基于自聚焦透镜的光纤束式叶尖定时传感器
阅读：1发布：2023-05-17
专利汇可以提供基于自聚焦透镜的光纤束式叶尖定时传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 属于 传感器 领域，为有效减小光斑的直径，提高光纤式叶尖定时传感器的定时分辨 力 。为此，本发明采取的技术方案是，基于自聚焦透镜的光纤束式叶尖定时传感器，多根多模光纤紧密围绕一根单模光纤组成光纤束，光纤束前端装配自聚焦透镜，单模光纤通过环形器连接 激光器 和光电接收器、多模光纤仅连接光电接收器，激光器发出的激光经过单模光纤、自聚焦透镜投射到 叶片 端面，叶片端面反射激光通过自聚焦透镜，再分别经过单模、多模光纤投射到光电接收器。本发明主要应用于光纤传感器的设计制造场合。，下面是基于自聚焦透镜的光纤束式叶尖定时传感器专利的具体信息内容。
1.一种基于自聚焦透镜的光纤束式叶尖定时传感器，其特征是，多根多模光纤紧密围绕一根单模光纤组成光纤束，光纤束前端装配自聚焦透镜，单模光纤通过环形器连接激光器和光电接收器、多模光纤仅连接光电接收器，激光器发出的激光经过单模光纤、自聚焦透镜投射到叶片端面，叶片端面反射激光通过自聚焦透镜，再分别经过单模、多模光纤投射到光电接收器。
2.如权利要求1所述的基于自聚焦透镜的光纤束式叶尖定时传感器，其特征是，激光器通过发射端耦合器输出激光，发射端耦合器内含一根用于发射光信号的单模发射光纤，该光纤位于抗拉抗压发射电缆的内部；
光电接收器通过接收端耦合器接收激光信号，接收端耦合器内含一根单模接收光纤和六根多模接收光纤用于传输叶片反射光信号，该光纤位于抗拉抗压接收电缆的内部；
光纤收发电缆内含一根用于同时发射光信号和传输叶片反射光信号的单模收发光纤和六根用于传输叶片反射光信号的多模接收光纤，外面由光纤收发电缆包裹；
其中，一根单模收发光纤和六根多模接收光纤同时接收叶片端面的反射光信号；
其中，还设置有插芯套管，光纤收发电缆内的一根单模收发光纤和六根多模接收光纤插入到插芯套管内部，插芯套管的前端装配自聚焦透镜，单模收发光纤发出的光经过自聚焦透镜聚焦后能够有效地减小照射到叶片端面的光斑直径。
3.如权利要求2所述的基于自聚焦透镜的光纤束式叶尖定时传感器，其特征是，插芯套管内的无芯光纤的长度即单模收发光纤到自聚焦透镜端面的距离为L1，自聚焦透镜的长度为Z，自聚焦透镜端面到叶片端面的距离为L2，自聚焦透镜的渐变系数为α，自聚焦透镜的沿轴折射率为n1，自聚焦透镜的物方顶焦距为LF，自聚焦透镜的像方顶焦距为L'F，则插芯套管内无芯光纤的长度L1的确定方法为：物方顶焦距与像方顶焦距的表达式
根据实际工况环境下，自聚焦透镜像方端面即实际的传感器端面到叶片端面的距离L2，控制切割自聚焦透镜的长度Z，使得L1＝-LF＝L'F＝L2，此时照射到叶片端面14的光斑直径最小。
4.如权利要求1所述的基于自聚焦透镜的光纤束式叶尖定时传感器，其特征是，单模发射光纤、单模接收光纤和单模收发光纤分别与环形器的三个端口对应相连，使得单模发射光纤发射的光信号仅能被单模收发光纤接收，单模收发光纤传输的叶片反射光信号仅能被单模接收光纤接收。
基于自聚焦透镜的光纤束式叶尖定时传感器
技术领域
背景技术
[0002] 航空发动机、燃气轮机、烟气轮机和汽轮机等大型旋转机械的叶片作为核心做功元件，其状态参数尤其是振动参数的在线监测对保证发动机运行质量、保障重大设备运行安全至关重要。特别是自现代航空发动机研发以来，高性能要求、高优化结构的转子叶片处于更复杂的流场环境中，叶片与绕流的流固耦合作用会产生包括低阶弯振、高阶振动和弯扭复合振动等多种形式的耦合振动，颤振、裂纹等失效形式的发生直接体现在叶片高阶振动幅度的微小变化上，而叶片高阶振动模态的振动幅值仅有几十微米，振动位移的测量精度必须优于10μm才能实现微小振幅的准确测量。
