劉 繄,溫志勛,楊彩霞,李志強(qiáng),郭煜恩,管 昕

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢 430070; 2.西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院,陜西 西安 710129)

隨著我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)自主研制能力的快速提升,各種發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)在線測(cè)量技術(shù)變得越來越重要。特別是動(dòng)應(yīng)變測(cè)量技術(shù),在新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制中占據(jù)了不可或缺的位置。不論是發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤、葉片,或者其他旋轉(zhuǎn)部件,都需對(duì)其工作環(huán)境下的動(dòng)應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但是發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部惡劣的工作環(huán)境(極高的溫度)、極端的工作狀態(tài)(超高轉(zhuǎn)速)都對(duì)傳感測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了極高的要求。因而,高速高精的航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)一直是發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)[1]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件常常在高溫環(huán)境下工作,發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體表面溫度可達(dá)600 ℃,燃燒室中的燃?xì)鉁囟瓤蛇_(dá)1 650 ℃[2],常規(guī)應(yīng)變片完全無法滿足這種苛刻要求。美國(guó)HPI公司開發(fā)的高溫應(yīng)變片能夠耐受900 ℃的高溫,在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是當(dāng)溫度超過1 000 ℃之后,這種應(yīng)變片也無法使用。另外,由于此類應(yīng)變片是金屬材質(zhì),在使用過程中需要考慮抗氧化問題以及導(dǎo)線絕緣問題,安裝布置時(shí)的工藝十分煩瑣,失效率很高。光纖傳感器以石英玻璃為原料(軟化點(diǎn)為1 730 ℃),其對(duì)電絕緣、體積小巧、有希望在超過1 200 ℃的溫度下完成各種發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的測(cè)量[3],因而獲得了大量研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。2009年,單寧等[4]嘗試將非本征型光纖法布里-珀羅干涉儀(Extrinsic Fabry-Pérot Interferometer,EFPI)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片裂紋的測(cè)量,并根據(jù)返回的探測(cè)信號(hào)特征判斷葉片是否存在裂紋缺陷。2015年,Wang等[5]采用經(jīng)氫氟酸腐蝕的多模石英光纖和單模光纖制作F-P溫度傳感器,測(cè)溫范圍為 20～500 ℃,具有良好的重復(fù)性。2019年,林啟敬等[6]研制了一種耐高溫毛細(xì)管封裝的F-P傳感器,能夠在30～1 000 ℃范圍內(nèi)完成溫度測(cè)量。為了進(jìn)一步提高工作溫度,2020年Yang等[7]將光纖傳感器中的石英材料換成藍(lán)寶石,提出了一種基于藍(lán)寶石光纖的F-P溫度傳感器,該傳感器可以完成25～1 455 ℃的溫度測(cè)量。隨著光纖溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)的逐漸成熟,研究人員開始將視線轉(zhuǎn)向更具挑戰(zhàn)的應(yīng)變監(jiān)測(cè)。2012年,段德穩(wěn)[8]以電弧熔接機(jī)為加工設(shè)備設(shè)計(jì)制作了端頭型光纖F-P傳感器,結(jié)果顯示該傳感器具有約4 pm/με的應(yīng)變靈敏度和小于0.9 pm/℃的低溫度交叉敏感系數(shù),可在600 ℃高溫下進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試。2015年,Tafulo 等[9]改進(jìn)了工藝,通過化學(xué)蝕刻制造空腔的方式制作了一種高溫應(yīng)變F-P傳感器,測(cè)試溫度達(dá)到700 ℃。為了驗(yàn)證光纖應(yīng)變傳感器高溫測(cè)量的準(zhǔn)確性,2021年王元生等[10]制作了專用高溫應(yīng)變?cè)囼?yàn)臺(tái),將光纖F-P傳感器與高級(jí)視頻引伸計(jì)(AVE2)的應(yīng)變測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)兩種測(cè)量方式的偏差在1%以內(nèi),從而證實(shí)了光纖F-P傳感器可以應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件材料的高溫應(yīng)變測(cè)量。同年,陳珊等[11]研制了一種基于石英光纖的EFPI-FBG復(fù)合光纖傳感器,能夠同時(shí)對(duì)溫度與應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)環(huán)境下,傳感器測(cè)量溫度范圍達(dá)到25～1 100 ℃,溫度測(cè)量誤差全量程不超過5%;應(yīng)變測(cè)量范圍達(dá)到0～19 468 με,在1 100 ℃下的相對(duì)誤差也僅為1.96%,可以覆蓋大部分航空發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量需求。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的光纖動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量問題,目前的研究還較少。2022年,蒲金飛等[12]從理論上分析了光纖F-P傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)量性能,并采用強(qiáng)度解調(diào)方法實(shí)現(xiàn)了40 kHz的動(dòng)位移測(cè)量。但是該方法并未考慮高溫應(yīng)用,并且使用的方法需要不斷調(diào)整正交工作點(diǎn)。如今航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速常常高達(dá)20 000 r/min以上,其渦輪葉片為了滿足氣動(dòng)性能要求,一般設(shè)計(jì)成細(xì)長(zhǎng)薄片結(jié)構(gòu),這樣的葉片構(gòu)型剛性較低,在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)容易引起葉片共振和顫振[13]。如果能夠?qū)θ~片動(dòng)應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè),那么就能對(duì)葉片故障進(jìn)行更好的預(yù)測(cè)。特別是高頻高精動(dòng)應(yīng)變信號(hào),對(duì)于早期故障預(yù)測(cè)具有更重要的意義。

