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航空发动机用高温光纤传感探头研制技术
航空发动机用高温光纤传感探头研制技术
?
32?光纤光缆传输技术2006上
航空发动机用高温光纤传感探头研制技术
张承(中国电子科技集团公司第八研究所淮南232001)
[摘要]介绍了一种实用化的航空发动机用高温光纤传感探头研制技术.从理论上对光纤
传感探头的结构进行了分析,并结合实际经验,成功地研制出航空发动机用光纤传感探头.该探头
实现了在航空发动机内部高温,高灰尘环境中长时间稳定工作,在航空发动机上实现了整级叶片振
幅及平衡位置变化等振动参数的在线实时测量.
[关键词]高温;光纤探头;振动;数值孔径;频率响应
1引言
航空发动机转子叶片振动是发动机研制和应用
中倍受重视的问题.它不仅关系到发动机的工作寿
命,严重时叶片折断造成零部件损坏还会酿成机毁人
亡的惨重事故.为此,在线监测叶片振动,预报事故
发生,对保证飞行安全具有重要意义.目前,国内外
测量发动机转子叶片振动参数的一种较先进的方法
是采用光纤振动传感器进行叶片振动的非接触式测
量.
2现有光纤传感探头结构的对比分析
国内专家,学者提出了多种振动测量用光纤传感
探头的结构设计方案,但是这些方案有很多缺陷,不
能够实际应用于航空发动机叶片的振动测量.
图1所示的光纤探头是在弹片受迫振动基础上
利用光学三角反射测量技术制成的.其中,A是被测
振动体;B为一弹片,它的一端固定在传感头壳体上,
另一端作自由振动;Fl为入射光纤;I卅为准直用自聚
焦透镜;F2为接收光纤;L2为耦合用自聚焦透镜.在
这种光纤探头中,自聚焦透镜是核心光学元件.其最
高工作温度为200℃.航空发动机压气机的叶片工
半导体激光器H光隔离器
PIN探测器
FC型连接器探头
作温度一般都在300℃以上,在温度环境性能方面这
种探头已经不适用于航空发动机叶片的振动测量.
这种探头的工作范围仅为0.8mm.频率响应在几百
赫兹以内.其性能上存在缺陷.
图1基于双自聚焦透镜及弹片的光纤探头
图2所示结构中采用微透镜对光束进行聚焦,聚
焦后的光束可以投射到距离较远的振动叶片上.从叶
片反射回的光通过透镜可以更有效地被接收光纤所
接收.此种结构在清洁的环境中使用效果较好.航
空发动机中的航空燃料在燃烧时会产生大量的烟尘.
烟尘覆盖在透镜表面会造成出射光纤的光在灰尘覆
光纤束微透镜
图2微透镜光纤传感探头
第3期航空发动机用高温光纤传感探头研制技术?33?
盖面被反射回接收光纤内,造成干扰信号进入探测
器,导致探头无法正常工作.
图3所示结构由带有自聚焦透镜的光纤作为探
头,反射回的光通过3dB耦合器进入光电探测器.
首先,自聚焦透镜不能够在300℃的高温环境中长时
间工作;其次,该方案忽视了自聚焦透镜对角度偏差
的敏感性.试验证明,该方案在激光器的出纤功率为
10dBm时,接收光纤所能达到的光功率只有一40
dBm,在实验室中进行光纤振动的非接触测量验证试
验还是可行的,但几乎无实际工作意义.
PC型连接器自聚焦透镜
叶轮机转子
光纤
图3自聚焦透镜带3dB耦合器光纤探头
3高温光纤传感探头的工作原理
航空发动机叶片振动测量用光纤传感探头的核
心器件是光纤.由于光纤接收的光强信号与光纤参
量,反射面特性以及两者之间的距离等参数密切相
关,因而在其它条件不变的情况下,光纤间距,光纤芯
径,光纤数值孔径等光纤参量直接影响光纤探头的光
调制特性.
图4是由两根光纤组成的光纤对结构图以及从
光纤中出射的光信号能量的投影图.
在如图5所示的光纤对光强度调制特性分析图
中,假设发射光纤和接收光纤的纤芯半径分别为r】
和r2,光纤包层之间的距离为Pn,两光纤间的轴间距
为P,光纤端面到反射面的距离为d,物体表面的反射
M=
0
p
p
丝
o(r2/q)
通过仿真试验可知,光纤的几个特征量(P,rl,r2
和8)对光纤对光强度调制特性的影响起主要作用,
其单参量的影响规律如表1所述.
根据上述指导原则,光纤探头结构的选择结论
S
图4光纤对结构图及光信号能量投影图
:
X
d0d.d
图5光纤对光强度调制特性分析图?
率为p,光纤的数值孔径为0N.接收光纤所接收到的
光通量等于将它置于反射面镜像对称处直接接收到
的光通量乘以反射面系数.
为了便于研究光纤参量变化对调制特性的影响
规律,根据近似高斯分布原理,只需求出接收光面积
与发送光纤投射面积之比,再乘以反射面的反射率,
即可求得能量的变化.
如图5所示,可以导出单光纤对光纤强度调制系
数的计算公式:
(d≤(P—rl—r2)/2tan0N)
clt;d≤
clt;d≤
(dgt;)
为:
1)光纤对的I~-J距P应尽量/1,.
我们采用七根光纤两两相切的结构.该结构可
以最大限度地接收发射光纤的反射光信号.通过大
O
,
,一
一
一
一
,
,
,
?
34?光纤光缆传
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