[0003] 叶尖定时测量技术是非接触叶片振动测量的标配技术，其中光纤式叶尖定时传感器具有响应速度快、测量精度高等优点，是非接触叶片测振传感器的首选。传统光纤式叶尖定时传感器采用六根多模接收光纤紧密围绕一根多模发射光纤的结构，发射光纤与接收光纤相互独立，可获得很高信噪比，但发射光纤发散角较大，光斑直径较大。航空发动机压气机动叶片的旋转线速度可达700m/s，振动位移测量精度10μm时，叶尖定时测量系统的定时分辨力要求达到3ns，光斑直径需要小于63μm，而传统的光纤式叶尖定时传感器，发射光纤的数值孔径为0.22时，最小的叶尖间隙0.5mm处光斑直径仍为220μm，难以满足现代航空发动机的需求。
发明内容
[0004] 为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种高定时分辨力基于自聚焦透镜的光纤束式叶尖定时传感器，有效减小光斑的直径，提高光纤式叶尖定时传感器的定时分辨力。为此，本发明采取的技术方案是，基于自聚焦透镜的光纤束式叶尖定时传感器，多根多模光纤紧密围绕一根单模光纤组成光纤束，光纤束前端装配自聚焦透镜，单模光纤通过环形器连接激光器和光电接收器、多模光纤仅连接光电接收器，激光器发出的激光经过单模光纤、自聚焦透镜投射到叶片端面，叶片端面反射激光通过自聚焦透镜，再分别经过单模、多模光纤投射到光电接收器，
[0006] 光电接收器通过接收端耦合器接收激光信号，接收端耦合器内含一根单模接收光纤和六根多模接收光纤用于传输叶片反射光信号，该光纤位于抗拉抗压接收电缆的内部；
[0007] 光纤收发电缆内含一根用于同时发射光信号和传输叶片反射光信号的单模收发光纤和六根用于传输叶片反射光信号的多模接收光纤，外面由光纤收发电缆包裹；
[0008] 其中，一根单模收发光纤和六根多模接收光纤同时接收叶片端面的反射光信号；
[0009] 其中，还设置有插芯套管，光纤收发电缆内的一根单模收发光纤和六根多模接收光纤插入到插芯套管内部，插芯套管的前端装配自聚焦透镜，单模收发光纤发出的光经过自聚焦透镜聚焦后能够有效地减小照射到叶片端面的光斑直径；
[0010] 插芯套管内的无芯光纤的长度即单模收发光纤到自聚焦透镜端面的距离为L1，自聚焦透镜的长度为Z，自聚焦透镜端面到叶片端面的距离为L2，自聚焦透镜的渐变系数为α，自聚焦透镜的沿轴折射率为n1，自聚焦透镜的物方顶焦距为LF，自聚焦透镜的像方顶焦距为L′F，则插芯套管内无芯光纤的长度L1的确定方法为：物方顶焦距与像方顶焦距的表达式根据实际工况环境下，自聚焦透镜像方端面即实际的传感器端面到叶片端面的距离L2，控制切割自聚焦透镜的长度Z，使得L1＝-LF＝L′F＝L2，此时照射到叶片端面14的光斑直径最小。
[0011] 单模发射光纤、单模接收光纤和单模收发光纤分别与环形器的三个端口对应相连，使得单模发射光纤发射的光信号仅能被单模收发光纤接收，单模收发光纤传输的叶片反射光信号仅能被单模接收光纤接收。
[0012] 本发明的特点及有益效果是：
[0013] 克服现有的光纤式叶尖定时传感器光斑直径较大，定时分辨力不高，定时精度较差，不能满足现代航空发动机压气机动叶片旋转线速度700m/s、振动位移测量精度10μm对定时分辨力3ns要求的缺点。设计一种基于自聚焦透镜的光纤束叶尖定时传感器，利用六根多模光纤紧密围绕一根单模光纤组成光纤束、光纤束前端装配自聚焦透镜、并且单模光纤通过环形器连接激光器和光电接收器、多模光纤仅连接光电接收器的结构，在减小光斑直径的同时，有效提高回光信号的强度，提高光纤式叶尖定时传感器的定时分辨力。附图说明：
