用于壓氣機流體多參數(shù)測量的光纖傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提出了一種用于壓氣機流體多參數(shù)測量的光纖傳感器，布拉格光柵式光纖對稱分布于環(huán)形彈性應變片表面，通過光纖中心波長的偏移量計算出靜壓；光強光纖垂直照射到彈性應變片中心，并由兩組接收光纖接收反射光，通過兩組接收光纖的光強比值計算彈性應變片的偏移距離，從而計算出總壓；測溫光柵光纖黏貼于皮托管內(nèi)壁，通過測溫光柵光纖中心波長的偏移量計算出壓氣機總溫；另一測溫光柵光纖水平固定在筒狀金屬外殼內(nèi)側(cè)測量工作環(huán)境的溫度，對總壓和靜壓進行溫度補償。本實用新型不僅具有光纖傳感器體積小，結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強等特點，而且可以實現(xiàn)一個傳感器測量流體總壓，靜壓，總溫，流量等多個參數(shù)。
【專利說明】用于壓氣機流體多參數(shù)測量的光纖傳感器
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)動機氣體流量測量的光纖傳感器【技術(shù)領域】，具體為一種用于壓氣機流體多參數(shù)測量的光強式與光柵式混合光纖傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖傳感技術(shù)起于上世紀七十年代，九十年代進入我國。目前國內(nèi)有多家研究機構(gòu)開始利用此項技術(shù)進行產(chǎn)品的研發(fā)與制作。對于航空、航天等特殊環(huán)境下需要利用到的氣體流量傳感器，其特點是既有較高的動態(tài)響應和較好的靜態(tài)測量的線性度，也要有防電磁干擾及較好耐高溫特性。
[0003]壓氣機是航空發(fā)動機的核心部件之一，其工作狀態(tài)對整個發(fā)動機的正常運行有著重要作用。而高壓比的壓氣機既是軍用航空發(fā)動機的發(fā)展趨勢所需，又是航空發(fā)動機中易發(fā)生故障的部件，并且一般情況下，壓比越高，越容易發(fā)生喘振。如果壓氣機不能正常工作以至于發(fā)生喘振，將可能導致葉片斷裂、結(jié)構(gòu)損壞、燃燒室超溫和發(fā)動機熄火等嚴重故障，因此對其進行實時監(jiān)控是必要的。而在眾多參數(shù)的監(jiān)控中，流量的測量又是其中的重點和難點。光纖流量傳感器相比于常規(guī)壓力傳感器，其對應變、溫度、位移等有更高的靈敏度，同時又具有體積小、重量輕、抗腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)點。因此應用光纖傳感器對壓氣機氣體流量進行測量，為壓氣機氣體流量可靠精確測量提供了一種解決方式。此外，在高精度測量的同時解決溫度補償問題也是光纖流量傳感器實用化中的關鍵問題。
[0004]浙江省計量科學研究院的程佳等人發(fā)明了一種多截面分布式光纖光柵熱式流量傳感器(中國專利102564504,2012年07月11日)，這種傳感器管壁內(nèi)有3個光柵光纖傳感器，對稱布置成“川”字形，并且3根光纖位于同一徑向平面上。這種傳感器通過光柵光線測量流體不同部分的溫度，得出流體的流量。因此這種流量傳感器響應速度非常慢；被測量氣體組分變化較大的場所，因cp值和熱導率變化，測量值會有較大變化而產(chǎn)生誤差；由于光纖機械強度差，對于流速較快的壓氣機出口，由于壓氣機口徑較大，光纖可能會發(fā)生斷裂。因此進一步研究一種用于壓氣機出口的響應靈敏、測量精確的光線流量傳感器，可以作為壓氣機傳感器系統(tǒng)的一個重要部分。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]要解決的技術(shù)問題
