CN103411643B - 用于压气机流体多参数测量的光纤传感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种光强式与光栅式混合光纤流量传感器及测量方法，布拉格光栅式光纤对称分布于环形弹性应变片表面，通过光纤中心波长的偏移量计算出静压；光强光纤垂直照射到弹性应变片中心，并由两组接收光纤接收反射光，通过两组接收光纤的光强比值计算弹性应变片的偏移距离，从而计算出总压；测温光栅光纤黏贴于皮托管内壁，通过测温光栅光纤中心波长的偏移量计算出压气机总温；另一测温光栅光纤水平固定在筒状金属外壳内侧测量工作环境的温度，对总压和静压进行温度补偿。本发明不仅具有光纤传感器体积小，结构简单，抗干扰能力强等特点，而且可以实现一个传感器测量流体总压，静压，总温，流量等多个参数。

Description

用于压气机流体多参数测量的光纤传感器及测量方法

技术领域

本发明涉及发动机气体流量测量的光纤传感器技术领域，具体为一种用于压气机流体多参数测量的光强式与光栅式混合光纤传感器及测量方法。

背景技术

光纤传感技术起于上世纪七十年代，九十年代进入我国。目前国内有多家研究机构开始利用此项技术进行产品的研发与制作。对于航空、航天等特殊环境下需要利用到的气体流量传感器，其特点是既有较高的动态响应和较好的静态测量的线性度，也要有防电磁干扰及较好耐高温特性。

压气机是航空发动机的核心部件之一，其工作状态对整个发动机的正常运行有着重要作用。而高压比的压气机既是军用航空发动机的发展趋势所需，又是航空发动机中易发生故障的部件，并且一般情况下，压比越高，越容易发生喘振。如果压气机不能正常工作以至于发生喘振，将可能导致叶片断裂、结构损坏、燃烧室超温和发动机熄火等严重故障，因此对其进行实时监控是必要的。而在众多参数的监控中，流量的测量又是其中的重点和难点。光纤流量传感器相比于常规压力传感器，其对应变、温度、位移等有更高的灵敏度，同时又具有体积小、重量轻、抗腐蚀、抗电磁干扰等优点。因此应用光纤传感器对压气机气体流量进行测量，为压气机气体流量可靠精确测量提供了一种解决方式。此外，在高精度测量的同时解决温度补偿问题也是光纤流量传感器实用化中的关键问题。

浙江省计量科学研究院的程佳等人发明了一种多截面分布式光纤光栅热式流量传感器（中国专利102564504，2012年07月11日），这种传感器管壁内有3个光栅光纤传感器，对称布置成“川”字形，并且3根光纤位于同一径向平面上。这种传感器通过光栅光线测量流体不同部分的温度，得出流体的流量。因此这种流量传感器响应速度非常慢；被测量气体组分变化较大的场所，因cp值和热导率变化，测量值会有较大变化而产生误差；由于光纤机械强度差，对于流速较快的压气机出口，由于压气机口径较大，光纤可能会发生断裂。因此进一步研究一种用于压气机出口的响应灵敏、测量精确的光线流量传感器，可以作为压气机传感器系统的一个重要部分。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种用于压气机流体多参数测量的光强式与光栅式混合光纤传感器及测量方法。

