CN114993194A - 极温条件下的间隙测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种极温条件下的间隙测量装置，涉及间隙测量技术领域。本发明的第一光源发出的第一光信号会经照明光纤传输后照射到待测物体上并被反射，而反射光会被第一接收光纤和第二接收光纤接收并传输至第二光电探测器和第三光电探测器并转换为第二电信号和第三电信号，最终由信号调理模块根据第二电信号和第三电信号解调出间隙信息，而第二光源发出的第二光信号传输到照明光纤并被光纤光栅反射后被第一光电传感器接收并转化为第一电信号，最终通过信号调理模块对第一电信号解调得到温度信息，最终实现同时测量温度和间隙信息，满足发动机叶尖间隙测量的要求。
Description
技术领域
本发明涉及间隙测量技术领域，具体涉及一种极温条件下的间隙测量装置。
背景技术
航空发动机是飞机的心脏，旋转叶片作为发动机的核心部件，其自身运行状态参数直接影响整个发动机系统的运转状态、工作效率和安全性能。其中，旋转叶片尖端与发动机机匣内壁之间的叶尖间隙参数与发动机的效率、压比、燃油消耗率、稳定性等直接相关，是提升发动机性能的关键。因此对航天发动机叶尖间隙参数的高精度测量，是保证发动机处在高效、安全、稳定的运行状态的前提。
由于航空发动机内空间狭小，运行温度可高达1000℃，因此通常采用结构小巧的光纤传感器来实现狭小空间叶尖间隙的监测，但常见的光纤传感器只能测量单一参量。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种极温条件下的间隙测量装置，解决了现有的间隙测量装置无法同时测量温度和间隙的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种极温条件下的间隙测量装置，该装置包括：
第一光源、第二光源、光纤传感器探头、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器以及信号调理模块；
所述光纤传感器探头包括由照明光纤、第一接收光纤和第二接收光纤组成的光纤束；
所述照明光纤上刻制有光纤光栅；
所述第一光源发出的第一光信号经照明光纤传输后照射到待测物体上；
所述第二光源发出的第二光信号传输到照明光纤并被所述光纤光栅反射后由第一光电探测器接收并转换为第一电信号；
所述第一接收光纤接收并传输待测物体的反射光至第二光电探测器转换为第二电信号；
所述第二接收光纤接收并传输待测物体的反射光至第三光电探测器被转换为第三电信号；
所述信号调理模块根据第一电信号计算出温度信息；并根据第二电信号和第三电信号计算出间隙信息。
进一步的，该装置还包括：修正模块，用于基于温度信息对间隙信息进行修正。
进一步的，所述第一光源为蓝光光源，所述第二光源为宽带光源。
进一步的，所述蓝光光源的波段为445nm，宽带光源的波段为C+L波段。
进一步的，所述照明光纤位于光纤束的中心位置，若干所述第一接收光纤环状分布在照明光纤外侧，且若干所述第二接收光纤环状分布在第一接收光纤的外侧。
进一步的，所述照明光纤为芯径9μm的单模光纤；
第一接收光纤为芯径62.5μm的多模光纤，共6根；
第二接收光纤为芯径62.5μm的多模光纤，共12根。
进一步的，所述光纤传感器探头还包括：由石英材料制成的封装层，所述照明光纤和接收光纤封装于所述封装层内。
进一步的，在光纤与封装层的空隙部分填充有固化胶。
进一步的，所述第一光源、第二光源连接在第一耦合器的两个分端口，所述第一耦合器的主端口与第二耦合器的其中一个分端口连接，所述第二耦合器的另一个分端口与第一光电探测器连接，且第二耦合器的主端口与照明光纤连接。
进一步的，所述基于温度信息对间隙信息进行修正，包括：
基于第一电信号获取光纤光栅的布拉格波长的变化量；
基于所述光纤光栅的布拉格波长的变化量获取温度的变化量；
基于温度的变化量获取照明光纤与接收光纤的轴间距的改变量；
基于照明光纤与接收光纤的轴间距的改变量补偿照明光纤与接收光纤的轴间距；
基于补偿后的照明光纤与接收光纤的轴间距获取修正后的间隙信息。
(三)有益效果
