用于航空发动机叶尖间隙测量的光纤传感器
航空发动机叶片间隙测量方法综述
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田６激光多普勒舅速法测间隙的原理田 擞光多普勒间隙侍感器包括三个部分：光源系统、光学测量探头和探测系统。在光源系 统中有两个辙光二撮管．输出为６６０珊和８３０阻的两个波长的激光。在探头里光纤出射的光束 被一个非球面透镜准直，再被一个衍射透镜聚焦（衍射透镜是针对６６０ｎｅ波长设计的焦距 ２０肌。数值孔径０．２）；这块高散射的衍射透镜使这两种光在聚焦腰处的光轴方向上分离。 由于衍射透镜的焦欧和波长成反比，红外光束的聚焦就落在了光橱的前面．而红光的落在 了光栅的后面．使这两种波长的擞光柬分别产生＋ｌ。一１级衍射。其他的光束用挡板隔离．用 一个消除色差的开昔勒透镜组准直光束井且再一次聚焦，清色差的透镜组确保了这两部分光 在相同的轴向位置分开。用开普勒望远镜系统使光柱聚焦成像．红外光的聚焦腰的位置在交 叉点的前面产生发散的边缘．红光的聚焦腰的位置在交叉点的后面产生汇聚边缘。如图７所
试验应用作了介绍。
关键词：发动机叶片叶尖间隙测量，探针法，电容法，电涡流法，光导（激光近程）探针测
量法，光强度调制法，激光多普勒测速法 １引言
随着现代飞机对高机动性飞行要求的不断提高，对航空发动机的要求也相应地提高。提
高航空发动机的性能的一个重要方面是提高发动机的效率；而提高发动机的效率很大方面要 取决于发动机转子叶尖与机匣之间的径向间隙要尽可能小，以减少工作介质泄露而造成的损 失。
航空发动机叶片间隙测量方法综述
郭伟周权 （一航计测重点实验室北京１０００９５）． 摘要：飞机发动机叶片叶尖间隙是发动机非常重要的一个参数。文章介绍了叶片叶尖间隙测 量的各种方法，包括探针法、电容法、电涡流法、光学法等。光学法又可细分为光导（激光
近程）探针测量法、光强度调制法和激光多普勒测速法；对这些方法的原理、特点以及一些
光纤传感检测技术
光纤材料相对脆弱，容易损坏或断裂，对 传感器的长期稳定性和可靠性构成挑战。
发展展望
集成化和微型化
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
广泛应用
随着微纳加工技术的发展，光纤传感 器有望实现更高程度的集成化和微型 化，从而提高其测量精度和便携性。
光纤传感检测技术在石油、化工、电 力、交通等多个领域具有广泛的应用 前景，未来有望在更多领域得到应用。
光纤传感检测技术
contents
目录
• 光纤传感检测技术概述 • 光纤传感检测技术的基本原理 • 光纤传感器的分类与特性 • 光纤传感检测技术的应用实例 • 光纤传感检测技术的挑战与展望
01
光纤传感检测技术概述
定义与特点
定义
光纤传感检测技术是一种利用光 纤作为传感器进行信息检测的技 术。
特点
高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀 、可在恶劣环境下工作、易于组 网等。
光纤压力传感器
总结词
高灵敏度、抗干扰能力强、长期稳定 性
详细描述
光纤压力传感器利用光纤传递信号， 通过感知压力对光纤的影响来测量压 力，具有高灵敏度、抗干扰能力强和 长期稳定性等优点，适用于高压、高 温和腐蚀性环境。
光纤液位传感器
总结词
非接触式测量、高精度、安全可靠
详细描述
光纤液位传感器利用光在液体中的折射率变化感知液位，具有非接触式测量、高精度和安全可靠等优点，适用于 石油、化工等领域的液位测量。
多功能化和智能化
开发具有多种感知功能和智能化处理 能力的光纤传感器是未来的重要发展 方向。
