用于壓氣機(jī)流體多參數(shù)測(cè)量的光纖傳感器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型提出了一種用于壓氣機(jī)流體多參數(shù)測(cè)量的光纖傳感器，布拉格光柵式光纖對(duì)稱分布于環(huán)形彈性應(yīng)變片表面，通過(guò)光纖中心波長(zhǎng)的偏移量計(jì)算出靜壓；光強(qiáng)光纖垂直照射到彈性應(yīng)變片中心，并由兩組接收光纖接收反射光，通過(guò)兩組接收光纖的光強(qiáng)比值計(jì)算彈性應(yīng)變片的偏移距離，從而計(jì)算出總壓；測(cè)溫光柵光纖黏貼于皮托管內(nèi)壁，通過(guò)測(cè)溫光柵光纖中心波長(zhǎng)的偏移量計(jì)算出壓氣機(jī)總溫；另一測(cè)溫光柵光纖水平固定在筒狀金屬外殼內(nèi)側(cè)測(cè)量工作環(huán)境的溫度，對(duì)總壓和靜壓進(jìn)行溫度補(bǔ)償。本實(shí)用新型不僅具有光纖傳感器體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，而且可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)傳感器測(cè)量流體總壓，靜壓，總溫，流量等多個(gè)參數(shù)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于壓氣機(jī)流體多參數(shù)測(cè)量的光纖傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)動(dòng)機(jī)氣體流量測(cè)量的光纖傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種用于壓氣機(jī)流體多參數(shù)測(cè)量的光強(qiáng)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(jì)七十年代，九十年代進(jìn)入我國(guó)。目前國(guó)內(nèi)有多家研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始利用此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的研發(fā)與制作。對(duì)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(diǎn)是既有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和較好的靜態(tài)測(cè)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(jī)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一，其工作狀態(tài)對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行有著重要作用。而高壓比的壓氣機(jī)既是軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)所需，又是航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)不能正常工作以至于發(fā)生喘振，將可能導(dǎo)致葉片斷裂、結(jié)構(gòu)損壞、燃燒室超溫和發(fā)動(dòng)機(jī)熄火等嚴(yán)重故障，因此對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控是必要的。而在眾多參數(shù)的監(jiān)控中，流量的測(cè)量又是其中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。光纖流量傳感器相比于常規(guī)壓力傳感器，其對(duì)應(yīng)變、溫度、位移等有更高的靈敏度，同時(shí)又具有體積小、重量輕、抗腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。因此應(yīng)用光纖傳感器對(duì)壓氣機(jī)氣體流量進(jìn)行測(cè)量，為壓氣機(jī)氣體流量可靠精確測(cè)量提供了一種解決方式。此外，在高精度測(cè)量的同時(shí)解決溫度補(bǔ)償問(wèn)題也是光纖流量傳感器實(shí)用化中的關(guān)鍵問(wèn)題。