技术方案

一种用于压气机流体多参数测量的光强式与光栅式混合光纤传感器，包括皮托管11；其特征在于：包括环形静压弹性应变片1、圆形总压弹性应变片2、筒状金属封装外壳3、双圈同轴光强反射式光纤探头4、测温光栅光纤8和测温光栅光纤10；筒状金属封装外壳3连接于皮托管11的测量接口，在筒状金属封装外壳3与皮托管11连接之处设置中心带有通孔的环形静压弹性应变片1，在筒状金属封装外壳3的另一端设有通孔，双圈同轴光强反射式光纤探头4置于筒状金属封装外壳3的真空腔内，并通过通孔引出发射和接收光纤；在环形静压弹性应变片1与双圈同轴光强反射式光纤探头4之间设有圆形总压弹性应变片2；测温光栅光纤10设置在皮托管11总压孔B的内壁上；测温光栅光纤8设置在筒状金属封装外壳3的真空腔的内壁上；所述环形静压弹性应变片1是环形静压弹性应变片上粘贴若干压力测量的光栅光纤，若干压力测量的光栅光纤9沿圆周均匀分布；所述双圈同轴光强反射式光纤探头4上的发射和接收光纤的排布为：光纤的中心为一根发射光纤，发射光纤的外围设有六根接收光纤形成第一组接收光纤6，第一组接收光纤6的外围设有十二根接收光纤形成第二组接收光纤7；所述环形静压弹性应变片1、圆形总压弹性应变片2、测温光栅光纤8和测温光栅光纤10上设有信号输出连接线。

所述测压力光栅光纤9为布拉格光栅光纤。

所述双圈同轴光强反射式光纤探头4与圆形总压弹性应变片2的距离为0.25mm～2.5mm。

所述筒状金属封装外壳3的外侧涂覆耐高温涂层。

所述环形静压弹性应变片1和圆形总压弹性应变片2选用复合硅材料。

一种利用所述传感器进行压气机气体流量的测试方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：通过接收光纤接收到的光进行光电转换并采集，得到两组接收光的光强比值M(z)：

$M\left(z\right)=\exp =\left\{\frac{-3\·d^2}{{a_0}^2{[1+\mathrm{\ζ}{\left(\frac{2z}{a_0}\right)}^{3/2}\tan {\mathrm{\θ}}_0]}^2}\right\}+\exp \left\{\frac{-2\·d^2}{{\mathrm{\σ}}^2{a_0}^2{[1+\mathrm{\ζ}{\left(\frac{2z}{a_0}\right)}^{3/2}\tan {\mathrm{\θ}}_0]}^2}\right\}$

并得到出圆形总压应变片位移z与光强比值M(z)之间的关系,其中入射光纤和接收光纤的轴间距为d、光纤束光纤的半径为a₀、光纤的最大入射角为θ₀、σ为表征光纤折射率分布的相关参数、ζ为与光源种类及光源和光纤耦合情况有关的调制参数；

步骤2：根据圆形总压应变片位移z，计算总压p^*=z*（AE），其中A为压力作用的横截面积、E为所选材料的弹性模量；

步骤3：采用应变与波长偏移的关系Δλ_B＝(1-P_e)ε·λ_B计算得到环形静压应变片的形变量ε，其中p_e是光纤的光弹系数、λ_B代表光栅中光的中心波长；

步骤4：根据环形弹性应变片的应变量ε与Δp成正比关系：ε∝Δp，计算环形弹性应变片两侧的压差Δp，得到静压p＝Δp+p*；

步骤5：通过光栅式光纤8测得的工作环境温度的变化，补偿由于温度变化引起的弹性应变片的测量漂移，其中α为光纤的热膨胀系数、ξ为光纤的热光系数、Δλ为波长的变化、ΔT为温度的变化、λ为光栅中光的中心波长；温度变化于光栅波长变化的关系：Δλ＝(α+ξ)λΔT；

步骤6：通过测温光纤10得到压气机的总温T*；

步骤7：根据p^*，p，T*，计算气体流量，其计算方法如下：

$G=K\frac{p*}{\sqrt{T*}}A{\left(\frac{\mathrm{\κ}+1}{2}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\κ}-1}}\sqrt{\frac{\mathrm{\κ}+1}{\mathrm{\κ}-1}}\sqrt{{\left(\frac{p}{p*}\right)}^{\frac{2}{\mathrm{\κ}}}-{\left(\frac{p}{p*}\right)}^{\frac{\mathrm{\κ}+1}{\mathrm{\κ}}}}$

