[发明专利]一种基于光谱仪组件的非接触式发动机羽焰监测装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光谱仪组件的非接触式发动机羽焰监测装置，属于光学检测领域。

背景技术

液体火箭发动机高温、高压、强腐蚀、高密度的能量释放的工作条件使其成为整个航天器系统的故障多发部位，因此发动机健康监控技术对于提高发动机和飞行器的安全性、可靠性以及经济性等，有着重要的意义。

目前火箭发动机健康监测技术多采用温度、压力传感器等接触式监测技术。这类技术主要存在两方面的不足：(1)监测传感器会在一定程度上介入发动机的正常运行，从而增加发动机故障发生的几率；(2)不同的传感器设备只能监测发动机系统中局部模块的工况，监控人员缺乏对发动机整体工况的直观感知，直接影响到其对发动机故障判断的及时性和准确性。

光谱技术作为一种先进而有效的检测手段可以克服上述缺陷，同时液体火箭发动机的部件在发生磨损、烧蚀等故障时，根据原子辐射理论，不同金属元素会激发出不同的特征谱线，因此磨损烧蚀的金属成分会产生辐射特征谱，表现在羽焰光谱中。通过对羽焰光谱进行采集分析，检测谱线分布及谱线强度来研究羽焰中金属元素的存在情况，进而判断发动机的磨损情况。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于光谱仪组件的非接触式发动机羽焰监测装置，能够在不影响发动机正常工作的情况下，对发动机的羽焰进行监测，进而判断发动机的健康状态。

该装置主要包括前置光学系统、光谱仪组件、支架、路由器、计算机、光纤束、USB数据总线和高速USB2转网络模块。前置光学系统安装在支架上，前置光学系统与光谱仪组件间通过光纤束连接，光谱仪组件通过USB数据总线与高速USB2转网络模块连接，再采用网线依次连接高速USB2转网络模块、路由器和计算机。

前置光学系统包括采集光路和瞄准光路。采集光路包括镜头盖、消光筒、测量筒，透镜、调节筒、光纤座及光纤探头。镜头盖右端通过消光筒与测量筒左端连接，透镜固定于测量筒左端。其中镜头盖用于保护透镜，消光筒用于防止眩光，透镜用于汇聚发动机羽焰中马赫盘的辐射。调节筒安装在测量筒右端，调节筒右端与光纤座连接。光纤座中心有光纤探头凹槽，用于固定光纤探头，所述光纤头固定在光纤束的端部。调节筒用于调整光纤探头与透镜之间的距离，使进入光纤束的能量尽量多。

瞄准光路采用内置分划板和背景灯的瞄准镜标准件。瞄准光路通过瞄准镜固定架与采集光路测量筒外圆周的顶部连接。通过调节瞄准镜上的螺钉可改变其左右及俯仰角度。瞄准光路的主要作用是使采集光路可远距离对准羽焰温度较高、金属激发光谱较强的马赫盘部分，使得羽焰马赫盘准确成像在光纤探头上，即保证采集系统能够有效的采集到金属光谱。

前置光学系统测量筒外圆周的底部固定于快接板上，再通过转接板固定在支架上，转动支架调节杆可调整前置光学系统左右及俯仰角度。

光谱仪组件采用三通道光纤光谱仪，三路通道相互独立。前置光学系统与光谱仪组件间采用一分三的光纤束连接，为适应现场恶劣环境，光纤束采用铠甲封装。

光谱仪组件的三路通道均定在光谱仪组件的仪器箱中。每路通道均包括光纤连接器、球面准直镜、分光光栅、聚焦镜及CCD探测器。经光纤束分出的三根光纤分别与三路通道的光纤连接器连接。每路通道的光路信号为：所述光纤与光纤连接器连接，前置光学系统采集到的信号光通过光纤由光纤连接器进入光谱仪组件，信号光先经过球面准直镜成为准直光，再由分光光栅把该准直光色散，经聚焦镜聚焦，最后将聚焦后的光谱投射到CCD探测器上。

本发明的工作原理为：前置光学系统采集发动机尾焰发出的复合辐射，由光纤传入光谱仪组件，在光谱仪组件内复合辐射先经过球面准直镜成为准直光，再通过分光光栅分解为单色辐射，单色辐射由CCD探测器将模拟信号转换为数字信号，该数字信号通过高速USB2转网络模块由网线端口输出，再经路由器传入计算机。所述数字信号即为羽焰光谱，通过比较该光谱与目标元素理论光谱来判断发动机羽焰中的金属的存在情况，进而判断发动机的磨损情况。

有益效果：

本发明通过对羽焰光谱进行采集分析，提取特征谱，来研究发动机羽焰中金属元素的存在情况，进而判断发动机的磨损情况；同时结合发动机的工况和羽焰光谱强度之间的变化规律，能够快速判断火箭发动机的工作状态，为发动机的故障检测提供有效的依据。

本发明可以在不触任何火箭发动机部件的前提下监测其健康状态，对于其整体健康状态有直观显示，整个部件集成度高，工作稳定。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为前置光学系统的结构示意图；