[发明专利]一种温度压力测量装置及测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感测量技术领域，特别是指一种温度压力测量装置及测试方法。

背景技术

近年来，在许多高温环境，例如，航空发动机、高超发动机、重型燃气轮机等先进能源动力系统的研发与测试平台中，都需要对环境和气体流道的温度和压力进行在线测量。因此，能够直接工作在高、低温，高振动，且可能具有氧化和腐蚀性特点的恶劣环境中的温度和压力传感器受到很高的重视。在这种应用需求下，对传感器的要求主要在于工作温度范围、响应速度、准确性及在恶劣环境中的可靠性等方面。其中，尤以工作温度范围为重心。如在发动机的测试平台中，传感器需要测量发动机气体流道各点温度和压力，其工作环境温度最高可达1800℃，同时精确对点测量和被测目标结构特点也限制了需要在这一高温环境中使用接触式测量。

接触式温度传感器，一直以来主要是使用热电偶进行测温，但是，常用热电偶，例如，S型铂铑热电偶的测温范围为0～1600℃，T型铜-康铜热电偶的测温范围在-40～350℃，且由于热电偶受制于自身材料的耐热性与耐腐蚀性能，在航空发动机等测试平台中热电偶的使用寿命短。

除了热电偶之外，还有利用黑体辐射的光纤温度传感器，例如，蓝宝石光纤温度传感器，在蓝宝石光纤的一端利用镀膜等方式制造出黑体腔，通过检测该黑体腔在目标环境中发出的热辐射强度来测定被测目标温度。但是，一方面，由于在低温区与高温区黑体辐射的强度差别很大，使得利用黑体辐射测温的光纤高温传感器在低温下几乎接收不到被测目标到的黑体辐射信号，因此，此类光纤高温传感器的温度测量下限一般为400～600℃，因此此类传感器无法实现低温到高温的全范围测量。而另一方面，热辐射是存在于一切物体上的，这也导致了使用黑体辐射测温的光纤高温传感器，在接收被测目标黑体腔的辐射信号同时，其它部分，例如，蓝宝石光纤、传输光纤等产生的辐射信号将对测量结果产生干扰。又由于，此类光纤高温传感器工作在高温、高振动且具有腐蚀性的环境中，随时可能发生黑体腔的损伤、蓝宝石光纤的损伤、污染物附着在蓝宝石光纤上形成额外的辐射源等情况，使得此类传感器在恶劣环境中的可靠性大为降低。

在压力测量方面，目前，常见的压力传感器主要为半导体压力传感器，其中尤以扩散硅压力传感器为主。但是，由于硅材料的物理、化学性质所限，硅材料在恶劣环境中的耐高温、抗辐射、抗氧化、抗腐蚀以及机械性能稳定性等方面存在诸多问题。为了解决这些问题，可以通过使用新材料、新工艺制作出高温压力传感器设计，例如，多晶硅压力传感器、硅-绝缘体(SOI)压力传感器、硅-蓝宝石(SOS)压力传感器、金刚石压力传感器和碳化硅压力传感器等。其中，以碳化硅压力传感器为例，该碳化硅压力传感器是一种用二氧化硅过渡层将碳化硅弹性膜片固定在基座上的压力传感器，能够实现在最高不超过800℃环境中进行压力测量。且上述高温压力传感器的工作温度仍无法满足在高超发动机等设备的测试平台中长时间在线测量的要求。为满足要求，使用时往往需要配备冷却系统，而这又使本就体积较大的压力传感器及其后续线路所占空间变得更大，增加了其在测试平台中的安装难度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种温度压力测量装置及测试方法，以解决现有技术所存在的热电偶温度传感器无法测量超高温、辐射式光纤温度传感器无法实现从极低温度到超高温度的大范围连续测量且测量结果可靠性低、压力传感器体积大工作温度低的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种温度压力测量装置，包括：激光光源模块、拉曼光纤探头、拉曼信号处理模块、控制模块；其中，所述拉曼光纤探头包括：光纤本体及在该光纤本体的末端端面上镀有的拉曼活性材料薄膜；

所述激光光源模块，用于产生激光，并将产生的激光耦合进所述拉曼光纤探头；

所述拉曼光纤探头，用于接收所述激光光源模块产生的所述激光，其中，所述激光入射到所述光纤本体末端的拉曼活性材料薄膜上激发所述拉曼活性材料的拉曼散射信号产生散射光；

所述拉曼信号处理模块，用于对所述散射光进行处理，得到拉曼光谱；

所述控制模块，用于对所述拉曼光谱进行分析，得到镀在所述光纤本体末端端面上的所述拉曼活性材料的温度和压力信息。

进一步地，所述激光光源模块包括：产生激光的激光器、耦合器及传输光纤；

其中，产生的所述激光依次通过所述耦合器、传输光纤进入所述拉曼光纤探头。

进一步地，所述光纤本体的末端为锥形末端，所述光纤本体的开端与所述激光光源模块的传输光纤耦合。

进一步地，所述拉曼信号处理模块包括：滤光器、光谱仪及探测器；