本文針對(duì)EFPI提出一種相位追蹤解調(diào)方法,極大地提高了光纖應(yīng)變測(cè)量精度,實(shí)現(xiàn)了在高頻率條件下的高精度動(dòng)應(yīng)變測(cè)量,搭建了F-P光纖傳感器的動(dòng)態(tài)激振平臺(tái),通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)10 kHz的信號(hào)采樣,其測(cè)量精度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)應(yīng)變片測(cè)量系統(tǒng),同時(shí)通過靜態(tài)高溫實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該傳感器具有耐溫性能,最高耐受溫度達(dá)1 200 ℃。

1 F-P動(dòng)應(yīng)變傳感器原理及高速高精度解調(diào)方法

1.1 F-P動(dòng)應(yīng)變傳感器工作原理

光纖F-P傳感器作為一種干涉型光纖傳感器具有極高的靈敏度,其腔長(zhǎng)會(huì)隨微小的動(dòng)應(yīng)變發(fā)生改變,傳感器的光譜信號(hào)也會(huì)隨之發(fā)生漂移,因此可以通過檢測(cè)光譜信號(hào)的變化來實(shí)現(xiàn)微小動(dòng)應(yīng)變的測(cè)量。

F-P干涉型光纖應(yīng)變傳感器的常見結(jié)構(gòu)如圖1所示,由兩根光纖及石英毛細(xì)管構(gòu)成。本項(xiàng)目中的毛細(xì)管內(nèi)徑為126 μm,石英光纖外徑為125 μm。通過精密的配合,將兩根光纖在毛細(xì)管中對(duì)齊。其中左側(cè)光纖與玻璃毛細(xì)管通過熔接設(shè)備熔接在一起,形成一個(gè)固定結(jié)構(gòu)。右側(cè)光纖可以在管內(nèi)伸縮移動(dòng)。兩根光纖的端面形成了一個(gè)空氣隙,即F-P腔。將左側(cè)毛細(xì)管和右側(cè)光纖分別用高溫膠固定在待測(cè)試件表面。當(dāng)測(cè)試件產(chǎn)生應(yīng)變時(shí),粘貼點(diǎn)會(huì)帶動(dòng)左測(cè)毛細(xì)管及右測(cè)光纖沿軸向移動(dòng),從而導(dǎo)致中間F-P腔的腔長(zhǎng)變化,最終影響光纖中的通光信號(hào)。

1—待測(cè)試件;2—熔接點(diǎn);3—AB膠;4—F-P腔;5—玻璃毛細(xì)管;6—單模光纖。

寬帶探測(cè)光從右側(cè)光纖進(jìn)入傳感器,在F-P腔的兩個(gè)玻璃/空氣界面上分別發(fā)生反射,最后回到探測(cè)端,用解調(diào)儀進(jìn)行接收。由于兩束反射光傳播的距離不同,因而當(dāng)它們回到探測(cè)器時(shí)會(huì)呈現(xiàn)出相位差。根據(jù)雙光束干涉原理可知,反射回光的光譜將受到F-P腔腔長(zhǎng)和反射率的調(diào)制,可表示為[14]

(1)

式中:Ir為反射光強(qiáng);I1和I2分別為入射光經(jīng)過F-P腔第一個(gè)端面和第二個(gè)端面后的反射強(qiáng)度;n為干涉腔介質(zhì)的折射率;l為干涉腔的腔長(zhǎng);λ為光在真空中的波長(zhǎng);φ0為外界干擾情況下產(chǎn)生的初始相位。