[0014] 图1示出本发明的基于自聚焦透镜的光纤束式叶尖定时传感器示意图。
[0015] 图2示出本发明的插芯套管11内的光纤与自聚焦透镜13及叶片端面14的相对位置关系示意图。
[0016] 图1中：1为发射端耦合器，2为接收端耦合器，3为抗拉抗压发射电缆，4为抗拉抗压接收电缆，5为单模发射光纤，6为多模接收光纤，7为环形器，8为单模收发光纤，9为单模接收光纤，10为光纤收发电缆，11为插芯套管，12为无芯光纤，13为自聚焦透镜，14为叶片端面。
具体实施方式
[0017] 本发明提出的传感器采用六根多模光纤紧密围绕一根单模光纤组成光纤束、光纤束前端装配自聚焦透镜、并且单模光纤通过环形器连接激光器和光电接收器、多模光纤仅连接光电接收器的结构；该发明在减小光斑直径的同时，可有效提高回光信号的强度，有利于提高光纤式叶尖定时传感器的定时分辨力。
[0018] 为克服现有技术的前述不足，本发明设计一种高定时分辨力基于自聚焦透镜的光纤束式叶尖定时传感器，主要解决的技术问题是：
[0019] 克服现有的光纤式叶尖定时传感器定时分辨力不高，定时精度较差，不能满足现代航空发动机压气机动叶片旋转线速度700m/s、振动位移测量精度10μm对定时分辨力3ns要求的缺点。设计一种基于自聚焦透镜的光纤束式叶尖定时传感器，利用六根多模光纤紧密围绕一根单模光纤组成光纤束、光纤束前端装配自聚焦透镜、并且单模光纤通过环形器连接激光器和光电接收器、多模光纤仅连接光电接收器的结构，在减小光斑直径的同时，有效提高回光信号的强度，提高光纤式叶尖定时传感器的定时分辨力。
[0020] 为达到上述目标，本发明采取的技术方案是，设计一种基于自聚焦透镜的光纤束式叶尖定时传感器，如图1所示，包括：发射端耦合器1、接收端耦合器2、抗拉抗压发射电缆3、抗压抗拉接收电缆4、单模发射光纤5、多模接收光纤6、环形器7、单模收发光纤8、单模接收光纤9、光纤收发电缆10、插芯套管11、无芯光纤12、自聚焦透镜13、叶片端面14；
[0021] 进一步，本发明中，发射端耦合器1内含一根用于发射光信号的单模发射光纤5，该光纤位于抗拉抗压发射电缆3的内部，以保证光纤不受踩压、拉拽等影响，提高可靠性；
[0022] 进一步，本发明中，接收端耦合器2内含一根单模接收光纤9和六根多模接收光纤6用于传输叶片反射光信号，该光纤位于抗拉抗压接收电缆4的内部，以保证光纤不受踩压、拉拽等影响，提高可靠性；
[0023] 进一步，本发明中，光纤收发电缆10内含一根用于同时发射光信号和传输叶片反射光信号的单模收发光纤8和六根用于传输叶片反射光信号的多模接收光纤6，外面由抗拉抗压电缆包裹，以保证光纤不受踩压、拉拽等影响，提高可靠性；本发明采用一根单模收发光纤8和六根多模接收光纤6同时接收叶片端面14的反射光信号，可弥补单根单模光纤接收光信号的入射角度范围很小、接收光功率不高的缺点，提高接收信号的信噪比；
[0024] 进一步，本发明中，光纤收发电缆10内的一根单模收发光纤8和六根多模接收光纤6插入到插芯套管11内部，插芯套管11的前端装配自聚焦透镜13，单模收发光纤8发出的光经过自聚焦透镜13聚焦后能够有效地减小照射到叶片端面14的光斑直径；