[0004]浙江省計(jì)量科學(xué)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(guó)專(zhuān)利102564504,2012年07月11日)，這種傳感器管壁內(nèi)有3個(gè)光柵光纖傳感器，對(duì)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(guò)光柵光線測(cè)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(yīng)速度非常慢；被測(cè)量氣體組分變化較大的場(chǎng)所，因cp值和熱導(dǎo)率變化，測(cè)量值會(huì)有較大變化而產(chǎn)生誤差；由于光纖機(jī)械強(qiáng)度差，對(duì)于流速較快的壓氣機(jī)出口，由于壓氣機(jī)口徑較大，光纖可能會(huì)發(fā)生斷裂。因此進(jìn)一步研究一種用于壓氣機(jī)出口的響應(yīng)靈敏、測(cè)量精確的光線流量傳感器，可以作為壓氣機(jī)傳感器系統(tǒng)的一個(gè)重要部分。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0006]為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種用于壓氣機(jī)流體多參數(shù)測(cè)量的光強(qiáng)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(jī)流體多參數(shù)測(cè)量的光強(qiáng)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(yīng)變片1、圓形總壓彈性應(yīng)變片2、筒狀金屬封裝外殼
3、雙圈同軸光強(qiáng)反射式光纖探頭4、測(cè)溫光柵光纖8和測(cè)溫光柵光纖10 ;筒狀金屬封裝外殼3連接于皮托管11的測(cè)量接口，在筒狀金屬封裝外殼3與皮托管11連接之處設(shè)置中心帶有通孔的環(huán)形靜壓彈性應(yīng)變片1，在筒狀金屬封裝外殼3的另一端設(shè)有通孔，雙圈同軸光強(qiáng)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(guò)通孔引出發(fā)射和接收光纖；在環(huán)形靜壓彈性應(yīng)變片I與雙圈同軸光強(qiáng)反射式光纖探頭4之間設(shè)有圓形總壓彈性應(yīng)變片2 ;測(cè)溫光柵光纖10設(shè)置在皮托管11總壓孔B的內(nèi)壁上；測(cè)溫光柵光纖8設(shè)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(yīng)變片I是環(huán)形靜壓彈性應(yīng)變片上粘貼若干壓力測(cè)量的光柵光纖，若干壓力測(cè)量的光柵光纖9沿圓周均勻分布；所述雙圈同軸光強(qiáng)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(shè)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(shè)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(yīng)變片1、圓形總壓彈性應(yīng)變片2、測(cè)溫光柵光纖8和測(cè)溫光柵光纖10上設(shè)有信號(hào)輸出連接線。
[0009]所述測(cè)壓力光柵光纖9為布拉格光柵光纖。
[0010]所述雙圈同軸光強(qiáng)反射式光纖探頭4與圓形總壓彈性應(yīng)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(yīng)變片I和圓形總壓彈性應(yīng)變片2選用復(fù)合硅材料。
[0013]有益效果
[0014]本發(fā)明采用光纖作為發(fā)動(dòng)機(jī)流量的測(cè)量和溫度補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵部件，提出了一種光強(qiáng)式與光柵式混合光纖流量傳感器。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、精度高，采用測(cè)溫光柵光纖測(cè)量壓氣機(jī)出口溫度，采用測(cè)壓力光柵光纖測(cè)量靜壓，采用光強(qiáng)反射式光纖測(cè)量彈性應(yīng)變片的距離以達(dá)到總壓測(cè)量的目的，從而精確測(cè)量壓氣機(jī)進(jìn)氣口的流量的精確值。同時(shí)采用光柵式光纖測(cè)量傳感器所處溫度用以進(jìn)行溫度漂移的補(bǔ)償進(jìn)一步提高傳感器精度。所以，簡(jiǎn)要總結(jié)該傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn):1、本發(fā)明采用彈性應(yīng)變片作為敏感元件，應(yīng)用光柵光纖和光強(qiáng)光纖作為測(cè)量元件，這種方式可有效的提高流量測(cè)量的精度；2、本發(fā)明采用光柵光纖直接測(cè)量傳感器所處環(huán)境溫度，利用溫度補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的精確測(cè)量；3、本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)并且精度可靠性高。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1:本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2:圖1中測(cè)量壓力光柵光纖分布圖
[0017]圖3:圖1中雙圈同軸光強(qiáng)反射式光纖的局部放大圖；
