胀效应而造成的腔长变化，热光效应对温度变化的响应更快，更加适合被用于实现高速气流的温度测量。
3)本发明通过仅使斜面部分暴露于气流中，该部分极短极小，在高速气流的冲击下也不容易断裂。不会由于侧吹而对传感器造成损坏。
4)本发明通过对光纤套毛细钢管，来提高传感器的灵敏度。因为多数金属材料的热膨胀系数大于光纤本身的热膨胀系数，在光纤套毛细钢管有利于对外界气流温度变化快速响应。并且毛细钢管可以起到保护光纤的作用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的工作原理示意图；
图3为光纤端面加工流程示意图；
图4为端面处的光路示意图；
图5为测量的光谱示意图；
图6(a)为可进行多点测量的支架3D透视图；
图6(b)为可进行多点测量的支架结构截面图；
图6(c)为装配好的多点测试结构截面示意图；
图中：毛细钢管1、传输光纤2、高热光系数膜3、高温胶4。
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至图5，一种用于动态总温测量的光纤法-珀总温探针，包括毛细钢管1、传输光纤2和高热光系数膜3。
所述毛细钢管1为筒体。
所述传输光纤2与毛细钢管1粘接。所述传输光纤2的一端延伸出毛细钢管1，记为第一外延端。
所述毛细钢管1和传输光纤2之间具有空隙。
所述传输光纤2的侧面设有第一缺口，该缺口延伸至第一外延端的端面。
所述传输光纤2外镀有高热光系数膜3，形成光纤-膜一体结构。
所述光纤-膜一体结构延伸出毛细钢管1的一端记为第二外延端。所述第二外延端的端面为高反射率(>85％)的斜端面7。斜端面7的倾斜角度记为θ。
所述光纤第一缺口的外表面5和镀膜后的表面6形成光纤法珀腔。
所述光纤法珀腔为感温元。
所述光纤法珀腔位于毛细钢管1外部。
用于动态总温测量的光纤法-珀探针还包括高温胶4。
所述高温胶4用于实现传输光纤2与毛细钢管1的粘接。
本实施例公开的光纤法-珀探针不仅可实现高速动态测温，还具有尺寸小，后端光纤不需弯曲等优点。
实施例2：
用于动态总温测量的光纤法-珀探针的制作方法，包括以下步骤：
1)对光纤端面进行加工，形成斜端面7；所述加工包括切割和研磨。
2)对传输光纤2侧面进行加工，从而在传输光纤2的侧面开设缺口，该缺口延伸至外延端的端面；
3)在传输光纤2缺口处镀上一层高热光系数膜3，从而形成光纤-膜一体结构；传输光纤缺口表面与高热光系数膜表面形成光纤法-珀腔；
4)将传输光纤2置于毛细钢管1内，且令传输光纤2的第一外延端延伸出毛细钢管1；
5)在毛细钢管1和传输光纤2之间涂高温胶4；
6)将加工完成的用于动态总温测量的光纤法-珀探针放在高温炉里，进行分阶段固化。
实施例3：
一种用于动态总温测量的光纤法-珀总温探针，包括毛细钢管1、传输光纤2和高热光系数膜3。
所述毛细钢管1为筒体。
所述传输光纤2与毛细钢管1粘接。所述传输光纤2的一端延伸出毛细钢管1，记为第一外延端。
所述毛细钢管1和传输光纤2之间具有空隙。
所述传输光纤2的侧面设有第一缺口，该缺口延伸至第一外延端的端面。
所述传输光纤2外镀有高热光系数膜3，形成光纤-膜一体结构。
所述光纤第一缺口的外表面5和镀膜后的表面6形成光纤法珀腔。
所述光纤-膜一体结构延伸出毛细钢管1的一端记为第二外延端。所述第二外延端的端面为斜端面7。斜端面7的倾斜角度记为θ。
所述光纤法珀腔为感温元。
所述光纤法珀腔位于毛细钢管1外部。
用于动态总温测量的光纤法-珀探针还包括高温胶4。
所述高温胶4用于实现传输光纤2与毛细钢管1的粘接。
用于动态总温测量的光纤法-珀探针的制作方法，包括以下步骤：