[0025] 进一步，本发明中，如图2所示，设插芯套管11内的无芯光纤12的长度(即单模收发光纤8到自聚焦透镜端面的距离)为L1，自聚焦透镜13的长度为Z，自聚焦透镜端面到叶片端面14的距离为L2，自聚焦透镜13的渐变系数为α，自聚焦透镜13的沿轴折射率为n1，自聚焦透镜13的物方顶焦距为LF，自聚焦透镜13的像方顶焦距为L′F，则插芯套管11内无芯光纤12的长度L1的确定方法为：物方顶焦距与像方顶焦距的表达式 根据实际工况环境下，自聚焦透镜像方端面(即实际的传感器端面)到叶片端面14的距离L2，控制切割自聚焦透镜的长度Z，使得L1＝-LF＝L′F＝L2，此时照射到叶片端面14的光斑直径最小；
[0026] 进一步，本发明中，单模发射光纤5、单模接收光纤9和单模收发光纤8分别与环形器7的三个端口相连接，使得单模发射光纤5发射的光信号仅能被单模收发光纤8以较小插入损耗接收，而与单模接收光纤9之间存在较大隔离度，单模收发光纤8传输的叶片反射光信号仅能被单模接收光纤9以较小插入损耗接收，而与单模发射光纤5之间存在较大隔离度；
[0027] 进一步，本发明中，发射端耦合器1可采用ST接头、FC接头等常用的光纤耦合器，接收端耦合器2可采用ST接头、FC接头等常用的光纤耦合器；
[0028] 进一步，本发明中，抗拉抗压发射电缆3、抗拉抗压接收电缆4、光纤收发电缆10可选择不锈钢软管、金属软管、包塑铠装管、塑料保护管等；抗拉抗压发射电缆3的内径大于单模发射光纤5的外径，抗压抗拉接收电缆4和光纤收发电缆10的内径大于各自内部所有光纤合理排列后外切圆的外径，长度应满足实际使用要求。
[0029] 进一步，本发明中单模发射光纤5、多模接收光纤6、单模收发光纤8和单模接收光纤9，均可采用包层较薄的光纤结构，使光纤收发电缆10中单模收发光纤8和多模接收光纤6的距离更近，传感器的接收信号信噪比更高；无芯光纤12的内径大于内部六根多模接收光纤6和一根单模收发光纤8合理排列后外切圆的外径。
[0030] 为克服现有技术的前述不足，本发明设计一种高定时分辨力基于自聚焦透镜的光纤束式叶尖定时传感器，主要解决的技术问题是：
[0031] 克服现有的光纤式叶尖定时传感器定时分辨力不高，定时精度较差，不能满足现代航空发动机压气机动叶片旋转线速度700m/s、振动位移测量精度10μm对定时分辨力3ns要求的缺点。设计一种基于自聚焦透镜的光纤束式叶尖定时传感器，利用六根多模光纤紧密围绕一根单模光纤组成光纤束、光纤束前端装配自聚焦透镜、并且单模收发光纤通过环形器连接激光器和光电接收器、多模接收光纤仅连接光电接收器的结构，在减小光斑直径的同时，有效提高回光信号的强度，提高光纤式叶尖定时传感器的定时分辨力。
[0032] 本发明是这样实现的：
[0033] 本发明设计一种基于自聚焦透镜的光纤束式叶尖定时传感器，如图1所示，包括：发射端耦合器1、接收端耦合器2、抗拉抗压发射电缆3、抗压抗拉接收电缆4、单模发射光纤
5、多模接收光纤6、环形器7、单模收发光纤8、单模接收光纤9、光纤收发电缆10、插芯套管
11、无芯光纤12、自聚焦透镜13、叶片端面14。利用单模光纤和自聚焦透镜束腰半径小、数值孔径小的优点，与传统光纤式叶尖定时传感器对比，减小照射到叶片端面的光斑直径，进而提高传感器的定时分辨力。
5、多模接收光纤6、环形器7、单模收发光纤8、单模接收光纤9、光纤收发电缆10、插芯套管
11、无芯光纤12、自聚焦透镜13、叶片端面14。利用单模光纤和自聚焦透镜束腰半径小、数值孔径小的优点，与传统光纤式叶尖定时传感器对比，减小照射到叶片端面的光斑直径，进而提高传感器的定时分辨力。
[0034] 下面结合附图和实施例对发明做进一步说明。
