[发明专利]用于压气机流体多参数测量的光纤传感器及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及发动机气体流量测量的光纤传感器技术领域，具体为一种用于压气机流体多参数测量的光强式与光栅式混合光纤传感器及测量方法。

背景技术

光纤传感技术起于上世纪七十年代，九十年代进入我国。目前国内有多家研究机构开始利用此项技术进行产品的研发与制作。对于航空、航天等特殊环境下需要利用到的气体流量传感器，其特点是既有较高的动态响应和较好的静态测量的线性度，也要有防电磁干扰及较好耐高温特性。

压气机是航空发动机的核心部件之一，其工作状态对整个发动机的正常运行有着重要作用。而高压比的压气机既是军用航空发动机的发展趋势所需，又是航空发动机中易发生故障的部件，并且一般情况下，压比越高，越容易发生喘振。如果压气机不能正常工作以至于发生喘振，将可能导致叶片断裂、结构损坏、燃烧室超温和发动机熄火等严重故障，因此对其进行实时监控是必要的。而在众多参数的监控中，流量的测量又是其中的重点和难点。光纤流量传感器相比于常规压力传感器，其对应变、温度、位移等有更高的灵敏度，同时又具有体积小、重量轻、抗腐蚀、抗电磁干扰等优点。因此应用光纤传感器对压气机气体流量进行测量，为压气机气体流量可靠精确测量提供了一种解决方式。此外，在高精度测量的同时解决温度补偿问题也是光纤流量传感器实用化中的关键问题。

浙江省计量科学研究院的程佳等人发明了一种多截面分布式光纤光栅热式流量传感器（中国专利102564504，2012年07月11日），这种传感器管壁内有3个光栅光纤传感器，对称布置成“川”字形，并且3根光纤位于同一径向平面上。这种传感器通过光栅光线测量流体不同部分的温度，得出流体的流量。因此这种流量传感器响应速度非常慢；被测量气体组分变化较大的场所，因cp值和热导率变化，测量值会有较大变化而产生误差；由于光纤机械强度差，对于流速较快的压气机出口，由于压气机口径较大，光纤可能会发生断裂。因此进一步研究一种用于压气机出口的响应灵敏、测量精确的光线流量传感器，可以作为压气机传感器系统的一个重要部分。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种用于压气机流体多参数测量的光强式与光栅式混合光纤传感器及测量方法。

技术方案

一种用于压气机流体多参数测量的光强式与光栅式混合光纤传感器，包括皮托管11；其特征在于：包括环形静压弹性应变片1、圆形总压弹性应变片2、筒状金属封装外壳3、双圈同轴光强反射式光纤探头4、测温光栅光纤8和测温光栅光纤10；筒状金属封装外壳3连接于皮托管11的测量接口，在筒状金属封装外壳3与皮托管11连接之处设置中心带有通孔的环形静压弹性应变片1，在筒状金属封装外壳3的另一端设有通孔，双圈同轴光强反射式光纤探头4置于筒状金属封装外壳3的真空腔内，并通过通孔引出发射和接收光纤；在环形静压弹性应变片1与双圈同轴光强反射式光纤探头4之间设有圆形总压弹性应变片2；测温光栅光纤10设置在皮托管11总压孔B的内壁上；测温光栅光纤8设置在筒状金属封装外壳3的真空腔的内壁上；所述环形静压弹性应变片1是环形静压弹性应变片上粘贴若干压力测量的光栅光纤，若干压力测量的光栅光纤9沿圆周均匀分布；所述双圈同轴光强反射式光纤探头4上的发射和接收光纤的排布为：光纤的中心为一根发射光纤，发射光纤的外围设有六根接收光纤形成第一组接收光纤6，第一组接收光纤6的外围设有十二根接收光纤形成第二组接收光纤7；所述环形静压弹性应变片1、圆形总压弹性应变片2、测温光栅光纤8和测温光栅光纤10上设有信号输出连接线。

所述测压力光栅光纤9为布拉格光栅光纤。

所述双圈同轴光强反射式光纤探头4与圆形总压弹性应变片2的距离为0.25mm～2.5mm。

所述筒状金属封装外壳3的外侧涂覆耐高温涂层。

所述环形静压弹性应变片1和圆形总压弹性应变片2选用复合硅材料。

一种利用所述传感器进行压气机气体流量的测试方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：通过接收光纤接收到的光进行光电转换并采集，得到两组接收光的光强比值M(z)：