根據(jù)式(1)可知,Ir是關(guān)于λ的函數(shù),但并非標(biāo)準(zhǔn)的余弦函數(shù),是一個(gè)變周期的類余弦函數(shù),當(dāng)式(1)中I1=I2=1,n=1,l=1 μm時(shí),對(duì)反射光譜進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖2所示。

圖2 F-P腔反射光譜理論仿真曲線

1.2 F-P動(dòng)應(yīng)變傳感器高速高精度解調(diào)理論研究

在實(shí)際工作中,由于用于測(cè)量反射回光光譜的光譜儀具有一定帶寬,因而無法完整觀察圖2中的全部光譜,只能在一個(gè)較小范圍內(nèi)觀察反射光譜,如圖3所示。

圖3 在光譜儀中能夠觀測(cè)的局部光纖F-P傳感器光譜圖

根據(jù)式(1)可知,當(dāng)F-P腔的腔長(zhǎng)發(fā)生變化時(shí),反射光譜不僅會(huì)發(fā)生移動(dòng),其周期也會(huì)相應(yīng)變化。圖3仿真了腔長(zhǎng)增加5 μm時(shí),反射光譜的變化情況?？梢娫诓ㄩL(zhǎng)小范圍變化時(shí),光纖F-P腔反射光譜與余弦函數(shù)十分接近。在腔長(zhǎng)發(fā)生增大時(shí)相位和周期均發(fā)生變化。因而就衍生出了兩種不同的腔長(zhǎng)解調(diào)方法:相位追蹤法和周期追蹤法[15]。

對(duì)于相位追蹤法,是利用圖3中某個(gè)波峰移動(dòng)的距離來表示腔長(zhǎng)變化。

根據(jù)式(1),當(dāng)余弦項(xiàng)的相位滿足:

(2)

干涉信號(hào)為最小值。對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λm為反射光譜中特定級(jí)次m的譜峰中心波長(zhǎng)。

(3)

根據(jù)式(3)可得利用相位追蹤法傳感器的應(yīng)變靈敏度為

(4)

式中:ε為應(yīng)變;L為傳感器粘貼標(biāo)距;l0為F-P腔的初始腔長(zhǎng)。

對(duì)于周期追蹤法,利用圖3中的余弦周期來表示腔長(zhǎng)變化。式(1)可以進(jìn)行泰勒展開,近似為

(5)

式中:Ir為點(diǎn)λ=λ0附近波長(zhǎng)λ的余弦函數(shù)。余弦項(xiàng)的周期P滿足:

(6)

因此,l可以通過P來計(jì)算,P可以通過反射光譜的傅里葉變換得到。假設(shè)初始周期為P0,可得ε為

(7)

根據(jù)式(7)可得利用周期追蹤法傳感器的應(yīng)變靈敏度為

(8)

以常見F-P光纖傳感器參數(shù)為例,初始腔長(zhǎng)l0=40 μm,兩個(gè)固定點(diǎn)間距L=10 mm,空氣腔折射率n=1,光譜儀觀察窗口中心波長(zhǎng)λ0=1 550 nm,根據(jù)式(6)可以計(jì)算出初始光譜周期P0=30 nm。當(dāng)待測(cè)樣件發(fā)生1 με的變形時(shí),采用相位追蹤法時(shí)可以用式(4)計(jì)算得到Sp=387.5 pm/με,采用周期追蹤法計(jì)算得到SP=15 pm/με。可見相位追蹤法的靈敏度要顯著大于周期追蹤法。另外,相位追蹤法不用進(jìn)行傅里葉變換,所以解調(diào)速度也要明顯高于周期追蹤法。因此,針對(duì)高速高精的航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)應(yīng)變監(jiān)測(cè)需求來說,相位追蹤法具有更好的效果。

2 傳感器靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為了確定制作的F-P動(dòng)應(yīng)變傳感器峰值移動(dòng)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變變化,進(jìn)行靜態(tài)傳感器應(yīng)變標(biāo)定實(shí)驗(yàn),測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。把動(dòng)應(yīng)變光纖傳感器安裝在等強(qiáng)度梁上,等強(qiáng)度梁安裝在梁支架上,再連接好解調(diào)儀和計(jì)算機(jī),在等強(qiáng)度梁的施力位置懸掛一個(gè)質(zhì)量為0.72 g的托盤,通過在托盤內(nèi)每次添加0.76 g的砝碼對(duì)等強(qiáng)度梁施加載荷,共添加10次,通過解調(diào)儀記錄每次添加砝碼后的光譜。

