Temperature and Pressure Response Study of Intrinsic Fabry-Perot Optical Fiber Sensor

Research on Optical Fiber F-P Temperature Sensor and Its Signal Demodulation System Used in Aero-engine

“…Key words：optical fiber sensor；high temperature measurement；aero-engine；signal demodulation；performance test 0 前言 作为飞机的心脏，航空发动机被誉为"工业之 花" ， 是一个国家科技、 工业和国防实力的重要体现。 航空发动机的工作条件极为苛刻，通常包括高温、 高压、高负荷、高转速和剧烈振动等 [1][2] 。温度是高 温流道件参数中最难测量的参数之一，随着高性能 航空发动机的发展，其气流工作压力和温度都大大 增加，运行时热端部件的工作温度亦越来越高，对 超高温度的准确测量提出了更大的挑战。因而，作 为航空发动机工作状态的重要过程参数，温度的有 效测量对发动机的控制、状态监控、安全性、可靠 性和可维护性具有重要意义。 目前，国内外对航空发动机温度的测量主要 采用热电偶、示温漆等手段 [3][4] 。西北工业大学杨训 等 [5] 利用 70 支热电偶分 4 次检查燃烧室出口气流温 度场分布，釆用数据网格化、数据插值等方法实现 了可视化发动机温度场的直观显示。但热电偶在高 温下容易氧化，通常需要铠装，这样就增大了其体 积，使得其在航空发动机燃气测量中虽然应用最普 遍但并非最理想 [6][7] 。示温漆可以在动态大面积温度 场进行测温，具有不破坏物体表面形状，不影响气 流状态，使用方便等优点 [8] 。但由于示温漆涂在壁 面上，主要测量壁面温度而不是气流温度，且响应 速度不够快，判读精度不够高。所以当热气流运动 速度和温度的大幅提高时，示温漆测温法并不适合 发动机温度的测量 [9] 。 与传统温度传感器相比较，光纤高温传感器的 优势更加明显，如精度高、线性好、响应温度范围 广、耐腐蚀、安全、抗干扰等，适合在剧烈振动、 易燃易爆、强磁场干扰及高温高压等恶劣环境下进 行温度测量，在航空航天、材料、化工、能源、冶 金和建材等高温测试领域得到广泛应用 [10][11][12] 。作为 光纤温度传感器的一种典型结构，光纤法布里-珀罗 (F-P)温度传感器具有结构简单、精度高、体积小、 抗电磁干扰、成本低和长期稳定性好等优点，在航 空发动机温度测量方面具有明显优势。1897 年，物 理学家 FABRF 和 PEROT [13] 首次发明了 F-P 干涉仪， 其后，随着光纤传感技术的进步，F-P 传感器亦得 到了快速发展。DING 等 [14] 通过在单模光纤尾端熔 接一小段光子晶体光纤，制作了一种 F-P 传感器， 其温度测量范围为 25～300 ℃；FANG 等 [15] 用 MEMS 技术加工的 F-P 传感器测温范围为 20～ 300 ℃；LIU 等 [16] 用空心光纤制作了一种 F-P 型传 感器，能够测量温度和应力响应，温度测量范围为 19～600 ℃；WANG 等 [17] 利用单模和多模光纤制作 F-P 传感器， 对温压进行测量， 测量温度范围为 20～ 500 ℃。在传感器信号解调系统方面，RANADE 等 [18] 提出一种基于光谱仪的强度解调系统，该系统要求 单色光源，受光源影响较大，精度较低；王安波等 [19] 提出自补偿式强度解调系统，降低了光源的影响， 但需要限制传感器腔长变化在四分之一波长内，制 作困难；MUSA 等 [20] 提出基于离散腔长变换的相位 解调系统，解决了腔长变化限制，但解调速度受算 法限制；YANG 等 [21][22]…”