未来研究方向
新材料和新技术的研究
探索新型的光纤材料和传感技术，以提高传感器的性能和功能。
交叉敏感问题的解决
研究解决光纤传感器交叉敏感问题的方法和技术，提高其测量精度 和可靠性。
光纤维传感器的应用
手术器械与机器人
手术器械
光纤维传感器可以用于手术器械中，通过实时监测手术过程中的温度、压力、振 动等参数，提高手术的精准度和安全性。
机器人辅助手术
光纤维传感器可以用于机器人辅助手术中，通过机器人对手术部位的精确操作， 减少手术创伤和并发症。
生物医学成像
光学成像
光纤维传感器可以用于光学成像中，通过捕捉生物组织的光 学信号，生成高清晰度的图像，有助于疾病的早期发现和诊 断。
02
这些传感器可以检测温度、压力 、流量和气体浓度等参数，及时 发现潜在的泄漏和异常情况，防 止事故发生。
军事与国防应用
在军事和国防领域，光纤维传感器被 用于监测武器系统、航空器和通信设 备的状态，确保其正常运行。
这些传感器可以检测振动、温度、压 力和位移等参数，为军事行动提供实 时数据支持，提高作战效率和安全性 。
水质监测
光纤维传感器在水质监测中具有广泛的应用，能够快速、准 确地检测水中的各种污染物。
光纤维传感器通过测量水样对光的吸收、散射和荧光等特性 ，检测水中的重金属离子、有机物、氨氮等污染物，为水处 理和水质管理提供重要数据。
土壤成分分析
光纤维传感器在土壤成分分析中具有独特的优势，能够实 现快速、无损的土壤成分检测。
药物输送
在药物输送领域，光纤维传感器可以用于精确控制药物的释放。通过感测温度、pH值等参数，可以实现对药物释放 的智能控制，提高治疗效果并降低副作用。
生物组织感测
光纤维传感器可以用于生物组织感测，研究生物体内的生理变化和生化反应。通过感测组织的光学特性 变化，可以了解组织的生理状态和功能表现。
03 光纤维传感器在医疗领域 的应用
机器人技术
在机器人技术中，光纤维传感器被用 于机器人的触觉感知、环境感知以及 运动控制等方面。
光纤传感在飞机结构健康监测中的应用进展和展望
光纤传感在飞机结构健康监测中的应用进展和展望作者：王文娟薛景锋张梦杰来源：《航空科学技术》2020年第07期摘要：由于波分复用可实现多点测量特点，光纤传感被期望用于飞机结构的实时监测。
飞机对重量（质量）极为敏感，光纤传感的应用可以极大程度上减少测量导线而达到减重的目的。
同时，光纤传感还具有抗电磁干扰、耐高温、抗疲劳、抗环境腐蚀的显著优势。
随着智能飞机结构的广泛应用，要求光纤传感更密集、更快、更小型。
基于飞行测试和相关应用经验，本文对当前研究进展进行回顾，并对未来发展进行展望。
关键词：光纤传感；结构健康监测；飞机；应用；展望中图分类号：V219文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.07.013结构维修占飞机维修60%以上的时间，结构寿命也决定了飞机的寿命，而且结构损伤呈现分布式、偶发性和难监测的特点，因此结构健康监测成为飞机预测与健康管理的重要方面[1]。
美国和欧盟持续发展了飞机结构健康监测技术，F-35飞机发展了预测与健康管理（PHM）系统，更引起国际上对于结构健康监测技术的关注和重视[2]。
飞机结构健康监测可以分为整机疲劳寿命监测和关键部位损伤监测两部分。
整机疲劳寿命监测将载荷监控与疲劳寿命分析结合以实现疲劳寿命监控，掌握每一架飞机的实际使用情况，有利于控制剩余寿命，提高飞机在飞行中的安全性；关键结构损伤监测通过监测关键结构部位应力或损伤参数，与正常指标进行对比分析，从而判断出飞机重要结构的受损程度以及损伤的具体位置[3]。
