[发明专利]基于激光光学试纸的高频响测温方法

说明书

本发明涉及一种基于激光光学试纸的高频响测温方法，属于航空发动机试验测试领域。本发明的目的是为了解决目前航空发动机试验温度测试技术存在测量频响低，灵活性较差等问题，提供一种基于激光光学试纸的高频响测温方法。该方法通过将一种具有覆盖223～700K测温范围的高分辨力温敏粒子制备到具有一定二维尺寸的基底材料上，在激光器发射的具有额定参数的激光作用下，整个附着有温敏粒子的基底区域会发射出随温度变化而快速变化的荧光，通过分析该荧光信号测得流场温度，从而实现发动机进气流场温度快速响应、多维度测量的目的。

技术领域

本发明涉及一种基于激光光学试纸的高频响测温方法，属于航空发动机试验测试领域。

背景技术

温度是航空发动机试验测试的核心参数之一，目前主要采用热电偶或热电阻等接触式传感器对发动机进气温度进行测量，这类方法主要存在以下不足：1)温度响应速度慢，普遍高于100ms，因此无法满足温度畸变、高温升率等发动机特种试验测试需求；2)单点式测量，数据量有限，不能反映温度的二维及多维分布。

除了接触式方法外还有利用光学方法开展发动机温度测量的案例，比如滤波瑞利散射法，红外法，示温漆等，但这类光学方法普遍存在以下不足：1)设备集成度高，各模块间耦合性强，成本昂贵；此外由于发动机试验过程存在振动、噪声、扰流等诸多干扰因素，不满足这类光学设备许用条件；2)实时性较差，往往需要经过后处理才能获得测试结果；3)航空发动机试验温度变化覆盖负温至高温区，而现有部分光学测试方法需要替换不同的感温元件对其进行分段测量，因此只能测量某一较窄温度区间；此外，某些方法仅能感受温度单向变化；这导致测试方法灵活性、适用性存在局限。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前航空发动机试验温度测试技术存在测量频响低，灵活性较差等问题，提供一种基于激光光学试纸的高频响测温方法。该方法通过将一种具有覆盖223～700K测温范围的温敏粒子制备到具有一定二维尺寸的基底材料上，在激光器发射的具有额定参数的激光作用下，整个附着有温敏粒子的基底区域会发射出随温度变化而快速变化的荧光，通过分析该荧光信号测得流场温度，从而实现发动机试验进气流场温度快速响应、多维度测量的目的。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

基于激光光学试纸的高频响测温方法，首先通过理化反应制备出一种可以感受223～700K的温度敏感材料，这种材料的温度响应时间优于20ms因此可以迅速响应流场温度变化；然后，利用微加工技术将温敏材料粒子加工成微小的探针头部或者贴片试纸的形式；接着，在具有额定参数的激光作用下，温敏粒子区域将会发射与流场环境温度相关的荧光，通过对荧光信号的检测与分析得到流场温度。

利用微纳工艺技术将温敏粒子制备到基底上，制备工艺要求温敏粒子覆盖均匀；在基底中埋入热电偶丝以监测基底的温度，可用于后续温度修正。

温敏材料制备到基底上可采用两种方式，一是将温敏材料制作成液态形式，并与专用光学胶混合，将混合液粘涂在基底上；另一种方式则是通过物理化学方法，将温敏粒子制作成光学薄膜的形式，薄膜厚度在微米量级保证其热惯性低即具有快速换热特性，然后通过物理沉积方法将光学薄膜制备到基底上。在将温敏材料制作为胶状液态或薄膜形式过程要保证温敏材料密度分布均匀，不得出现温敏材料团积的情况。总之，无论是涂抹的方式还是物理化学沉积方式，其制备过程都应该保证温敏材料均匀地附着在基底表面，且厚度控制在微米以内。

工作过程：这里以光学试纸测量航空发动机试验进气流场中心流温度为例说明本发明工作过程。首先，根据温敏材料的特性选择合适的激励光源，保证光源参数符合温敏材料特性；接着，通过由柔性光纤或导光臂组成的光源光路将激励光源引入位于流量管中心流的光学试纸测量面上方一定距离；光源光路的另一端配备有扩束棱镜，它可以将光源光路的线光源扩束成面光源，此时通过观察窗确认面光源是否能覆盖光学试纸有效测温区域范围，若不能完全覆盖则调节光纤/导光臂与光学试纸的距离。