式中K为常数，κ为气体常数，A为测量截面的气动面积，p*为总压，p为静压，T*为总温。

有益效果

本发明采用光纤作为发动机流量的测量和温度补偿的关键部件，提出了一种光强式与光栅式混合光纤流量传感器及测量方法。该传感器结构简单、体积小、精度高，采用测温光栅光纤测量压气机出口温度，采用测压力光栅光纤测量静压，采用光强反射式光纤测量弹性应变片的距离以达到总压测量的目的，从而精确测量压气机进气口的流量的精确值。同时采用光栅式光纤测量传感器所处温度用以进行温度漂移的补偿进一步提高传感器精度。所以，简要总结该传感器具有以下优点：1、本发明采用弹性应变片作为敏感元件，应用光栅光纤和光强光纤作为测量元件，这种方式可有效的提高流量测量的精度；2、本发明采用光栅光纤直接测量传感器所处环境温度，利用温度补偿实现对压力的精确测量；3、本发明传感器结构简单、体积小、重量轻、抗干扰能力强并且精度可靠性高。

附图说明

图1：本发明的结构示意图；

图2：图1中测量压力光栅光纤分布图

图3：图1中双圈同轴光强反射式光纤的局部放大图；

其中：1、静压弹性应变片;2、总压弹性应变片;3、筒状金属外壳;4、光纤探头;5、发射光纤;6、接收光纤;17、接收光纤2;8、测温光栅光纤1;9测压光栅光纤;10、测温光栅光纤2;11、皮托管;A、静压孔；B、总压孔

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

参照附图1，本实施例中的一种用于压气机流体多参数测量的光强式与光栅式混合光纤传感器包括皮托管11；其特征在于：包括环形静压弹性应变片1、圆形总压弹性应变片2、筒状金属封装外壳3、双圈同轴光强反射式光纤探头4、测温光栅光纤8和测温光栅光纤10；筒状金属封装外壳3连接于皮托管11的测量接口，在筒状金属封装外壳3与皮托管11连接之处设置中心带有通孔的环形静压弹性应变片1，在筒状金属封装外壳3的另一端设有通孔，双圈同轴光强反射式光纤探头4置于筒状金属封装外壳3的真空腔内，并通过通孔引出发射和接收光纤；在环形静压弹性应变片1与双圈同轴光强反射式光纤探头4之间设有圆形总压弹性应变片2；测温光栅光纤10设置在皮托管11总压孔B的内壁上；测温光栅光纤8设置在筒状金属封装外壳3的真空腔的内壁上；所述环形静压弹性应变片1是环形静压弹性应变片上粘贴若干压力测量的光栅光纤，8组压力测量的光栅光纤9沿圆周均匀分布；所述双圈同轴光强反射式光纤探头4上的发射和接收光纤的排布为：光纤的中心为一根发射光纤，发射光纤的外围设有六根接收光纤形成第一组接收光纤6，第一组接收光纤6的外围设有十二根接收光纤形成第二组接收光纤7；所述环形静压弹性应变片1、圆形总压弹性应变片2、测温光栅光纤8和测温光栅光纤10上设有信号输出连接线。

测压力光栅光纤对称并且均匀分布于环形静压应变片表面。

光强光纤探头的轴线方向应与弹性应变片的轴线方向重合。

光强光纤探头与弹性应变片的距离保持在0.25mm-2.5mm。

所选弹性应变片的材料为特殊复合材料，这种材料具有耐高温、较高强度极限和较高比例极限的特点。

所选筒状金属封装外壳，内侧选用导热性好的金属，外侧采用导热性差的金属并添加耐高温涂层。

所述的环形静压弹性应变片的外边缘与所述的金属封装壳体顶端的边缘之间通过紧固件相连接。

所述的环形静压弹性应变片的内边缘与所述的皮托管的总压管紧密相连，并涂有高强度密封胶。

所述的总压弹性应变片的边缘与所述的金属封装内部卡槽通过紧固件相连接，并涂有高强度密封胶，所述的总压弹性应变片与壳体的内部空腔构成一个密闭的真空腔。

静压弹性应变片1和总压弹性应变片2的材料为特殊复合材料，这种材料具有耐高温、较高强度极限和较高比例极限的特点，本发明中可选用复合硅材料，这是因为航空发动机压气机的温度可达500K左右并且需要测量的压力为0-5Mpa。