本发明提供了一种极温条件下的间隙测量装置。与现有技术相比，具备以下有益效果：
本发明的第一光源发出的第一光信号会经照明光纤传输后照射到待测物体上并被反射，而反射光会被第一接收光纤和第二接收光纤接收并传输至第二光电探测器和第三光电探测器并转换为第二电信号和第三电信号，最终由信号调理模块根据第二电信号和第三电信号解调出间隙信息，而第二光源发出的第二光信号传输到照明光纤并被光纤光栅反射后被第一光电传感器接收并转化为第一电信号，最终通过信号调理模块对第一电信号解调得到温度信息，最终实现同时测量温度和间隙信息，满足发动机叶尖间隙测量的要求。
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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的光纤传感器探头的结构示意图；
图3为本发明实施例的刻有光栅的照明光纤结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
本申请实施例通过提供一种极温条件下的间隙测量装置，解决了现有的间隙测量装置无法同时测量温度和间隙的问题。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1：
如图1所示，本发明提供了一种极温条件下的间隙测量装置，该装置包括：
第一光源、第二光源、光纤传感器探头、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器以及信号调理模块；
所述光纤传感器探头包括由照明光纤、第一接收光纤和第二接收光纤组成的光纤束；
所述照明光纤上刻制有光纤光栅；
所述第一光源发出的第一光信号经照明光纤传输后照射到待测物体上；
所述第二光源发出的第二光信号传输到照明光纤并被所述光纤光栅反射后由第一光电探测器接收并转换为第一电信号；
所述第一接收光纤接收并传输待测物体的反射光至第二光电探测器转换为第二电信号；
所述第二接收光纤接收并传输待测物体的反射光至第三光电探测器被转换为第三电信号；
所述信号调理模块根据第一电信号计算出温度信息；并根据第二电信号和第三电信号计算出间隙信息。
本实施例的有益效果为：
本发明实施例的第一光源发出的第一光信号会经照明光纤传输后照射到待测物体上并被反射，而反射光会被第一接收光纤和第二接收光纤接收并传输至第二光电探测器和第三光电探测器并转换为第二电信号和第三电信号，最终由信号调理模块根据第二电信号和第三电信号解调出间隙信息，而第二光源发出的第二光信号传输到照明光纤并被光纤光栅反射后被第一光电传感器接收并转化为第一电信号，最终通过信号调理模块对第一电信号解调得到温度信息，最终实现同时测量温度和间隙信息，满足发动机叶尖间隙测量的要求。
下面对本发明实施例的实现过程进行详细说明：
一种极温条件下的间隙测量装置，包括：第一光源、第二光源、光纤传感器探头、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器以及信号调理模块；且光纤传感器探头包括由照明光纤、第一接收光纤和第二接收光纤组成的光纤束。
具体实施时的，如图2所示，所述照明光纤位于光纤束的中心位置，照明光纤为芯径9μm的单模光纤。6根第一接收光纤呈环状分布在照明光纤外侧，12根所述第二接收光纤呈环状分布在6根第一接收光纤的外侧，且第一接收光纤和第二接收光纤均采用芯径为62.5μm的多模光纤。
如图3所示，照明光纤上刻制有光纤光栅。
第二光源可采用宽带光源，其波段为C+L。
且连接关系为如下：
第一光源、第二光源通过光纤连接在第一耦合器的两个分端口，
第一耦合器的主端口通过光纤连接在第二耦合器的其中一个分端口中，
第二耦合器的主端口与光纤传感器探头中的照明光纤连接，第一接收光纤与第二光电探测器连接，第二接收光纤与第三光电探测器连接，而第二耦合器的另一个分端口与第一光电探测器；
第一光电探测器、第二光电探测器连接、第三光电探测器均与信号调理模块。
经过上述设置，第一光源发出的第一光信号会经照明光纤传输后照射到待测物体上并被反射，而反射光会被第一接收光纤和第二接收光纤接收并传输至第二光电探测器和第三光电探测器并转换为第二电信号和第三电信号，最终由信号调理模块根据第二电信号和第三电信号解调出间隙信息。
