一种高温涡轮转子系统动态应变的分体式光纤传感系统技术方案

本发明专利技术公开一种高温涡轮转子系统动态应变的分体式光纤传感系统，包括黑体光源(2)、光纤法珀传感器、光纤准直器(5)、面型光楔(7)、面阵红外探测器(6)和信号处理模块(8)；本发明专利技术直接采用面型光楔与面阵探测器作为解调元件，转轴的横向抖动仅仅引发光斑位置平移，不影响光斑的相对光强分布，减少了对于解调的影响。减少了对于解调的影响。减少了对于解调的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种高温涡轮转子系统动态应变的分体式光纤传感系统


[0001]本专利技术涉及光纤应变传感领域，具体是一种高温涡轮转子系统动态应变的分体式光纤传感系统。

技术介绍

[0002]高温涡轮转子系统在航空发动机中发挥着不可替代的作用，但其工作环境恶劣：高温高压、流体冲刷、长期保持高速旋转。离心力、振动和流体载荷的作用可能致使涡轮部件产生变形、裂纹、腐蚀甚至断裂，带来安全隐患。动态应变是反映涡轮转子局部特性的重要指标，可用于涡轮转子结构的健康监测和故障预警，因此对于转子表面应变传感方法的研究具有十分重要的意义。
[0003]对旋转结构的应变测量存在两大难题，信号传感与信号传输。传统的电阻法采用电阻应变片传感，结合电滑环引出旋转端的信号。电测法研究成熟度较高，但电阻应变片在高温下工作寿命短，且受电磁场干扰。而电滑环电刷与滑环的摩擦产生的噪声将进一步降低解调精度。这些特性限制了电阻法在高温强干扰环境下的应用。
[0004]光纤传感技术具有体积小、重量轻、抗电磁干扰等特性，更适合用于特种环境下的应变传感。光纤传感技术分为光纤光栅传感和光纤法珀传感，光纤光栅结构在1000℃的高温下长期工作会发生性能退化，无法长期工作，且存在温度应变交叉敏感性的问题。光纤法珀传感器通过腔长的变化来反映被测结构的温度和应变变化，其中蓝宝石法珀传感器可耐超过1200℃的高温，且可以解决高温性能退化和交叉敏感问题。
[0005]光纤法珀传感器的信号传输，目前国内外主要采用光滑环结构。光滑环结构可抗电磁干扰、传输速率高、使用寿命较长，但结构复杂、价格昂贵，且高转速下需要承受较大的冲击载荷，导致插入损耗增大，因此光滑环结构难以满足高转速下的信号传输需求。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种高温涡轮转子系统动态应变的分体式光纤传感系统，包括黑体光源、光纤法珀传感器、光纤准直器、面型光楔、面阵红外探测器和信号处理模块；
[0007]所述黑体光源在高温下发生黑体自发辐射，令入射光从光纤端面耦合到光纤法珀传感器内；
[0008]所述光纤法珀传感器贴置在被测结构表面，并将含有应变信息的法珀光信号透射到光纤中；
[0009]所述光纤准直器将法珀光信号准直为平行光信号，出射到自由空间中；
[0010]所述面型光楔接收所述平行光信号，并进行解调，得到解调光信号；
[0011]所述面阵红外探测器采集解调光信号，生成二维图像，并传输至信号处理模块；
[0012]所述信号处理模块对二维图像进行处理，得到光纤法珀传感器的腔长。
[0013]进一步，所述光纤法珀传感器为蓝宝石光纤非本征型法珀传感器。
[0014]进一步，所述面型光楔是空气腔光楔，光楔厚度沿水平x方向连续变化，沿水平y方
向保持不变。
[0015]二维图像的每一个像素点都对应光楔的一个厚度值生成的解调光信号。
[0016]进一步，所述面阵红外探测器在生成二维图像的同时，生成每个像素点的索引号；所述像素点索引号与该像素点对应的光楔的厚度具有关联关系。
[0017]进一步，像素点索引号与该像素点对应的光楔的厚度之间的关联关系如下所示：
[0018]h＝h0+xstanθ (1)
[0019]式中，θ为光楔倾角，x为红外面阵探测器沿光楔厚度变化方向的索引号，s为像素元大小，h0是索引号为0时对应的光楔厚度，h为索引号x所对应的光楔厚度。
[0020]进一步，所述信号处理模块对二维图像进行处理的步骤包括：
[0021]1)对二维图像进行模数转换，得到数字信号；
[0022]2)对所述数字信号进行加窗截取处理，得到二维光强信号数组I(x,y)；
[0023]3)对二维光强信号的光强值逐列进行积分累加，将二维光强数组I(x,y)转化为一维数组I1(x)；
[0024]4)对一维数组I1(x)进行波峰分析处理，找到一维数组I1(x)中最大值I1(i)所对应的索引号i；
[0025]5)根据像素索引号i与光楔厚度h的对应关系，确定光强积分极大值位置对应的光楔厚度，以该光楔厚度作为法珀传感器的腔长L。
[0026]进一步，黑体光源自发辐射的光强E(λ,T)如下所示：
[0027][0028]式中，ε(λ)为腔体有效发射系数，h'为普朗克常数，λ为波长，c为光速，K
B
为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。
