[实用新型]基于自聚焦透镜的多模光纤式叶尖定时传感器

说明书

本实用新型属于光纤传感器技术领域，为提高光纤式叶尖定时传感器的定时分辨力。为此，本实用新型采取的技术方案是，基于自聚焦透镜的多模光纤式叶尖定时传感器，由发射端耦合器、接收端耦合器、抗拉抗压发射电缆、抗拉抗压接收电缆、环形器、光纤收发电缆、插芯套管、无芯光纤、自聚焦透镜构成，所述抗拉抗压发射电缆、抗拉抗压接收电缆、光纤收发电缆均内含一根多模光纤，发射端耦合器、接收端耦合器分别经抗拉抗压发射电缆、抗拉抗压接收电缆连接到环形器。本实用新型主要应用于光纤传感器的设计制造场合。

技术领域

本实用新型属于传感器领域。具体的说，本实用新型涉及一种光纤式叶尖定时传感器，特别是一种通过缩小光斑直径，提高定时分辨力的基于自聚焦透镜的多模光纤式叶尖定时传感器。

背景技术

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。

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

为克服现有技术的不足，本实用新型旨在提出一种高定时分辨力基于自聚焦透镜的多模光纤式叶尖定时传感器。该传感器能够提高光纤式叶尖定时传感器的定时分辨力。为此，本实用新型采取的技术方案是，基于自聚焦透镜的多模光纤式叶尖定时传感器，由发射端耦合器、接收端耦合器、抗拉抗压发射电缆、抗拉抗压接收电缆、环形器、光纤收发电缆、插芯套管、无芯光纤、自聚焦透镜构成，所述抗拉抗压发射电缆、抗拉抗压接收电缆、光纤收发电缆均内含一根多模光纤，发射端耦合器、接收端耦合器分别经抗拉抗压发射电缆、抗拉抗压接收电缆连接到环形器；光纤收发电缆内的多模光纤插入到插芯套管内部并与无芯光纤接通，插芯套管的前端装配自聚焦透镜，光纤收发电缆内的多模光纤发出的光经过自聚焦透镜照射到叶片端面，自聚焦透镜还用于控制照射到叶片端面的光斑直径；环形器使得抗拉抗压发射电缆发射的光信号仅能被光纤收发电缆接收，光纤收发电缆传输的叶片反射光信号仅能被抗拉抗压接收电缆接收。

插芯套管内的无芯光纤的长度即多模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L_F，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＝-L_F＝L'_F＝L₂，此时照射到叶片端面的光斑直径最小。

无芯光纤的内径大于内部多模光纤的外径。

本实用新型的特点及有益效果是：