一种用于航空发动机涡轮叶片测温的棱镜六通道系统技术方案

本发明专利技术方案为一种用于航空发动机涡轮叶片测温的棱镜六通道系统，属于仪器测试领域。所设计的六通道棱镜系统通过三角色散棱镜将光路按波段分成三路，然后在每路又通过一个分色镜进行波段分光，以此构成六通道光学系统。对每个通道的波段进行了分色镜分光和滤光片滤光两次筛选，确保了各通道光路的波段精确度。六个波段可以根据实际工况实现多波段的最优化选择。三角色散棱镜通过特定的夹持调节平台进行固定和校准，能够对关键光学元件进行水平、垂直方向的调节。垂直方向的调节。垂直方向的调节。

【技术实现步骤摘要】
一种用于航空发动机涡轮叶片测温的棱镜六通道系统


[0001]本专利技术属于测试仪器领域，应用于复杂工况下航空发动机涡轮叶片表面温度测量。

技术介绍

[0002]温度是决定一个物质状态的关键参数之一。温度监测对于高温服役航空器件的性能评估尤为重要。辐射测温作为一种典型的非接触式测温方法，已经成为航空发动机涡轮叶片的温度测量的主要手段。基于辐射测温衍生出来的测温方式有很多，目前广泛应用的测温方法依据波段划分主要有单波段、双波段和三波段测温。单波段和双波段测温依据亮度测温和比色测温算法虽然能测到叶片的温度信息，但是由于被测物体发射率难以辨认，因此测到的不是物体的真实温度。三波段测温在实际应用中会受到其他热辐射源的干扰，测温精度难以保证。辐射测温方法依据光学系统划分有透镜测温、光栅测温和棱镜测温。透镜测温根据分色镜的光路分束能够针对不同光谱分成等数量的不同测温通道，但是最大问题就是系统复杂度过高，不适合实际应用。光栅作为一个很好的分光选择又有像差大、工艺难度高和辐射损耗大等诸多问题。基于此，本专利提出一种用于航空发动机涡轮叶片测温的棱镜六通道系统，其不仅能够在测温精度、辐射损耗和噪声去除等方面有着较高的水准，同时在系统灵活性和应用场景多样性等方面也有极大的优势。