[0006]為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出一種用于壓氣機流體多參數(shù)測量的光強式與光柵式混合光纖傳感器。
[0007]技術(shù)方案
[0008]一種用于壓氣機流體多參數(shù)測量的光強式與光柵式混合光纖傳感器，包括皮托管11 ;其特征在于:還包括環(huán)形靜壓彈性應變片1、圓形總壓彈性應變片2、筒狀金屬封裝外殼
3、雙圈同軸光強反射式光纖探頭4、測溫光柵光纖8和測溫光柵光纖10 ;筒狀金屬封裝外殼3連接于皮托管11的測量接口，在筒狀金屬封裝外殼3與皮托管11連接之處設置中心帶有通孔的環(huán)形靜壓彈性應變片1，在筒狀金屬封裝外殼3的另一端設有通孔，雙圈同軸光強反射式光纖探頭4置于筒狀金屬封裝外殼3的真空腔內(nèi)，并通過通孔引出發(fā)射和接收光纖；在環(huán)形靜壓彈性應變片I與雙圈同軸光強反射式光纖探頭4之間設有圓形總壓彈性應變片2 ;測溫光柵光纖10設置在皮托管11總壓孔B的內(nèi)壁上；測溫光柵光纖8設置在筒狀金屬封裝外殼3的真空腔的內(nèi)壁上；所述環(huán)形靜壓彈性應變片I是環(huán)形靜壓彈性應變片上粘貼若干壓力測量的光柵光纖，若干壓力測量的光柵光纖9沿圓周均勻分布；所述雙圈同軸光強反射式光纖探頭4上的發(fā)射和接收光纖的排布為:光纖的中心為一根發(fā)射光纖，發(fā)射光纖的外圍設有六根接收光纖形成第一組接收光纖6，第一組接收光纖6的外圍設有十二根接收光纖形成第二組接收光纖7 ;所述環(huán)形靜壓彈性應變片1、圓形總壓彈性應變片2、測溫光柵光纖8和測溫光柵光纖10上設有信號輸出連接線。
[0009]所述測壓力光柵光纖9為布拉格光柵光纖。
[0010]所述雙圈同軸光強反射式光纖探頭4與圓形總壓彈性應變片2的距離為
0.25mm ?2.5mm。
[0011 ] 所述筒狀金屬封裝外殼3的外側(cè)涂覆耐高溫涂層。
[0012]所述環(huán)形靜壓彈性應變片I和圓形總壓彈性應變片2選用復合硅材料。
[0013]有益效果
[0014]本發(fā)明采用光纖作為發(fā)動機流量的測量和溫度補償?shù)年P鍵部件，提出了一種光強式與光柵式混合光纖流量傳感器。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、精度高，采用測溫光柵光纖測量壓氣機出口溫度，采用測壓力光柵光纖測量靜壓，采用光強反射式光纖測量彈性應變片的距離以達到總壓測量的目的，從而精確測量壓氣機進氣口的流量的精確值。同時采用光柵式光纖測量傳感器所處溫度用以進行溫度漂移的補償進一步提高傳感器精度。所以，簡要總結(jié)該傳感器具有以下優(yōu)點:1、本發(fā)明采用彈性應變片作為敏感元件，應用光柵光纖和光強光纖作為測量元件，這種方式可有效的提高流量測量的精度；2、本發(fā)明采用光柵光纖直接測量傳感器所處環(huán)境溫度，利用溫度補償實現(xiàn)對壓力的精確測量；3、本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、抗干擾能力強并且精度可靠性高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1:本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2:圖1中測量壓力光柵光纖分布圖
[0017]圖3:圖1中雙圈同軸光強反射式光纖的局部放大圖；
[0018]其中:1、靜壓彈性應變片；2、總壓彈性應變片；3、筒狀金屬外殼；4、光纖探頭；5、發(fā)射光纖；6、接收光纖；17、接收光纖2;8、測溫光柵光纖I ;9測壓光柵光纖；10、測溫光柵光纖2; 11、皮托管；A、靜壓孔；B、總壓孔
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合具體實施例描述本發(fā)明:
[0020]參照附圖1，本實施例中的一種用于壓氣機流體多參數(shù)測量的光強式與光柵式混合光纖傳感器包括皮托管11;其特征在于:還包括環(huán)形靜壓彈性應變片1、圓形總壓彈性應變片2、筒狀金屬封裝外殼3、雙圈同軸光強反射式光纖探頭4、測溫光柵光纖8和測溫光柵光纖?ο ;筒狀金屬封裝外殼3連接于皮托管11的測量接口，在筒狀金屬封裝外殼3與皮托管11連接之處設置中心帶有通孔的環(huán)形靜壓彈性應變片1，在筒狀金屬封裝外殼3的另一端設有通孔，雙圈同軸光強反射式光纖探頭4置于筒狀金屬封裝外殼3的真空腔內(nèi)，并通過通孔引出發(fā)射和接收光纖；在環(huán)形靜壓彈性應變片I與雙圈同軸光強反射式光纖探頭4之間設有圓形總壓彈性應變片2 ;測溫光柵光纖10設置在皮托管11總壓孔B的內(nèi)壁上；測溫光柵光纖8設置在筒狀金屬封裝外殼3的真空腔的內(nèi)壁上；所述環(huán)形靜壓彈性應變片I是環(huán)形靜壓彈性應變片上粘貼若干壓力測量的光柵光纖，8組壓力測量的光柵光纖9沿圓周均勻分布；所述雙圈同軸光強反射式光纖探頭4上的發(fā)射和接收光纖的排布為:光纖的中心為一根發(fā)射光纖，發(fā)射光纖的外圍設有六根接收光纖形成第一組接收光纖6，第一組接收光纖6的外圍設有十二根接收光纖形成第二組接收光纖7 ;所述環(huán)形靜壓彈性應變片1、圓形總壓彈性應變片2、測溫光柵光纖8和測溫光柵光纖10上設有信號輸出連接線。
[0021]測壓力光柵光纖對稱并且均勻分布于環(huán)形靜壓應變片表面。
[0022]光強光纖探頭的軸線方向應與彈性應變片的軸線方向重合。
[0023]光強光纖探頭與彈性應變片的距離保持在0.25mm-2.5mm。
[0024]所選彈性應變片的材料為特殊復合材料，這種材料具有耐高溫、較高強度極限和較高比例極限的特點。
[0025]所選筒狀金屬封裝外殼，內(nèi)側(cè)選用導熱性好的金屬，外側(cè)采用導熱性差的金屬并添加耐高溫涂層。
[0026]所述的環(huán)形靜壓彈性應變片的外邊緣與所述的金屬封裝殼體頂端的邊緣之間通過緊固件相連接。
[0027]所述的環(huán)形靜壓彈`性應變片的內(nèi)邊緣與所述的皮托管的總壓管緊密相連，并涂有高強度密封膠。
[0028]所述的總壓彈性應變片的邊緣與所述的金屬封裝內(nèi)部卡槽通過緊固件相連接，并涂有高強度密封膠，所述的總壓彈性應變片與殼體的內(nèi)部空腔構(gòu)成一個密閉的真空腔。
[0029]靜壓彈性應變片I和總壓彈性應變片2的材料為特殊復合材料，這種材料具有耐高溫、較高強度極限和較高比例極限的特點，本發(fā)明中可選用復合硅材料，這是因為航空發(fā)動機壓氣機的溫度可達500K左右并且需要測量的壓力為0-5Mpa。
[0030]筒狀金屬外殼3由兩層材料組成，為保證封裝殼體的強度和剛度要求，兩層材料均為合金材料。其中內(nèi)層為導熱性好的合金材料，以保證測溫光柵光纖可以準確的測量傳感器的工作環(huán)境溫度，外層采用導熱性差的金屬并添加耐高溫涂層。
[0031]測壓光柵光纖9由特殊粘合劑粘貼在靜壓應變片表面，因為航空發(fā)動機壓氣機的溫度可達500k，所以這種粘合劑要具有耐高溫特性。
[0032]本實施例中的光強反射式光纖的入射光源應根據(jù)光電轉(zhuǎn)換器選擇，本發(fā)明中選擇紅光作為光源。并且入射光照入密封真空腔可以排除外界光源和干擾對傳感器的影響。