筒状金属外壳3由两层材料组成，为保证封装壳体的强度和刚度要求，两层材料均为合金材料。其中内层为导热性好的合金材料，以保证测温光栅光纤可以准确的测量传感器的工作环境温度，外层采用导热性差的金属并添加耐高温涂层。

测压光栅光纤9由特殊粘合剂粘贴在静压应变片表面，因为航空发动机压气机的温度可达500k，所以这种粘合剂要具有耐高温特性。

本实施例中的光强反射式光纤的入射光源应根据光电转换器选择，本发明中选择红光作为光源。并且入射光照入密封真空腔可以排除外界光源和干扰对传感器的影响。

本发明的光强式与光栅式混合光纤流量传感器工作时，当外界静压力作用于静压弹性应变片1时，静压弹性应变片1发生形变，粘贴与1表面的测压光栅光纤9长度同时发生变化，进而引起光栅反射的中心波长发生偏移；同时总压作用于总压弹性应变片2，总压应变片2发生形变，入射光纤5与总压弹性应变片2下表面中心之间的距离发生微小变化，从而使内圈接收光纤6和外圈接收光纤7接收的光强发生变化；同时，处于同一温度场内的测温光栅光纤8可检测到温度发生的变化而引起光栅反射的中心波长发生偏移。因此可根据9的光栅反射中心波长与静压弹性应变片之间的关系，并结合压力与弹性应变片应变的关系，计算所测出静压的大小；根据光强变化与距离变化之间的关系，并结合压力与弹性应变片应变之间的关系，计算所测总压压力的大小；通过测温光栅8的光栅反射中心波长的偏移量计算出所处温度的大小，从而实现压气机静压和总压的精确测量和温度补偿；通过测温光栅10的光栅反射中心波长的偏移量计算出压气机总温。根据静压、总压、总温和气体流量的关系，可以计算出所测气体流量的大小。具体计算过程如下：

总压弹性应变片的受力应变公式如下：

z=p*/（AE） （1）

式中z为产生的应变量，A为压力作用的横截面积，E为所选材料的弹性模量，p*为施加的压力。

参照附图3，根据双圈同轴光纤探头的光纤束排列方式，将两组接收光纤接收到的光强进行比值处理，可以得到此传感器的输出特性调制函数的计算公式，即

$M\left(z\right)=\frac{I_{r2}}{I_{r1}}=\frac{{6I}_2+{6I}_3}{{6I}_1}---\left(2\right)$

式中：

M(z)——为两组接收光纤束光强的比值；

I_r1——表示第一组接收光纤束接收的光强/cd；

I_r2——表示第二组接收光纤束接收的光强/cd。

通过两组接收光纤采集的光强的比值M(z)可以计算出应变位移发生的变化z，

具体计算公式如下：

$M\left(z\right)=\exp =\left\{\frac{-3\·d^2}{{a_0}^2{[1+\mathrm{\ζ}{\left(\frac{2z}{a_0}\right)}^{3/2}\tan {\mathrm{\θ}}_0]}^2}\right\}+\exp \left\{\frac{-2\·d^2}{{\mathrm{\σ}}^2{a_0}^2{[1+\mathrm{\ζ}{\left(\frac{2z}{a_0}\right)}^{3/2}\tan {\mathrm{\θ}}_0]}^2}\right\}---\left(3\right)$