[0029]进一步，法珀透射光的光强I
T
(λ)如下所示：
[0030][0031]式中，R为光纤端面反射率，L为法珀传感器的腔长。n表示光楔内部的折射率。
[0032]进一步，所述解调光信号的二维光强分布I(x,y)如下所示：
[0033][0034]式中，R1和R2是光楔上下表面的反射率；(x,y)为面阵CCD表面的位置坐标；h(x)是点(x,y)对应的光楔厚度；(x
p
,y
p
)为二维高斯光斑中心点的位置，B
x
和B
y
分别为光斑沿x轴和沿y轴高斯分布的标准差；当光楔厚度与法珀腔长相等时，解调光信号的二维光强分布I(x,y)取得最大值。λ
max
、λ
min
为波长上下限；
[0035]本专利技术的技术效果是毋庸置疑的，本专利技术的有益效果如下：
[0036]1)将光纤法珀用于高温涡轮转子系统的应变传感，传感器体积小、抗电磁干扰能力强、传输速率高；
[0037]2)利用自由空间耦合的方式引出腔长信号，避免了使用滑环结构进行物理连接带来的冲击载荷和插入损耗影响；
[0038]3)光源与传感器实现一体化，传感端与解调端在空间上彼此独立，这种透射式的法珀结构提高了光强，避免了反射式结构双向耦合带来的光强损耗；
[0039]4)本专利技术光斑横向抖动对于解调的影响较低。
[0040]本专利技术直接采用面型光楔与面阵探测器作为解调元件，转轴的横向抖动仅仅引发光斑位置平移，不影响光斑的相对光强分布，减少了对于解调的影响。
附图说明
[0041]图1为面型光楔与面阵红外探测器的相对坐标位置示意图；
[0042]图2(a)为面阵红外探测器采集到的光斑强度分布仿真图，图2(b)为光斑强度分布沿y轴积分的结果仿真图；
[0043]图3为本专利技术实施例提供的一种涡轮转子动态应变测量系统示意图；
[0044]图中，被测结构1、黑体光源2、传感头3、蓝宝石光纤4、光纤准直器5、面阵红外探测器6、面型光楔7、信号处理模块8。
具体实施方式
[0045]下面结合实施例对本专利技术作进一步说明，但不应该理解为本专利技术上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本专利技术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，均应包括在本专利技术的保护范围内。
[0046]实施例1：
[0047]参见图1至图3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温涡轮转子系统动态应变的分体式光纤传感系统，其特征在于：包括黑体光源(2)、光纤法珀传感器、所述光纤准直器(5)、面型光楔(7)、面阵红外探测器(6)和信号处理模块(8)。所述黑体光源(2)在高温下发生黑体自发辐射，令入射光从光纤端面耦合到光纤法珀传感器内；所述光纤法珀传感器贴置在被测结构(1)表面，并将含有应变信息的法珀光信号透射到光纤中；所述光纤准直器(5)将法珀光信号准直为平行光信号，出射到自由空间中；所述面型光楔(7)接收所述平行光信号，并进行解调，得到解调光信号；所述面阵红外探测器(6)采集解调光信号，生成二维图像，并传输至信号处理模块(8)；所述信号处理模块(8)对二维图像进行处理，得到光纤法珀传感器的腔长。2.根据权利要求1所述的一种高温涡轮转子系统动态应变的分体式光纤传感系统，其特征在于：所述光纤法珀传感器为蓝宝石光纤非本征型法珀传感器。3.根据权利要求1所述的一种高温涡轮转子系统动态应变的分体式光纤传感系统，其特征在于：所述面型光楔(7)是空气腔光楔，光楔厚度沿水平x方向连续变化，沿水平y方向保持不变。二维图像的每一个像素点都对应光楔的一个厚度值生成的解调光信号。4.根据权利要求3所述的一种高温涡轮转子系统动态应变的分体式光纤传感系统，其特征在于：所述面阵红外探测器(6)在生成二维图像的同时，生成每个像素点的索引号；所述像素点索引号与该像素点对应的光楔厚度具有关联关系。5.根据权利要求4所述的一种高温涡轮转子系统动态应变的分体式光纤传感系统，其特征在于：像素点索引号与该像素点对应的光楔厚度之间的关联关系如下所示：h＝h0+xstanθ(1)式中，θ为光楔倾角，x为红外面阵探测器沿光楔厚度变化方向的索引号，s为像素元大小，h0是索引号为0时对应的光楔厚度，h为索引号x所对应的光楔厚度。6.根据权利要求5所述的一种高温涡轮转子系统动态应变的分体式光纤传感系统，其特征在于，所述信号处理模块(8)对二维图像进行处理的步骤包括：1)对二维图像进行模数转换，得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：章鹏，吴天航，雷小华，刘显明，朱梦权，孙富强，吴必松，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：