基于流场温度测量的测温探头及测温系统
阅读说明：本技术 基于流场温度测量的测温探头及测温系统 (Temperature measuring probe and temperature measuring system based on flow field temperature measurement ) 是由 吴锋 张雁 钱伟中 张志宏 杨彩琼 张世雅 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于流场温度测量的测温探头及测温系统,属于测温技术领域,包括导热套管、荧光温敏材料层和耐高温氧化物晶体光纤,荧光温敏材料层设于导热套管内,耐高温氧化物晶体光纤与荧光温敏材料层接触；所述导热套管的导热率大于200W/mK。本发明采用耐高温氧化物晶体光纤,抗干扰能力强,且耐高温,能够适应强电场、强磁场的航空发动机宽跨度测温环境；采用导热率高的导热套管快速响应温度场的变化,实现对流场温度变化的追踪,进而实现复杂气流场温度高频响应,满足温度畸变高温升率等航空发动机特种试验温度测量需求。(The invention discloses a temperature measuring probe and a temperature measuring system based on flow field temperature measurement, belonging to the technical field of temperature measurement and comprising a heat conduction sleeve, a fluorescent temperature-sensitive material layer and a high-temperature-resistant oxide crystal optical fiber, wherein the fluorescent temperature-sensitive material layer is arranged in the heat conduction sleeve, and the high-temperature-resistant oxide crystal optical fiber is in contact with the fluorescent temperature-sensitive material layer; the heat conductivity of the heat conduction sleeve is more than 200W/mK. The high-temperature-resistant oxide crystal optical fiber is adopted, has strong anti-interference capability and high temperature resistance, and can adapt to wide-span temperature measurement environments of aeroengines with strong electric fields and strong magnetic fields; the heat conduction sleeve with high heat conductivity is adopted to quickly respond to the change of the temperature field, so that the tracking of the temperature change of the flow field is realized, the high-frequency response of the temperature of the complex airflow field is further realized, and the temperature measurement requirements of special test temperatures of the aero-engine such as temperature distortion high temperature rise rate are met.)
技术领域
本发明涉及测温技术领域，尤其涉及基于流场温度测量的测温探头及测温系统。
背景技术
航空发动机作为现代飞机的动力之源，正不断向更高性能、更高推重比发展，这使得高性能航空发动机的工作温度越来越高。航空发动机进口总温畸变，会引起发动机性能恶化，严重会造成发动机熄火。因此温度畸变试验在发动机的研制过程中尤为重要。在温度畸变试验中，流场条件十分复杂，发动机进口温度变化十分剧烈，温升率极高。因此，准确测量发动机进口动态温度对研究发动机的性能极为重要。针对航空发动机温度畸变的复杂环境，研究人员尝试用各种测温技术来测量发动机进口温度，主要有热电偶、晶体、红外辐射测温等手段，但是目前这些测温技术都存在各种不足，结果难以令人满意。
荧光温度传感技术从20世纪80年代开始受到人们的关注，荧光型温度传感器的基本工作原理为：在一定条件下，荧光发射体的荧光强度﹑荧光寿命﹑荧光光谱波长位置的变化与所处环境温度、压力等参数相关，通过检测荧光发射体的荧光强度﹑荧光寿命与荧光光谱波长位置的变化可知荧光发射体所处环境温度压力等参数，因此各种荧光材料可应用于温度、压力等参数的传感测量。然而现有荧光温度传感器应用于航空发动机复杂流场条件时，仍然存在荧光动态测温频响低的问题，无法满足温度畸变高温升率等航空发动机特种试验温度测量需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有测温技术存在的动态测温频响低的问题，提供了一种基于流场温度测量的测温探头及测温系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于流场温度测量的测温探头，包括导热套管、荧光温敏材料层和耐高温氧化物晶体光纤，荧光温敏材料层设于导热套管内，耐高温氧化物晶体光纤与荧光温敏材料层接触；所述导热套管的导热率大于200W/mK。
在一示例中，所述导热套管为金刚石套管。
在一示例中，所述金刚石套管厚度为0.5-1mm，长度为5-10mm。
在一示例中，所述荧光温敏材料层为稀土掺杂氧化物荧光材料、过渡族离子掺杂荧光材料中任意一种。
在一示例中，所述荧光温敏材料层的厚度为0.3-0.5μm。
在一示例中，所述耐高温氧化物晶体光纤为蓝宝石、钇铝石榴石、尖晶石中任意一种。