通过式（3）可知，当光纤结构参数入射光纤和接收光纤的轴间距d、光纤束光纤的半径a₀、光纤的最大入射角θ₀一定时，光纤输出特性仅与光纤端面到应变膜片之间的距离z有关，而与光源强度、反射体的反射率、光纤的本征损耗和由弯曲所带来的附加损耗等因素无关。因此将光强进行光电转换后得到其比值，通过式（3）结合式（1）计算出压气机的总压。

静压弹性应变片应变量与静压的关系：

传感器正常工作时，环形弹性应变片两侧存在压差Δp:

Δp＝p-p* （4）

式中，p为静压，p*为总压。

通过实验证明，环形弹性应变片的应变量ε与Δp成正比关系：

ε∝Δp （5）

光栅波长偏移量与应变的关系：

Δλ_B＝(1-P_e)ε·λ_B （6）

式中p_e是光纤的光弹系数。

因此，Δp与Δλ_B成线性关系，通过对光信号的解调，可以得出Δλ_B，进而可以得出Δp。由式（1）、式（3）得到总压p*，从而可以得出流体的静压p。

可通过测温光纤10得到压气机的总温T*。可通过光栅式光纤8测得的工作环境温度的变化，补偿由于温度变化引起的弹性应变片的测量漂移。温度变化于光栅波长变化的关系：

Δλ＝(α+ξ)λΔT （7）

式中，α为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数，Δλ为波长的变化，ΔT为温度的变化。

根据静压、总压、总温和气体流量的关系，可以计算出所测气体流量的大小：

$G=K\frac{p*}{\sqrt{T*}}A{\left(\frac{\mathrm{\κ}+1}{2}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\κ}-1}}\sqrt{\frac{\mathrm{\κ}+1}{\mathrm{\κ}-1}}\sqrt{{\left(\frac{p}{p*}\right)}^{\frac{2}{\mathrm{\κ}}}-{\left(\frac{p}{p*}\right)}^{\frac{\mathrm{\κ}+1}{\mathrm{\κ}}}}---\left(8\right)$

式中K为常数，κ为气体常数，A为测量截面的气动面积，p*为总压，p为静压，T*为总温。

通过将光栅光纤的输出端连接到波长解调仪器上，可以测得波长的变化，从而通过计算得到温度的变化量，完成整个光强式光纤与光栅式光纤的混合光纤流量传感器的设计。

Claims (6)

1.一种用于压气机流体多参数测量的光强式与光栅式混合光纤传感器，包括皮托管(11)；其特征在于：包括环形静压弹性应变片(1)、圆形总压弹性应变片(2)、筒状金属封装外壳(3)、双圈同轴光强反射式光纤探头(4)、第一测温光栅光纤(8)和第二测温光栅光纤(10)；筒状金属封装外壳(3)连接于皮托管(11)的测量接口，在筒状金属封装外壳(3)与皮托管(11)连接之处设置中心带有通孔的环形静压弹性应变片(1)，在筒状金属封装外壳(3)的另一端设有通孔，双圈同轴光强反射式光纤探头(4)置于筒状金属封装外壳(3)的真空腔内，并通过通孔引出发射和接收光纤；在环形静压弹性应变片(1)与双圈同轴光强反射式光纤探头(4)之间设有圆形总压弹性应变片(2)；第二测温光栅光纤(10)设置在皮托管(11)总压孔B的内壁上；第一测温光栅光纤(8)设置在筒状金属封装外壳(3)的真空腔的内壁上；所述环形静压弹性应变片(1)是环形静压弹性应变片上粘贴若干压力测量的光栅光纤，若干测压力光栅光纤(9)沿圆周均匀分布；所述双圈同轴光强反射式光纤探头(4)上的发射和接收光纤的排布为：光纤的中心为一根发射光纤，发射光纤的外围设有六根接收光纤形成第一组接收光纤(6)，第一组接收光纤(6)的外围设有十二根接收光纤形成第二组接收光纤(7)；所述环形静压弹性应变片(1)、圆形总压弹性应变片(2)、第一测温光栅光纤(8)和第二测温光栅光纤(10)上设有信号输出连接线。