[0035] 进一步，本发明中，发射端耦合器1可采用ST接头。发射端耦合器1内含一根用于发射光信号的单模发射光纤5，该光纤位于抗拉抗压发射电缆3的内部，以保证光纤不受踩压、拉拽等影响，提高可靠性；该发射光信号的单模发射光纤5的外径参数可选择为(芯径/包层/涂覆层，μm)9/125/150，数值孔径NA为0.11；
[0036] 进一步，本发明中，接收端耦合器2可采用ST接头。接收端耦合器2内含一根单模接收光纤9和六根多模接收光纤6用于传输叶片反射光信号，该光纤位于抗拉抗压接收电缆4的内部，以保证光纤不受踩压、拉拽等影响，提高可靠性；该传输叶片反射光信号的单模接收光纤9外径参数可选择为(芯径/包层/涂覆层，μm)9/125/150，数值孔径NA为0.11；多模接收光纤6的外径参数可选择为(芯径/包层/涂覆层，μm)50/125/150，数值孔径NA为0.22；
[0037] 进一步，本发明中，光纤收发电缆10内含一根用于同时发射光信号和传输叶片反射光信号的单模收发光纤8和六根用于传输叶片反射光信号的多模接收光纤6，外面由抗拉抗压电缆包裹，以保证光纤不受踩压、拉拽等影响，提高可靠性；该同时发射光信号和传输叶片反射光信号的单模收发光纤8的外径参数可选择为(芯径/包层/涂覆层，μm)9/125/150，数值孔径NA为0.11；多模接收光纤6的外径参数可选择为(芯径/包层/涂覆层，μm)50/
125/150，数值孔径NA为0.22；
125/150，数值孔径NA为0.22；
[0038] 进一步，本发明中，光纤收发电缆10内的一根单模收发光纤8和六根多模接收光纤6插入到插芯套管11内部，插芯套管11的前端装配自聚焦透镜13，单模收发光纤8发出的光经过自聚焦透镜13聚焦后能够有效地减小照射到叶片端面的光斑直径；
[0039] 进一步，本发明中，若实际传感器端面，即自聚焦透镜像方端面到叶片端面14的距离为15mm，设置插芯套管11内的无芯光纤12的长度，即单模收发光纤8到自聚焦透镜物方端面的距离也为15mm，根据自聚焦透镜13的渐变系数α、沿轴折射率n1，切割自聚焦透镜的长度Z，使得 此时叶片端面14位于自聚焦透镜13的像方焦点位置处，照射到叶片端面14的光斑直径最小；
[0040] 进一步，本发明中，环形器7可采用保偏型光环形器，以保证单模光纤与其的耦合效率，单模发射光纤5、单模接收光纤9和单模收发光纤8分别与环形器7的三个端口相连接，使得单模发射光纤5发射的光信号仅能被单模收发光纤8以较小插入损耗接收，而与单模接收光纤9之间存在较大隔离度，单模收发光纤8传输的叶片反射光信号仅能被单模接收光纤9以较小插入损耗接收，而与单模发射光纤5之间存在较大隔离度；
[0041] 进一步，本发明中，抗拉抗压发射电缆3、抗拉抗压接收电缆4、光纤收发电缆10可选择不锈钢软管、金属软管、包塑铠装管、塑料保护管等；抗拉抗压发射电缆3的内径大于单模发射光纤5的外径，如选择外径3.9mm包塑铠装缆；抗压抗拉接收电缆4和光纤收发电缆10的内径大于内部所有光纤合理排列后外切圆的外径，如选择外径5.5mm的包塑铠装缆；抗拉抗压发射电缆3、抗拉抗压接收电缆4和光纤收发电缆10的长度应满足实际使用要求，如选择抗拉抗压发射电缆3长度为0.5m，抗拉抗压接收电缆4长度为0.5m，光纤收发电缆10长度为3m；
[0042] 进一步，本发明中单模发射光纤5、多模接收光纤6、单模收发光纤8和单模接收光纤9，均可采用包层较薄的光纤结构，如全石英光纤，使光纤收发电缆10中单模收发光纤8和多模接收光纤6的距离更近；无芯光纤12的内径大于内部六根多模接收光纤6和一根单模收发光纤8合理排列后外切圆的外径。
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