结构状态主要通过应变、载荷和振动等信息反映。
由于飛机的高机动性、结构复杂性以及环境严酷性，需进行多点状态监测，使用传统应变片的方法已很难满足需要，主要原因是引线多、增重多、寿命不能与机体同寿，亟须研究采用新的应变测量技术。
光纤光栅（FBG）传感技术作为一种新兴的应变测量技术，具有结构灵巧、布线简洁、高效、长寿命、抗电磁干扰等诸多优点，在航空航天等尖端装备领域具有重大应用前景。
航空发动机先进传感器研究
航空发动机先进传感器研究摘要:航空发动机的技术发展水平是衡量一个国家科技、军事实力及综合国力的重要标志。
航空发动机是飞行器的中心,它为飞行器提供推进动力或支持力。
自飞机问世以来,发动机得到了迅速的发展,先进的飞机整体离不开各种各样技术和附件的支持。
本文就航空发动机上先进传感器的发展历程和现代几种新型传感器展开阐述,并对其功能特点等方面进行分析。
关键词:航空发动机传感器智能航空发动机全权限数字式电子控制(FADEC)是现代战机飞行和推进系统综合控制的发展趋势,它主要运用计算机系统强大快速的数字运算能力和逻辑判断来实现系统控制。
与传统的机械液压式控制系统相比,它具有更加可靠、先进的特点,另外它也增加了控制的多样性,通过它的作用提高了对飞行以及对综合系统的控制能力。
传统传感器的模拟信号使用时为输出状态,整个飞行和推进综合系统的传感器输入信号能够超过30路,这种状况下中央处理器将花费巨大的资源用于模拟信号的数据处理以及故障诊断,严重的削弱了数字控制系统的优势。
智能传感器运用在航空控制系统中,它不仅发送/接收数字信号而且还要完成信号的采集和处理、故障自诊断、故障容错等工作。
FADEC系统的引入可以将繁重的低级任务进行分化,腾出了大量CPU 资源来执行更加复杂和精确的控制算法和监控管理。
传感器是信息系统的最前端的作为获取信息的十分重要的工具,可以说整个系统质量的好坏,主要依赖于传感器的特性的好坏和输出信息的可靠性。
1 温度传感器涡扇式发动机主燃油控制系统的重要状态参数之一是涡轮后燃气温度。
当发动机控制计划处于训练——战斗状态且发动机进口温度处于288～373K时,通过供油量的电子调节,使涡轮后燃温度直线增加15℃。
整个航空发动机分布式控制系统的工作稳定性和可靠性依靠对涡轮后燃气温度的精确测量与控制。
航空涡扇发动机涡轮后燃气温度的敏感测温部件为K型热电偶。
利用物理中的塞内克效应制成的温敏传感器,当两个不同的导体间组成闭合回路时,若两端结点温度不同,则回路中产生电流,这就是热电偶的原理。
光纤光栅传感器的工作原理和应用实例
光纤光栅传感器的工作原理和应用实例一、本文概述光纤光栅传感器作为一种先进的光学传感器，近年来在多个领域中都得到了广泛的应用。
本文旨在全面介绍光纤光栅传感器的工作原理及其在各领域中的应用实例。
我们将详细阐述光纤光栅传感器的基本原理，包括其结构、光学特性以及如何实现传感功能。
接着，我们将通过一系列应用实例，展示光纤光栅传感器在结构健康监测、温度测量、压力传感以及安全防护等领域的实际应用。
通过本文的阅读，读者将能够对光纤光栅传感器有一个全面深入的了解，并理解其在现代科技中的重要地位。
二、光纤光栅传感器的基本概念和原理光纤光栅传感器，也被称为光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）传感器，是一种基于光纤光栅技术的传感元件。
其基本概念源于光纤中的光栅效应，即当光在光纤中传播时，遇到周期性折射率变化的结构（即光栅），会发生特定波长的反射或透射。
光纤光栅传感器的工作原理基于光纤中的光栅对光的反射作用。