[0018]其中:1、靜壓彈性應(yīng)變片；2、總壓彈性應(yīng)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(cè)溫光柵光纖I ;9測(cè)壓光柵光纖；10、測(cè)溫光柵光纖2; 11、皮托管；A、靜壓孔；B、總壓孔
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合具體實(shí)施例描述本發(fā)明:
[0020]參照附圖1，本實(shí)施例中的一種用于壓氣機(jī)流體多參數(shù)測(cè)量的光強(qiáng)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(yīng)變片1、圓形總壓彈性應(yīng)變片2、筒狀金屬封裝外殼3、雙圈同軸光強(qiáng)反射式光纖探頭4、測(cè)溫光柵光纖8和測(cè)溫光柵光纖?ο ;筒狀金屬封裝外殼3連接于皮托管11的測(cè)量接口，在筒狀金屬封裝外殼3與皮托管11連接之處設(shè)置中心帶有通孔的環(huán)形靜壓彈性應(yīng)變片1，在筒狀金屬封裝外殼3的另一端設(shè)有通孔，雙圈同軸光強(qiáng)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(guò)通孔引出發(fā)射和接收光纖；在環(huán)形靜壓彈性應(yīng)變片I與雙圈同軸光強(qiáng)反射式光纖探頭4之間設(shè)有圓形總壓彈性應(yīng)變片2 ;測(cè)溫光柵光纖10設(shè)置在皮托管11總壓孔B的內(nèi)壁上；測(cè)溫光柵光纖8設(shè)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(yīng)變片I是環(huán)形靜壓彈性應(yīng)變片上粘貼若干壓力測(cè)量的光柵光纖，8組壓力測(cè)量的光柵光纖9沿圓周均勻分布；所述雙圈同軸光強(qiáng)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(shè)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(shè)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(yīng)變片1、圓形總壓彈性應(yīng)變片2、測(cè)溫光柵光纖8和測(cè)溫光柵光纖10上設(shè)有信號(hào)輸出連接線。
[0021]測(cè)壓力光柵光纖對(duì)稱并且均勻分布于環(huán)形靜壓應(yīng)變片表面。
[0022]光強(qiáng)光纖探頭的軸線方向應(yīng)與彈性應(yīng)變片的軸線方向重合。
[0023]光強(qiáng)光纖探頭與彈性應(yīng)變片的距離保持在0.25mm-2.5mm。
[0024]所選彈性應(yīng)變片的材料為特殊復(fù)合材料，這種材料具有耐高溫、較高強(qiáng)度極限和較高比例極限的特點(diǎn)。
[0025]所選筒狀金屬封裝外殼，內(nèi)側(cè)選用導(dǎo)熱性好的金屬，外側(cè)采用導(dǎo)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(yīng)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(guò)緊固件相連接。
[0027]所述的環(huán)形靜壓彈`性應(yīng)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(qiáng)度密封膠。
[0028]所述的總壓彈性應(yīng)變片的邊緣與所述的金屬封裝內(nèi)部卡槽通過(guò)緊固件相連接，并涂有高強(qiáng)度密封膠，所述的總壓彈性應(yīng)變片與殼體的內(nèi)部空腔構(gòu)成一個(gè)密閉的真空腔。
[0029]靜壓彈性應(yīng)變片I和總壓彈性應(yīng)變片2的材料為特殊復(fù)合材料，這種材料具有耐高溫、較高強(qiáng)度極限和較高比例極限的特點(diǎn)，本發(fā)明中可選用復(fù)合硅材料，這是因?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的溫度可達(dá)500K左右并且需要測(cè)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(qiáng)度和剛度要求，兩層材料均為合金材料。其中內(nèi)層為導(dǎo)熱性好的合金材料，以保證測(cè)溫光柵光纖可以準(zhǔn)確的測(cè)量傳感器的工作環(huán)境溫度，外層采用導(dǎo)熱性差的金屬并添加耐高溫涂層。
[0031]測(cè)壓光柵光纖9由特殊粘合劑粘貼在靜壓應(yīng)變片表面，因?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的溫度可達(dá)500k，所以這種粘合劑要具有耐高溫特性。
[0032]本實(shí)施例中的光強(qiáng)反射式光纖的入射光源應(yīng)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(duì)傳感器的影響。