而第二光源发出的第二光信号传输到照明光纤并被光纤光栅反射后被第一光电传感器接收并转化为第一电信号，最终通过信号调理模块对第一电信号解调得到温度信息。
根据光纤光栅耦合模理论分析，当光栅温度发生变化(ΔT)时，光栅的布拉格波长λB发生改变，其改变量ΔλB为：
α为热膨胀系数；
β为热光系数；
对于已知材质的石英光纤，α和β系数确定，通过波长改变量可解调出温度改变量。
具体的，可预先测量不同ΔT与ΔλB的对应关系，进而根据测量的布拉格波长变化量ΔλB计算出温度的变化量ΔT。
显然，本实施例的方案能够同时测量间隙信息和温度信息。
在本实施例中，光纤传感器探头纤端光场场强分布为：
其中，
K0为光波在入射光纤中的损耗；
I0为光源耦合进入射光纤中的光强；
r为纤端光场中某点到入射光锥轴的半径；
R(z)为纤端光场在距离z处的光斑等效半径，且计算公式为：
R(z)＝a0[1+ζtanθc·(z/a0)3/2]
a0为光纤纤芯半径；
θc为发射光纤的最大出射角；
ζ为与光源种类及光源和光纤耦合情况有关的无量纲调制参数。
将第二接收光纤接收到的光强与第一接收光纤收到的光强进行除法比值，就得到了双圈同轴光纤传感器探头的输出特性调制函数:
M(z)为输出特性调制函数，即第二与第一接收光纤束光强的比值；
I1为第一接收光纤束接收到的光强，单位：cd；
I2为入射光纤与外圈接收光纤束的任意两根光纤对的距离分别为
接收到的光强，单位：cd；
I3为入射光纤与外圈接收光纤束的任意两根光纤对的距离分别为2d接收到的光强，单位：cd。
根据接收光纤的光强分布，将输出特性调制函数简化为：
经过对外圈和内圈接收光纤束的光强进行比值处理后，消去了光波在入射光纤中的损耗因子和光源耦合到光纤中的输出光强的影响。
当光纤选型后，即a0和θc已知，光纤输出特性仅与光纤端面到反射体之间的距离z及照明光纤与接收光纤的轴间距d有关。
而石英材料在超宽温(ΔT)的条件下的平均线膨胀系数
为：
则温度变化量为ΔT时，轴间距d0的改变量Δd为：
d0表示d的温度变化前的轴间距。
由于温度改变会引起热胀冷缩，导致间隙的微小变化，而间隙和接收光纤的输出特性调制函数有关，进而导致光纤传感器探头测量精度的降低。因此，需要对温度进行检测，而温度的监测主要是通过光纤光栅的波长变化来监测的。
因此，为了获取到更为准确的间隙信息，该装置还包括：修正模块，用于基于温度信息对间隙信息进行修正。具体实施时，可预先测得温度与间隙误差的关系，在获取到温度信息后，即可根据温度与间隙误差的关系对测量到的间隙信息进行补偿。
具体的，可预先测量不同ΔT与ΔλB的对应关系，进而根据测量的布拉格波长变化量ΔλB计算出温度的变化量ΔT，进而计算出轴间距的改变量Δd，实现通过波长的变化对温度进行精测，进而获取更加准确的间隙信息。
具体步骤包括：
S1、基于第一电信号获取光纤光栅的布拉格波长的变化量；
S2、基于所述光纤光栅的布拉格波长的变化量获取温度的变化量；可预先测量不同ΔT与ΔλB的对应关系。
S3、基于温度的变化量获取照明光纤与接收光纤的轴间距的改变量；
S4、基于照明光纤与接收光纤的轴间距的改变量补偿照明光纤与接收光纤的轴间距；
S5、基于补偿后的照明光纤与接收光纤的轴间距获取修正后的间隙信息。
经发明人研究发现，目前现有的间隙测量系统中，采用的光源为红光或者中红外波段，但该波段的光源无法消除高温环境物体热辐射光对反射光强的影响，导致难以实现间隙的高精度测量。为了解决上述问题，在本实施例中第一光源采用蓝光光源，其波段为445nm，可以使得反射光强度变化幅度增加，进而消除高温环境物体热辐射光对反射光强的影响，进而实现间隙的高精度测量。
此外，发明人还发现，光纤传感器探头的热膨胀、热应力因素也会对间隙测量产生影响，为了解决该问题，本实施例中光纤传感器探头还包括：由石英材料制成的封装层，所述照明光纤和接收光纤封装于所述封装层内。并在光纤与封装层的空隙部分填充固化胶。如此设置可使得探头工作温度范围达-200℃～+1000℃，满足航空发动机叶尖间隙测量的要求。