在制造过程中，通过在光纤芯部形成周期性的折射率变化，即形成光栅，当入射光满足布拉格条件时，即入射光的波长等于光栅周期的两倍与光纤有效折射率的乘积时，该波长的光将被反射回来。
当外界环境（如温度、压力、应变等）发生变化时，光纤光栅的周期或折射率会发生变化，从而改变反射光的波长，通过对这些波长变化的检测和分析，就可以实现对环境参数的测量。
光纤光栅传感器具有许多独特的优点，如抗电磁干扰、灵敏度高、测量范围大、响应速度快、能够实现分布式测量等。
这使得它在许多领域，如结构健康监测、航空航天、石油化工、环境监测、医疗设备、智能交通等，都有广泛的应用前景。
光纤光栅传感器的工作原理决定了其可以通过测量光栅反射光的波长变化来感知外界环境的变化。
因此，在实际应用中，通常需要将光纤光栅传感器与光谱分析仪、解调器等设备配合使用，以实现对环境参数的精确测量。
光纤光栅传感器的基本概念和原理为其在各种应用场景中的广泛应用提供了坚实的基础。
航空发动机叶尖间隙测量研究
航空发动机叶尖间隙测量研究 0708301 邓起春 070830115 研究背景及意义随着现代飞机对高机动性飞行要求的不断提高,对航空发动机的要求也相应地提高。
为提高航空发动机的性能,人们努力挖掘提高发动机效率的潜力。
潜力之一是使转子叶尖与机匣之间的径向间隙尽可能小,以减少工作介质泄漏而造成的损失。
众所周知,叶尖间隙过大会降低发动机的性能,然而间隙过小,将产生叶尖与机匣碰磨,影响发动机的安全,这是两个对立的要求。
如何设计控制间隙使其最为合适,对提高发动机性能、保证飞行安全非常重要。
而合理地设计间隙,或进行主动间隙控制,关键在于搞清间隙的实际变化情况,掌握它的变化规律。
因此,对间隙进行实测,给出间隙随不同转速及状态的变化规律,验证理论计算的合理性,在发动机研制过程中对优化设计、保证试车试验安全,具有实际的工程应用价值。
航空发动机在工作时,由于各部件承受的温度和受力变形情况不同,转、静子间的运动是很复杂的。
不同部位的零件在径向、轴向的位移大小和方向存在很大的差异,这种差异还随发动机不同而改变,如果此值选取不当,则可能造成径向间隙过大或过小。
综合分析表明, 风扇、压气机和涡轮的叶尖与机匣之间都存在着一“最佳”间隙, 过大的间隙会使叶尖泄露增大, 造成发动机效率降低, 过小的间隙将会引发叶片与机匣的磨擦振动等结构问题, 影响发动机的安全运转。
由于发动机转子叶尖间隙变化的影响因素是多方面的, 相当复杂, 目前单靠计算分析是很难确定的, 必须在试验中对间隙进行实时测量,找出最佳”间隙, 为“改进设计提供依据。
径向间隙过大会使效率降低,涡轮前温度增高。
据资料介绍,叶尖间隙每增加叶片长度的1 % ,效率约降低1. 5 % ,耗油率约增加3 %。
耗油率增加1 % ,可使全寿命费用增加0. 7 %。
间隙过大,也将使增压比下降,喘振裕度降低但同时间隙又不能过小,间隙过小将可能产生碰磨,导致零部件损坏,影响发动机的安全。
论文选题报告表(仅供参考)
论文题目航空发动机涡轮叶尖间隙动态测量与控制的关键技术研究论文类型（请在有关项目下作√记号）基础研究应用研究工程技术跨学科研究√学生在进行选题报告、听取意见后，整理成文（不少于3500字）。
一、文献综述航空发动机被称为“现代工业之花”，对飞机的性能以及飞机研制的成败和进度有着决定性的影响，而且发动机技术具有良好的军民两用特性，对国防和国民经济有重要意义。
世界上少数几个能独立研制先进航空发动机的国家无不将优先发展航空发动机作为国策，将发动机技术列为国家和国防关键技术，并给予大量的投资，保证发动机相对独立地领先发展，并严格禁止关键技术出口。
一些航空发动机后起工业国家也已制订了重大的技术发展计划，试图提高独立研制或参与国际合作研制先进航空发动机的能力。