2.根据权利要求1所述的压气机流体多参数测量的光强式与光栅式混合光纤传感器，其特征在于：所述测压力光栅光纤(9)为布拉格光栅光纤。

3.根据权利要求1所述的压气机流体多参数测量的光强式与光栅式混合光纤传感器，其特征在于：所述双圈同轴光强反射式光纤探头(4)与圆形总压弹性应变片(2)的距离为0.25mm～2.5mm。

4.根据权利要求1所述的压气机流体多参数测量的光强式与光栅式混合光纤传感器，其特征在于：所述筒状金属封装外壳(3)的外侧涂覆耐高温涂层。

5.根据权利要求1所述的压气机流体多参数测量的光强式与光栅式混合光纤传感器，其特征在于：所述环形静压弹性应变片(1)和圆形总压弹性应变片(2)选用复合硅材料。

6.一种利用权利要求1～5任一项所述传感器进行压气机气体流量的测试方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：通过接收光纤接收到的光进行光电转换并采集，得到两组接收光的光强比值M(z)：

$M\left(z\right)=\exp \left\{\frac{-3\·d^2}{{a_0}^2{\[1+\mathrm{\ζ}{\left(\frac{2z}{a_0}\right)}^{3/2}{\mathrm{tan\θ}}_0\]}^2}\right\}+\exp \left\{\frac{-2\·d^2}{{\mathrm{\σ}}^2{a_0}^2{\[1+\mathrm{\ζ}{\left(\frac{2z}{a_0}\right)}^{3/2}{\mathrm{tan\θ}}_0\]}^2}\right\}$

并得到出圆形总压应变片位移z与光强比值M(z)之间的关系,其中入射光纤和接收光纤的轴间距为d、光纤束光纤的半径为a₀、光纤的最大入射角为θ₀、σ为表征光纤折射率分布的相关参数、ζ为与光源种类及光源和光纤耦合情况有关的调制参数；

步骤2：根据圆形总压应变片位移z，计算总压p^*＝z*(AE)，其中A为压力作用的横截面积、E为所选材料的弹性模量；

步骤3：采用应变与波长偏移的关系Δλ_B＝(1-P_e)ε·λ_B计算得到环形静压应变片的形变量ε，其中p_e是光纤的光弹系数、λ_B代表光栅中光的中心波长；

步骤4：根据环形弹性应变片的应变量ε与Δp成正比关系：ε∝Δp，计算环形弹性应变片两侧的压差Δp，得到静压p＝Δp+p*；

步骤5：通过第一测温光栅光纤(8)测得的工作环境温度的变化，补偿由于温度变化引起的弹性应变片的测量漂移，其中α为光纤的热膨胀系数、ξ为光纤的热光系数、Δλ为波长的变化、ΔT为温度的变化、λ为光栅中光的中心波长；温度变化于光栅波长变化的关系：Δλ＝(α+ξ)λΔT；

步骤6：通过第二测温光栅光纤(10)得到压气机的总温T*；

步骤7：根据p^*，p，T*，计算气体流量，其计算方法如下：

$G=K\frac{p*}{\sqrt{T*}}A{\left(\frac{\mathrm{\κ}+1}{2}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\κ}-1}}\sqrt{\frac{\mathrm{\κ}+1}{\mathrm{\κ}-1}}\sqrt{{\left(\frac{p}{p*}\right)}^{\frac{2}{\mathrm{\κ}}}-{\left(\frac{p}{p*}\right)}^{\frac{\mathrm{\κ}+1}{\mathrm{\κ}}}}$

式中K为常数，κ为气体常数，A为测量截面的气动面积，p*为总压，p为静压，T*为总温。