1)对光纤端面进行加工，形成斜端面7；所述加工包括切割和研磨。
2)对传输光纤2侧面进行加工，从而在传输光纤2的侧面开设缺口，该缺口延伸至外延端的端面；
3)在传输光纤2缺口处镀上一层高热光系数膜3，从而形成光纤-膜一体结构；传输光纤缺口表面与高热光系数膜表面形成光纤法-珀腔；
4)将传输光纤2置于毛细钢管1内，且令传输光纤2的第一外延端延伸出毛细钢管1；
5)在毛细钢管1和传输光纤2之间涂高温胶4；
6)将加工完成的用于动态总温测量的光纤法-珀探针放在高温炉里，进行分阶段固化。
一种基于高速动态测温的用于动态总温测量的光纤法-珀传感器的传感系统，包括由光纤法-珀总温探针构成的光纤法-珀传感器和测量系统。
所述斜端面光纤法-珀传感器与测量系统相接，见图3。所述测量系统包括光源、耦合器、光谱仪和PC。耦合器的输入端通过传输光纤与光源相连，耦合端与斜端面光纤法-珀传感器通过光纤相连，输出端与光谱仪通过光纤相连，光谱仪与电脑端通过网线相连。在测量时，所述斜端面光纤法-珀传感器置于发动机内腔，位于高速高温气流的流场内，当气流温度变化时，光纤材料会产生热光效应，入射光由光源发出，通过耦合器传播至斜端面光纤法-珀传感器处，被高反射率的斜端面反射后到达法-珀腔处，被法-珀腔反射回的光经耦合器被光谱仪接收并解调处理，将光谱信息转化为温度信息，由PC端显示温度变化信息。温度变化会影响热光效应的程度，法-珀腔折射率的调制程度会不同，进而导致光谱仪接收到的光谱发生变化，从而实时反应出温度的变化。
实施例4：
一种用于动态总温测量的光纤法-珀探针，包括毛细钢管、传输光纤、高温胶、法-珀腔。
所述毛细钢管内放置有镀了膜的传输光纤；
所述毛细钢管内壁与传输光纤之间用高温胶粘接；
所述光纤镀膜的材料为热光系数较高的材料，比如硒化锌(ZnSe)；
所述传输光纤在未镀膜时一端侧面经过研磨被磨平形成端面；
所述传输光纤在镀膜后一端研磨形成与两个平行的端面；
所述传输光纤端头经过切割，镀膜等加工流程后形成高反射率的斜端面；
实施例5：
一种高速动态温度测量的光纤法-珀传感器的制作方法，包括如下步骤：
1)对光纤端面进行加工，形成斜端面7；所述加工包括切割和研磨。
2)对传输光纤2侧面进行加工，从而在传输光纤2的侧面开设缺口，该缺口延伸至外延端的端面；
3)在传输光纤2缺口处镀上一层高热光系数膜3，从而形成光纤-膜一体结构；传输光纤缺口表面与高热光系数膜表面形成光纤法-珀腔。
4)将传输光纤2置于毛细钢管1内，且令传输光纤2的第一外延端延伸出毛细钢管1；
5)在毛细钢管1和传输光纤2之间涂高温胶4；
6)将加工完成的用于动态总温测量的光纤法-珀探针放在高温炉里，进行分阶段固化。
实施例6：
本实施例公开一种基于高速动态测温的用于动态总温测量的光纤法-珀传感器的传感系统，所述斜端面光纤法-珀传感器与测量系统相接，见图3。所述测量系统包括光源、耦合器、光谱仪和PC。耦合器的输入端通过传输光纤与光源相连，耦合端与斜端面光纤法-珀传感器通过光纤相连，输出端与光谱仪通过光纤相连，光谱仪与电脑端通过网线相连。在测量时，所述斜端面光纤法-珀传感器置于发动机内腔，位于高速高温气流的流场内，当气流温度变化时，光纤材料会产生热光效应，入射光由光源发出，通过耦合器传播至斜端面光纤法-珀传感器处，被高反射率的斜端面反射后到达法-珀腔处，被法-珀腔反射回的光经耦合器被光谱仪接收并解调处理，将光谱信息转化为温度信息，由PC端显示温度变化信息。温度变化会影响热光效应的程度，法-珀腔折射率的调制程度会不同，进而导致光谱仪接收到的光谱发生变化，从而实时反应出温度的变化。