综上所述，与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
①本发明的第一光源发出的第一光信号会经照明光纤传输后照射到待测物体上并被反射，而反射光会被第一接收光纤和第二接收光纤接收并传输至第二光电探测器和第三光电探测器并转换为第二电信号和第三电信号，最终由信号调理模块根据第二电信号和第三电信号解调出间隙信息，而第二光源发出的第二光信号传输到照明光纤并被光纤光栅反射后被第一光电传感器接收并转化为第一电信号，最终通过信号调理模块对第一电信号解调得到温度信息，最终实现同时测量温度和间隙信息，满足发动机叶尖间隙测量的要求。
②本发明中第一光源为蓝光光源，可以解决高温环境物体热辐射光对反射光强的影响，进而实现间隙的高精度测量。
③本发明中通过将石英材料作为光纤传感器探头的封装层，能够有效降低光纤传感器探头热膨胀、热应力因素对间隙测量产生的影响，使得探头工作温度范围可达-200℃～+1000℃。
需要说明的是，通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种极温条件下的间隙测量装置，其特征在于，该装置包括：
第一光源、第二光源、光纤传感器探头、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器以及信号调理模块；
所述光纤传感器探头包括由照明光纤、第一接收光纤和第二接收光纤组成的光纤束；
所述照明光纤上刻制有光纤光栅；
所述第一光源发出的第一光信号经照明光纤传输后照射到待测物体上；
所述第二光源发出的第二光信号传输到照明光纤并被所述光纤光栅反射后由第一光电探测器接收并转换为第一电信号；
所述第一接收光纤接收并传输待测物体的反射光至第二光电探测器转换为第二电信号；
所述第二接收光纤接收并传输待测物体的反射光至第三光电探测器被转换为第三电信号；
所述信号调理模块根据第一电信号计算出温度信息；并根据第二电信号和第三电信号计算出间隙信息。
2.如权利要求1所述的一种极温条件下的间隙测量装置，其特征在于，该装置还包括：修正模块，用于基于温度信息对间隙信息进行修正。
3.如权利要求1所述的一种极温条件下的间隙测量装置，其特征在于，所述第一光源为蓝光光源，所述第二光源为宽带光源。
4.如权利要求3所述的一种极温条件下的间隙测量装置，其特征在于，所述蓝光光源的波段为445nm，宽带光源的波段为C+L波段。
5.如权利要求1所述的一种极温条件下的间隙测量装置，其特征在于，所述照明光纤位于光纤束的中心位置，若干所述第一接收光纤环状分布在照明光纤外侧，且若干所述第二接收光纤环状分布在第一接收光纤的外侧。
6.如权利要求5所述的一种极温条件下的间隙测量装置，其特征在于，所述照明光纤为芯径9μm的单模光纤；
第一接收光纤为芯径62.5μm的多模光纤，共6根；
第二接收光纤为芯径62.5μm的多模光纤，共12根。
7.如权利要求5所述的一种极温条件下的间隙测量装置，其特征在于，所述光纤传感器探头还包括：由石英材料制成的封装层，所述照明光纤和接收光纤封装于所述封装层内。
8.如权利要求6所述的一种极温条件下的间隙测量装置，其特征在于，在光纤与封装层的空隙部分填充有固化胶。
9.如权利要求1所述的一种极温条件下的间隙测量装置，其特征在于，所述第一光源、第二光源连接在第一耦合器的两个分端口，所述第一耦合器的主端口与第二耦合器的其中一个分端口连接，所述第二耦合器的另一个分端口与第一光电探测器连接，且第二耦合器的主端口与照明光纤连接。
10.如权利要求2所述的一种极温条件下的间隙测量装置，其特征在于，所述基于温度信息对间隙信息进行修正，包括：
基于第一电信号获取光纤光栅的布拉格波长的变化量；
基于所述光纤光栅的布拉格波长的变化量获取温度的变化量；
基于温度的变化量获取照明光纤与接收光纤的轴间距的改变量；
基于照明光纤与接收光纤的轴间距的改变量补偿照明光纤与接收光纤的轴间距；
基于补偿后的照明光纤与接收光纤的轴间距获取修正后的间隙信息。
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