为满足21世纪各种航空器发展的要求，航空发达国家从上世纪80年代末就开始实施一系列新的涡轮发动机技术发展计划。
近年来，随着现代飞机对高机动性能的要求不断提高，人们对发动机的性能及效率的利用要求也明显提高。
为了提高发动机的性能，人们试图挖掘其更大的潜力，其中之一就是要尽可能的减小叶尖间隙及其间隙控制相关问题。
叶尖间隙是指发动机转子叶片与机匣之间的距离，它对发动机的性能有很大的影响。
叶尖间隙过大会使发动机的性能降低，而间隙过小，又很可能会引起叶尖与机匣的碰撞或摩擦，严重危害发动机的安全，甚至导致严重的事故的发生。
叶尖间隙对压气机效率、涡轮效率、发动机功率和油耗影响极大。
主动叶尖间隙控制就是在发动机工作过程中对其瞬时状态和静态的叶尖间隙以改善发动机性能为目的进行的控制。
研究表明[1-3],主动叶尖间隙控制（AAC）被认为是两种最可能增加商用飞机运行寿命的技术之一。
Lattime[4]详细的说明了在飞行轨迹内可能出现的状况以及它们是怎样影响发动机间隙的设计的。
最小间隙可能发生在起飞和重新启动过程中。
在这种情况下，由于离心力和叶片的快速加热，转子组合体膨胀很快。
而与之同时，转子周围的机匣结构由于热效应膨胀的速度相对较慢。
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科学技术与工程
Science TechnNo. 32 Nov． 2012 2012 Sci. Tech. Engrg.
用于航空发动机叶尖间隙测量的 光纤传感器
近几年，随 着 光 纤 技 术 的 发 展，将 光 纤 应 用 到 航空发动机叶尖间隙测量开始引人关注。与其他 技术相比，光纤传感器有不可比拟的优点。光纤是 非导电体，适 合 电 磁 干 扰 严 重 的 工 作 环 境，同 时 测 量不受叶片材料限制； 其体积小，轻便，便于安装和 使用，尤其在中间级测量时具有很大的优势； 非接 触测量，能够保证发动机的安全； 光纤由耐高温石 英制成，去 掉 涂 敷 层 后 用 耐 高 温 无 机 胶 粘 合，非 常 适合高温条件下工作。经过近年的发展，光纤位移 传感器主要有光强调制式和光干涉式，其中强度调 制型传感器原理简单、设计制造方便、灵敏度高，因 此现采用了强度调制型光纤传感器。
3 补偿
对于单个接收光纤，设反射光纤纤心半径为 r0 ， 接收光纤纤心半径为 r1 ，距离为 l，数值孔径为 NA， 光纤端面与反射面距离为 d。设发射光功率为 P0 ， 光核功率为 Pd = P0 β2 ，光带功率为 PJ = P0 （ 1 － β2 ） ，其中 β 是与表面粗糙度有关的系数。光纤接收
到的光核功率可以看成经平面镜反射的光。由图 3
可知，反 射 光 斑 的 半 径 为 R = 2dtanφ0 + r0 = 2dtan（ arcsinNA） + r0 ，接收光强与接收端面被反射 光斑所覆盖的面积有关。根据几何关系，可以得到
覆盖面积 Sd，接收光核功率
Pq
=
Pd
Sd πR2
（ 1）
光纤接收的光带功率由接收光纤的立体角决
关键词 光纤传感器 叶尖间隙 航空发动机 补偿技术
中图法分类号 V232. 4；
文献标志码 B
航空发动机的叶尖间隙是指航空发动机的各级转 子叶片叶尖与发动机机匣之间的距离，它对航空发动 机的性能有很大影响。间隙过大，会引起倒流和潜流， 影响压气机和涡轮效率，甚至造成喘振； 间隙过小，有 可能导致转子叶片叶尖与机匣碰撞，危及发动机的安 全。所以，精确地测量叶尖间隙至关重要［1］。
张灿杨训
（ 西北工业大学动力与能源学院，西安 710072）