技术实现思路

[0003]本专利技术方案为一种用于航空发动机涡轮叶片测温的棱镜六通道光学系统，该系统前端为一个探针传光装置，通过多模光纤与本系统连接，整个六波段棱镜装置由聚焦镜、三角色散棱镜、分色镜、滤光片、耦合镜和光电探测器组成。
[0004]由于燃气在短波红外和中波红外波段对辐射光谱的选择性吸收，叶片发射的热辐射会被燃气吸收掉一部分，从而导致测量温度比实际温度值偏低。燃气吸收造成的测温误差主要取决于气体的成分、浓度以及其在某波段的吸收。因此本技术方案中通过光纤光谱仪获得入射热辐射在短波红外和中波红外的光谱分布，并根据光谱分布特征分析吸收谱线的位置，找到燃气对应的吸收峰，从而在多种燃气成分形成的工作“窗口”内选择合适的测温波长，避开燃气的高吸收区。在短波红外和中波红外波段测温光路中设置多个窄带滤光片，通过不同波段的滤光片设置对波段内的燃气“窗口”进行选通，通过对测温“窗口”的正确选择进而消除燃气吸收引入的测温误差。
[0005]本专利技术技术方案为一种用于航空发动机涡轮叶片测温的棱镜六通道系统，该系统包括：反射镜、探针、光纤、准直镜、色散棱镜、分光系统、探测器，所述反射镜位于航空发动机内，将目标光线反射进入探针，探针一端位于航空发动机内，所述探针将目标光线引出航空发动机，然后通过光纤将光线传输给准直镜上，光线经过准直镜后入射进色散棱镜，经过色散棱镜光线再进入分光系统，最后通过探测器进行探测；所述分光系统包括三个探测组，分别对应1.00～1.70um、2.04～2.40um和3.46～3.80um三个波段，每个探测组中又包括两
个探测支路，每个探测支路最后对应一个探测器，其中1.00～1.70um对应的探测组分为1.00～1.33μm、1.44～1.70μm两个探测支路，2.04～2.40um对应的探测组分为2.04～2.22μm、2.22～2.40μm两个探测支路，3.46～3.80um对应的探测组分为3.46～3.80μm、3.80～4.14μm两个探测支路；各探测组中包括：一个分光镜、两个滤光片、两个聚焦镜，其中一个滤光片对应一个聚焦镜组成一个探测支路；光线首先进入分光镜被分为两束，然后每一束进入一个探测支路后被一个探测器检测；所述色散棱镜将光纤色散，根据各波段的光线的位置和三个探测组对应的探测波段，设置三个探测组中分光镜的位置。
[0006]进一步的，所述分光镜采用立方分光棱镜，将入射光分为相互垂直的两束光。
[0007]本专利技术方案通过三个三角色散棱镜和三个分光棱镜，将辐射光分成1.00～1.33μm、1.44～1.70μm、2.04～2.22μm、2.22～2.40μm、3.46～3.80μm和3.80～4.14μm六个通道，各个波段的光传输至对应的光电探测器上，通过算法反演出实际温度大小。系统采用棱镜而不是光栅，是考虑到棱镜即能避免光栅工艺复杂、像差大、结构稳定性差等缺点，同时自身还可以通过增大顶角与材料的色散来达到增加色散角的效果。每一个通道同时经过了棱镜色散和滤光片滤光两次波段筛选，有效地提高了各个波段的精度。三角色散棱镜通过可调节臂杆三维平台固定和调节，增加了系统的灵活性。在具体测温中，还可以根据不同的环境、不同的温度以及不同的精度要求选取六通道测温或只选取最适当的两、三个通道测温，能够实现波段的灵活组合和选择。相较于其他测温系统，本系统具有以下几个优点：1.装置简单灵活。系统稳定性高。整个系统仅仅通过透镜和棱镜的简单组合就实现了分光测温的效果，并且棱镜容易固定安装。2.测温精度高。本系统选取六个通道进行实时温度反演，并且选取波段考虑到燃气吸收和目标光谱辐射特性，比起其他波段系统有着更多通道的光谱信息和更高的测温精度。3.波段选择灵活。系统可以根据具体情况来选择不同数量和不同波段的通道，在测温选择性上系统能够更加灵活。4.能量损耗低。辐射光经过棱镜分光后，每一个通道只经过四个镜片就能实现多光谱测温。能够很大程度上减少辐射光在镜片上产生的损耗。
附图说明
[0008]图1为整个探针探测系统示意图
[0009]图2为六通道分光系统光路结构图
[0010]图3为系统光路传输流程图
具体实施方式
[0011]本专利技术方案前端为一个探针系统，其主要作用是收集叶片的辐射信息，光学系统为一个二次聚焦的物方远心光路，叶片靶点辐射出来的光通过反射镜反射到探针光路中，然后经过光纤耦合器耦合到光纤中传输。从光纤出射的光为发散光，因此首先经过一个准直镜准直为平行光路，随后通过本系统的三角色散棱镜，将光路按照波段长短分成通道1、通道2和通道3三个大通道，对应通道波段范围分别为1.00～1.70um、2.04～2.40um和3.46～4.14um，每个大通道的光随后通过一个分色镜，分成两个小通道，然后单个通道的光又经过滤光片进行再一次的波段筛选，最后通过一个耦合镜耦合到对应的光电探测器中，六个通道的波段范围分别是1.00～1.33μm、1.44～1.70μm、2.04～2.22μm、2.22～2.40μm、3.46
～3.80μm和3.80～4.14μm。三角色散棱镜在本系统中既有光栅的作用，即按照特定波段将辐射光分成多束，同时比起光栅又有像差小、能量损耗少、结构稳定和杂光少等优点。而分色镜由于其波段分色特性，能将入射光按照通道波段要求进行分光。每一个通道的光路都经过一次三角棱镜分色、一次分色镜分色和一次滤光片滤光，最终达到波段选取的效果。
[0012]三角色散棱镜通过一种可调节的臂杆三维棱镜平台固定，通过安装平台的臂杆能够对棱镜进行夹持固定，同时臂杆装置还能进行上下的高度调节，便于安装不同大小和高度的棱镜。光学棱镜调整架具有双轴调整功能，通过旋转旋钮对棱镜的位置进行微调。棱镜平台调整架提供了较大的安装本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于航空发动机涡轮叶片测温的棱镜六通道系统，该系统包括：反射镜、探针、光纤、准直镜、色散棱镜、分光系统、探测器，所述反射镜位于航空发动机内，将目标光线反射进入探针，探针一端位于航空发动机内，所述探针将目标光线引出航空发动机，然后通过光纤将光线传输给准直镜上，光线经过准直镜后入射进色散棱镜，经过色散棱镜光线再进入分光系统，最后通过探测器进行探测；所述分光系统包括三个探测组，分别对应1.00～1.70um、2.04～2.40um和3.46～3.80um三个波段，每个探测组中又包括两个探测支路，每个探测支路最后对应一个探测器，其中1.00～1.70um对应的探测组分为1.00～1.33μm、1.44～1.70μm两个探测支...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜晶，王超，牛夷，程杰，张泽展，喻培丰，高山，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：