在一示例中，所述测温探头还包括黏胶剂，用于填充耐高温氧化物晶体光纤与导热套管之间在导热套管开口处的间隙。
在一示例中，所述测温探头还包括光纤连接器，光纤连接器与耐高温氧化物晶体光纤连接。
需要进一步说明的是，上述各示例对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。
本发明还包括一种基于流场温度测量的测温系统，包括如上述任一示例所述的测温探头，测温系统还包括Y型光纤、荧光激发光源、荧光信号处理子系统，测温探头、荧光激发光源、荧光信号处理子系统分别连接至Y型光纤一端。
在一示例中，所述测温系统还包括截止滤光片，Y型光纤经所述截止滤光片与荧光信号处理子系统连接。
与现有技术相比，本发明有益效果是：
(1)在一示例中，本发明采用耐高温氧化物晶体光纤，抗干扰能力强，且耐高温，能够适应强电场、强磁场的航空发动机宽跨度测温环境；采用导热率高(大于200W/mK)的导热套管快速响应温度场的变化，实现对流场温度变化的追踪，进而实现复杂气流场温度高频响应，满足温度畸变高温升率等航空发动机特种试验温度测量需求。
(2)在一示例中，本发明采用金刚石套管，金刚石的导热效率极高，能够快速响应温度场的变化，热响应时间优于15ms，比现有热电偶，小惯性热电偶更快地跟踪流场温度变化，以此解决荧光动态测温高频响的问题。
(3)在一示例中，本发明金刚石套管、荧光温敏材料层及耐高温氧化物晶体光纤尺寸小(mm级)，能够适应不同的测温环境，适用范围广。
(4)在一示例中，本发明通过光纤连接器即可实现测温探头与外部测温系统的连接，易于携带安装，摆脱了荧光光纤传感器光纤拖带与光纤长度不够造成的不便。
(5)在一示例中，本发明测温系统包括测温探头，以此适应强电场、强磁场的航空发动机宽跨度测温环境，实现复杂气流场高精度、快速响应、多维度的温度测量。
(6)在一示例中，测温系统还包括截止滤光片，用于过滤与荧光信号中的激发光信号，保证测温系统的测温精准度，可靠性高。
附图说明
下面结合附图对本发明的
具体实施方式
作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明一示例中的测温探头示意图；
图2为本发明一示例中的测温系统示意图。
图中：导热套管1、荧光温敏材料层2、耐高温氧化物晶体光纤3、黏胶剂4、光纤连接器5、Y型光6、荧光激发光源7、截止滤光片8、荧光信号处理子系统9。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
如图1所示，基于流场温度测量的测温探头，具体包括导热套管1、荧光温敏材料层2和耐高温氧化物晶体光纤3，荧光温敏材料层2设于导热套管1内，耐高温氧化物晶体光纤3与荧光温敏材料层2接触；导热套管1的导热率大于200W/mK。具体地，导热套管1一端密封处理，另一端具有一开口，导热套管1密封端涂覆有荧光温敏材料；耐高温氧化物晶体光纤3一端与荧光温敏材料接触，另一端经导热套管1的开口延伸至外部。导热套管1材料包括但不限于金刚石材质、银材质、铜材质、金材质等导热率高的材料。本示例中，本发明采用耐高温氧化物晶体光纤3，抗干扰能力强，且耐高温，能够适应强电场、强磁场的航空发动机宽跨度(500-1100K)测温环境，工作稳定且工作寿命长；采用导热率高(大于200W/mK)的导热套管1快速响应温度场的变化，实现对流场温度变化的追踪，进而实现复杂气流场温度高频响应，满足温度畸变高温升率等航空发动机特种试验温度测量需求。
在一示例中，导热套管1为金刚石套管，金刚石的导热效率极高，能够快速响应温度场的变化，热响应时间为10-15ms，比现有热电偶，小惯性热电偶更快地跟踪流场温度变化，以此解决荧光动态测温高频响的问题。
在一示例中，金刚石套管厚度为0.8mm，长度为8mm；作为一选项，金刚石套管的内径为0.5mm～1.0mm，优选为0.8mm，满足测温探头的微尺寸设计。
在一示例中，荧光温敏材料层2为稀土掺杂氧化物荧光材料、过渡族离子掺杂荧光材料中任意一种，以在激发光作用下使荧光材料中的电子发生能级跃迁，并在能级跃迁过程中产生可见出射光，出射光能量小于激发光。作为一选项，荧光温敏材料层2以粉末、晶体、多晶任意一种形成设于导热套管1内部。
在一示例中，荧光温敏材料层2的厚度为0.4μm，满足测温探头的微尺寸设计。
在一示例中，耐高温氧化物晶体光纤3为蓝宝石(Al2O3)、钇铝石榴石(Y3Al5O12)、尖晶石(MgAl2O4)中任意一种，光学损耗低，耐高温，机械强度大。更为具体地，耐高温氧化物晶体光纤3光纤长度200mm～400mm，优选300mm；光纤直径500μm～1000μm，优选800μm；光学损耗为低于0.3dB/m。
在一示例中，如图2所示，测温探头还包括黏胶剂4，如光学环氧树脂胶层，用于填充耐高温氧化物晶体光纤3与导热套管1之间在导热套管1开口处的间隙。
在一示例中，测温探头还包括光纤连接器5，光纤连接器5与耐高温氧化物晶体光纤3连接，通过光纤连接器5即可实现测温探头与外部测温系统的连接，如实现测温探头与荧光激发光源7和/或荧光信号处理子系统9的连接，易于携带安装，摆脱了荧光光纤传感器光纤拖带与光纤长度不够造成的不便。
在一示例中，本发明还包括一种基于流场温度测量的测温系统，该测温系统包括上述任一示例所述的测温探头，还包括Y型光纤6、荧光激发光源7、荧光信号处理子系统9，测温探头、荧光激发光源7、荧光信号处理子系统9分别连接至Y型光纤6一端。作为一优选，测温探头经光纤连接器5与Y型光纤6一端连接；荧光信号处理子系统9包括顺次连接的红外光谱采集系统和嵌入式计算机系统，红外光谱采集系统用于将光信号转换为电信号并传输至嵌入式计算机系统，嵌入式计算机系统用于分析出射光的荧光强度和/或荧光强度比和/或荧光寿命。本测温系统的工作原理为，当高温气团流过测温探头，荧光激发光源7发出的激发光经Y型(石英)光纤6导入到测温探头的荧光温敏材料层2，荧光温敏材料产生的出射光经Y型光纤6导入至荧光信号处理子系统9中，通过分析出射光的荧光强度和/或荧光强度比和/或荧光寿命进而实现高频响温度测量。本发明测温系统包括测温探头，以此适应强电场、强磁场的航空发动机宽跨度测温环境，实现复杂气流场高精度、快速响应、多维度的温度测量。
在一示例中，系统还包括截止滤光片8，Y型光纤经截止滤光片8与荧光信号处理子系统9连接，用于过滤与荧光信号中的激发光信号，保证测温系统的测温精准度，可靠性高。
以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。
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