实施例7：
参见图4，所述用于动态总温测量的光纤法珀的探针的制作方法，包括以下步骤：
1)对光纤端面进行加工，形成斜端面7；所述加工包括切割和研磨。
2)对传输光纤2侧面进行加工，从而在传输光纤2的侧面开设缺口，该缺口延伸至外延端的端面；
3)在传输光纤2缺口处镀上一层高热光系数膜3，从而形成光纤-膜一体结构；传输光纤缺口表面与高热光系数膜表面形成光纤法-珀腔。
4)将传输光纤2置于毛细钢管1内，且令传输光纤2的第一外延端延伸出毛细钢管1；
5)在毛细钢管1和传输光纤2之间涂高温胶4；
6)将加工完成的用于动态总温测量的光纤法-珀探针放在高温炉里，进行分阶段固化。
实施例8：
参见图3，斜端面光纤加工示意图如图3所示。
1)对传输光纤端面一侧进行切割、研磨等处理，加工出一平端面；
2)对传输光纤进行镀膜处理；
3)对镀膜后的端面一侧进行切割、研磨，形成两平行端面，两端面构成法-珀腔；
4)对传输光纤端头进行斜切，研磨，镀膜等处理，加工出高反射率的45°斜端面；
实施例9：
基于所述的光纤法珀探针进行改进，可多点测量的支架结构如图6所示。
Claims (8)
1.一种用于动态总温测量的光纤法-珀总温探针，其特征在于：包括毛细钢管(1)、所述传输光纤(2)和高热光系数膜(3)。
所述传输光纤(2)与毛细钢管(1)粘接；所述传输光纤(2)的一端延伸出毛细钢管(1)，记为第一外延端；
所述传输光纤(2)的侧面设有第一缺口，该缺口延伸至第一外延端的端面；
所述传输光纤(2)外镀有高热光系数膜(3)，形成光纤-膜一体结构；
所述光纤-膜一体结构延伸出毛细钢管(1)的一端记为第二外延端；所述第二外延端的端面为斜端面(7)；斜端面(7)的倾斜角度记为θ；
所述光纤-膜一体结构的第一缺口表面镀高热光系数的膜，与第一缺口平行，第一缺口表面与镀膜后的膜外表面形成光纤法-珀腔。
2.根据权利要求1所述的用于动态总温测量的光纤法-珀探针，其特征在于：所述毛细钢管(1)为筒体。
3.根据权利要求1所述的用于动态总温测量的光纤法-珀探针，其特征在于：还包括高温胶(4)；
所述高温胶(4)用于实现传输光纤(2)与毛细钢管(1)的粘接。
4.根据权利要求1所述的用于动态总温测量的光纤法-珀总温探针，其特征在于：所述光纤法珀腔为感温元。
5.根据权利要求1所述的用于动态总温测量的光纤法-珀总温探针，其特征在于：所述光纤法珀腔位于毛细钢管(1)外部。
6.根据权利要求1所述的用于动态总温测量的光纤法-珀探针，其特征在于：所述毛细钢管(1)和传输光纤(2)之间具有空隙。
7.权利要求1至6任一项所述用于动态总温测量的光纤法-珀探针的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对光纤端面进行加工，形成斜端面(7)；
2)对传输光纤(2)侧面进行加工，从而在传输光纤(2)的侧面开设缺口，该缺口延伸至外延端的端面；
3)在传输光纤(2)缺口处镀上一层高热光系数膜(3)，从而形成光纤-膜一体结构；传输光纤缺口表面与高热光系数膜表面形成光纤法-珀腔；
4)将传输光纤(2)置于毛细钢管(1)内，且令传输光纤(2)的第一外延端延伸出毛细钢管(1)；
5)在毛细钢管(1)和传输光纤(2)之间涂高温胶(4)；
6)将加工完成的用于动态总温测量的光纤法-珀探针放在高温炉里，进行分阶段固化。
8.根据权利要求7所述的一种用于动态总温测量的光纤法-珀总温探针的制作方法，其特征在于：所述加工包括切割和研磨。
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