[0033]本發(fā)明的光強(qiáng)式與光柵式混合光纖流量傳感器工作時(shí)，當(dāng)外界靜壓力作用于靜壓彈性應(yīng)變片I時(shí)，靜壓彈性應(yīng)變片I發(fā)生形變，粘貼與I表面的測(cè)壓光柵光纖9長(zhǎng)度同時(shí)發(fā)生變化，進(jìn)而引起光柵反射的中心波長(zhǎng)發(fā)生偏移；同時(shí)總壓作用于總壓彈性應(yīng)變片2，總壓應(yīng)變片2發(fā)生形變，入射光纖5與總壓彈性應(yīng)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(qiáng)發(fā)生變化；同時(shí)，處于同一溫度場(chǎng)內(nèi)的測(cè)溫光柵光纖8可檢測(cè)到溫度發(fā)生的變化而引起光柵反射的中心波長(zhǎng)發(fā)生偏移。因此可根據(jù)9的光柵反射中心波長(zhǎng)與靜壓彈性應(yīng)變片之間的關(guān)系，并結(jié)合壓力與彈性應(yīng)變片應(yīng)變的關(guān)系，計(jì)算所測(cè)出靜壓的大??；根據(jù)光強(qiáng)變化與距離變化之間的關(guān)系，并結(jié)合壓力與彈性應(yīng)變片應(yīng)變之間的關(guān)系，計(jì)算所測(cè)總壓壓力的大小；通過(guò)測(cè)溫光柵8的光柵反射中心波長(zhǎng)的偏移量計(jì)算出所處溫度的大小，從而實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)靜壓和總壓的精確測(cè)量和溫度補(bǔ)償；通過(guò)測(cè)溫光柵10的光柵反射中心波長(zhǎng)的偏移量計(jì)算出壓氣機(jī)總溫。根據(jù)靜壓、總壓、總溫和氣體流量的關(guān)系，可以計(jì)算出所測(cè)氣體流量的大小。具體計(jì)算過(guò)程如下:
[0034]總壓彈性應(yīng)變片的受力應(yīng)變公式如下:
[0035]
【權(quán)利要求】
1.一種用于壓氣機(jī)流體多參數(shù)測(cè)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(yīng)變片(I)、圓形總壓彈性應(yīng)變片(2)、筒狀金屬封裝外殼(3)、雙圈同軸光強(qiáng)反射式光纖探頭(4)、測(cè)溫光柵光纖I (8)和測(cè)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(cè)量接口，在筒狀金屬封裝外殼(3 )與皮托管(11)連接之處設(shè)置中心帶有通孔的環(huán)形靜壓彈性應(yīng)變片(1)，在筒狀金屬封裝外殼(3)的另一端設(shè)有通孔，雙圈同軸光強(qiáng)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(guò)通孔引出發(fā)射和接收光纖；在環(huán)形靜壓彈性應(yīng)變片(I)與雙圈同軸光強(qiáng)反射式光纖探頭(4)之間設(shè)有圓形總壓彈性應(yīng)變片(2);測(cè)溫光柵光纖2 (10)設(shè)置在皮托管(11)總壓孔B的內(nèi)壁上；測(cè)溫光柵光纖I (8)設(shè)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(yīng)變片(I)是環(huán)形靜壓彈性應(yīng)變片上粘貼若干壓力測(cè)量的光柵光纖，若干壓力測(cè)量的光柵光纖(9)沿圓周均勻分布；所述雙圈同軸光強(qiáng)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(shè)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(shè)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(yīng)變片(I)、圓形總壓彈性應(yīng)變片(2)、測(cè)溫光柵光纖I (8)和測(cè)溫光柵光纖2(10)上設(shè)有信號(hào)輸出連接線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于壓氣機(jī)流體多參數(shù)測(cè)量的光纖傳感器，其特征在于:所述壓力測(cè)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(jī)流體多參數(shù)測(cè)量的光纖傳感器，其特征在于:所述雙圈同軸光強(qiáng)反射式光纖探頭(4)與圓形總壓彈性應(yīng)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(jī)流體多參數(shù)測(cè)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(jī)流體多參數(shù)測(cè)量的光纖傳感器，其特征在于:所述環(huán)形靜壓彈性應(yīng)變片(I)和圓形總壓彈性應(yīng)變片(2)選用復(fù)合硅材料。
【文檔編號(hào)】G01F1/66GK203455033SQ201320452013
【公開(kāi)日】2014年2月26日 申請(qǐng)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(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)