[0033]本發(fā)明的光強式與光柵式混合光纖流量傳感器工作時，當外界靜壓力作用于靜壓彈性應變片I時，靜壓彈性應變片I發(fā)生形變，粘貼與I表面的測壓光柵光纖9長度同時發(fā)生變化，進而引起光柵反射的中心波長發(fā)生偏移；同時總壓作用于總壓彈性應變片2，總壓應變片2發(fā)生形變，入射光纖5與總壓彈性應變片2下表面中心之間的距離發(fā)生微小變化，從而使內(nèi)圈接收光纖6和外圈接收光纖7接收的光強發(fā)生變化；同時，處于同一溫度場內(nèi)的測溫光柵光纖8可檢測到溫度發(fā)生的變化而引起光柵反射的中心波長發(fā)生偏移。因此可根據(jù)9的光柵反射中心波長與靜壓彈性應變片之間的關系，并結(jié)合壓力與彈性應變片應變的關系，計算所測出靜壓的大??；根據(jù)光強變化與距離變化之間的關系，并結(jié)合壓力與彈性應變片應變之間的關系，計算所測總壓壓力的大??；通過測溫光柵8的光柵反射中心波長的偏移量計算出所處溫度的大小，從而實現(xiàn)壓氣機靜壓和總壓的精確測量和溫度補償；通過測溫光柵10的光柵反射中心波長的偏移量計算出壓氣機總溫。根據(jù)靜壓、總壓、總溫和氣體流量的關系，可以計算出所測氣體流量的大小。具體計算過程如下:
[0034]總壓彈性應變片的受力應變公式如下:
[0035]
【權(quán)利要求】
1.一種用于壓氣機流體多參數(shù)測量的光纖傳感器，包括皮托管(11);其特征在于:還包括環(huán)形靜壓彈性應變片(I)、圓形總壓彈性應變片(2)、筒狀金屬封裝外殼(3)、雙圈同軸光強反射式光纖探頭(4)、測溫光柵光纖I (8)和測溫光柵光纖2 (10);筒狀金屬封裝外殼(3 )連接于皮托管(11)的測量接口，在筒狀金屬封裝外殼(3 )與皮托管(11)連接之處設置中心帶有通孔的環(huán)形靜壓彈性應變片(1)，在筒狀金屬封裝外殼(3)的另一端設有通孔，雙圈同軸光強反射式光纖探頭(4)置于筒狀金屬封裝外殼(3)的真空腔內(nèi)，并通過通孔引出發(fā)射和接收光纖；在環(huán)形靜壓彈性應變片(I)與雙圈同軸光強反射式光纖探頭(4)之間設有圓形總壓彈性應變片(2);測溫光柵光纖2 (10)設置在皮托管(11)總壓孔B的內(nèi)壁上；測溫光柵光纖I (8)設置在筒狀金屬封裝外殼(3)的真空腔的內(nèi)壁上；所述環(huán)形靜壓彈性應變片(I)是環(huán)形靜壓彈性應變片上粘貼若干壓力測量的光柵光纖，若干壓力測量的光柵光纖(9)沿圓周均勻分布；所述雙圈同軸光強反射式光纖探頭(4)上的發(fā)射和接收光纖的排布為:光纖的中心為一根發(fā)射光纖，發(fā)射光纖的外圍設有六根接收光纖形成第一組接收光纖(6)，第一組接收光纖(6)的外圍設有十二根接收光纖形成第二組接收光纖(7);所述環(huán)形靜壓彈性應變片(I)、圓形總壓彈性應變片(2)、測溫光柵光纖I (8)和測溫光柵光纖2(10)上設有信號輸出連接線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于壓氣機流體多參數(shù)測量的光纖傳感器，其特征在于:所述壓力測量的光柵光纖(9)為布拉格光柵光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于壓氣機流體多參數(shù)測量的光纖傳感器，其特征在于:所述雙圈同軸光強反射式光纖探頭(4)與圓形總壓彈性應變片(2)的距離為0.25mm?2.5mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于壓氣機流體多參數(shù)測量的光纖傳感器，其特征在于:所述筒狀金屬封裝外殼(3)的外側(cè)涂覆耐高溫涂層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于壓氣機流體多參數(shù)測量的光纖傳感器，其特征在于:所述環(huán)形靜壓彈性應變片(I)和圓形總壓彈性應變片(2)選用復合硅材料。
【文檔編號】G01F1/66GK203455033SQ201320452013
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年7月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月26日
【發(fā)明者】張小棟, 賀琛, 袁輝, 賈丙輝 申請人:西北工業(yè)大學