摘 要 设计了用于航空发动机叶尖间隙测量的光纤传感器。介绍了系统工作原理。研究了光纤传感器的输出特性。针对
影响因素，采用补偿技术对测量信号进行处理。对传感器性能进行仿真分析，得到了线性的输出特性曲线，同时表明补偿技
术能有效地消除各影响因素对输出特性的影响。
传感器端面与叶尖端面不平行时，其倾角也会对传
感器的准确性产生很大影响。因此，还要考虑传感
器的补偿技术。 将接收功率写成隐函数形式［3—5］：
图 1 强度调制型光纤叶尖间隙测量系统组成
由于航空 发 动 机 的 转 速 高，叶 尖 间 隙 值 小，要 求传感 器 能 够 测 量 微 小 位 移 并 且 具 有 高 灵 敏 度。 传感器测量 时，被 测 叶 尖 端 面 始 终 在 变 化，不 同 表 面的反射特性会给测量结果带来误差。另外光源 光强波动、光纤弯曲损耗等对测量结果也有很大影 响。因此，在 采 用 强 度 调 制 型 传 感 器 时，还 应 考 虑 补偿措施，以消除这些因素对测量结果的影响。为 此，采用发射和接收光纤同轴排布，具体结构如图 2 所示。具有较小数值孔径和芯径的单模光纤作为 发射照明光的发射光纤，具有较大数值孔径和芯径 的多模光纤作为接收光纤。接收光纤两层呈同心
定。接收光纤立体角为 Ω，半球面立体角为 2π，接
收光带功率
由图 4 可以看出，传感器特性并未呈现线性变
化，对信号的处理带来不便。而且在实际的测量过
程中，接收功率还要受到以下几个方面的影响： （ 1）
叶尖表面反射特性的改变影响反射光分布带来误
差； （ 2） 光源发光功率不稳定直接导致测量误差；
（ 3） 光纤本身的弯曲损耗改变测量信号的大小； （ 4）
PS
=
PJ
Ω 2π
（ 2）
因此，接收总功率为：
P
=
Pq
+ PS
=
P0 β2
Sd πR2
+ P0（ 1
－ β2 ）
Ω 2π
（ 3）
对于图 2 所示的传感器测头结构，相同颜色的接
收光纤具有相同的接收功率，利用公式（ 3） 可以求出
每组单根光纤的接收功率，分别为 P1 、P2 、P3 。内层接 收光纤组 A、外层接收光纤组 B1 和 B2 的接收功率为
32 期
张 灿，等： 用于航空发动机叶尖间隙测量的光纤传感器
8593
排列，提高 了 传 感 器 接 收 光 的 能 力，而 且 外 层 信 号 和内层信号经过适当的处理，还可以补偿表面反射 特性变化等因素对测量结果的影响。
图 2 光纤传感器端面排列
2 测量原理
叶尖端面是弱漫射面，因此光经过反射形成了 光核与光带。光核是部分光按照几何关系反射出 的像，按照几何关系求解； 光带是另一部分光按照 漫反射规律在空间形成的均匀斑纹分布，其功率在 反射面一侧的半球面上均匀分布［2］。
PA = 6P1 ，PB = 6P2 + 6P3 。利用 Matlab 进行仿真，发 射光纤纤芯半径为 40 μm，接收光纤纤芯半径为 50
μm，数值孔径为 0. 22，光源发射功率为1 000 mW，则
得到传感器的输出特性曲线如图 4 所示。
图 4 传感器输出特性曲线
图 3 单接收光纤接收光核功率示意图
1 传感器结构设计
强度调制型光纤叶尖间隙测量的原理图如图 1
2012 年 7 月 16 日收到 第一作者简介： 张 灿（ 1988—） ，女，硕士研究生。E-mail： zhangcan0415@ 126． com。
所示，激光发射器发出的光经发射光纤照射到叶尖 顶端，反射回来的光由接收光纤接收。接收到的光 信号经过 光 电 设 备 转 换 成 电 信 号，并 被 系 统 采 集， 经数据处理后，得到间隙值，参考转速传感器信号， 即可得到对应叶片的叶尖间隙。