圖4 光纖動(dòng)應(yīng)變傳感器的標(biāo)定系統(tǒng)圖

根據(jù)光譜數(shù)據(jù)可以得到傳感器峰值波長(zhǎng)與梁上應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示。光纖F-P應(yīng)變傳感器的單峰移動(dòng)量與應(yīng)變之間具有良好的線性關(guān)系。將兩者擬合可得標(biāo)定曲線公式(11),靈敏度為100.955 pm/με,擬合度為99.26%。

圖5 單個(gè)峰的峰值變化量與應(yīng)變的擬合曲線圖

ε=100.955λ-30.598

(11)

3 傳感器動(dòng)態(tài)激振實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為了驗(yàn)證所述F-P傳感器對(duì)高頻率動(dòng)應(yīng)變信號(hào)的檢測(cè)能力,采用F-P傳感器與應(yīng)變片對(duì)比的方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)激振實(shí)驗(yàn),將F-P傳感器和應(yīng)變片用AB膠粘接在等強(qiáng)度梁上,采用信號(hào)發(fā)生器(普源精電DG1022U)和功率放大器(聯(lián)能電子YE5874A)控制激振器(聯(lián)能電子JZK-50)對(duì)等強(qiáng)度梁施加高頻率動(dòng)應(yīng)變載荷。等強(qiáng)度梁的材質(zhì)為鋁合金,一端固定在基座上,另一端通過激振桿與激振器相連接。F-P傳感器的光譜信號(hào)通過課題組自制的解調(diào)儀解調(diào),電阻式應(yīng)變片的信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡(NI-cDAQ-9174)采集。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖6所示。

1—信號(hào)發(fā)生器;2—功率放大器;3—解調(diào)儀;4—計(jì)算機(jī);5—數(shù)據(jù)采集卡;6—計(jì)算機(jī);7—電阻式應(yīng)變片;8—F-P傳感器;9—等強(qiáng)度梁;10—激振桿;11—激振器。

解調(diào)儀的采樣頻率為10 kHz,控制信號(hào)發(fā)生器,使激振器對(duì)等強(qiáng)度梁產(chǎn)生不同頻率的激振載荷。等待激振器輸出的載荷穩(wěn)定后,通過解調(diào)程序?qū)-P動(dòng)應(yīng)變傳感器的光譜信號(hào)進(jìn)行采集、保存,數(shù)據(jù)采集卡對(duì)應(yīng)變片信號(hào)進(jìn)行采集,動(dòng)應(yīng)變測(cè)試的頻率逐漸提高,直至頻率為800 Hz。由于激振器的輸出功率不變,因此實(shí)驗(yàn)過程中,當(dāng)輸出載荷的頻率不斷升高時(shí),懸臂梁的振幅將會(huì)快速減小。圖7為30 Hz下與300 Hz下應(yīng)變片監(jiān)測(cè)的振動(dòng)信號(hào)。從圖7中可以看出,在30 Hz下,信號(hào)周期性清晰可見,而在300 Hz下,周期性信號(hào)已經(jīng)消失,只能看到噪聲。這是由于頻率升高之后,激振器的振幅大幅度減小,懸臂梁上應(yīng)變過于微小,應(yīng)變片系統(tǒng)已無法檢測(cè)。

圖7 30 Hz與300 Hz動(dòng)應(yīng)變測(cè)試的應(yīng)變片信號(hào)對(duì)比圖

圖8為不同動(dòng)應(yīng)變頻率下得到的光纖F-P系統(tǒng)反射光譜圖、對(duì)應(yīng)的應(yīng)變隨時(shí)間變化圖以及傅里葉變換后的頻譜圖。由圖8(a)中的局部放大圖可以看出,由于懸臂梁上振幅非常微弱,傳感器反射光譜的變化也十分微弱。如果采用周期跟蹤法將很難察覺應(yīng)變變化,但是采用相位跟蹤法,可以明顯檢測(cè)出單峰的移動(dòng),得到周期性的變化。將隨時(shí)間變化的應(yīng)變圖進(jìn)行傅里葉變換,就可以獲得頻譜曲線,從而得到光纖F-P傳感系統(tǒng)測(cè)量的動(dòng)應(yīng)變的頻率。從圖8(a)～圖8(d)中可以看到隨著激振頻率的增加,光譜圖的峰值變化范圍隨振幅的減小而變小;在相同的時(shí)間內(nèi),應(yīng)變變化的周期隨著頻率的增大而減小。將實(shí)際激振頻率與傳感器測(cè)得頻率進(jìn)行對(duì)比可知,當(dāng)激振器激振頻率為500 Hz、600 Hz、700 Hz、800 Hz時(shí),F-P光纖動(dòng)應(yīng)變傳感器測(cè)得的頻率分別為509.5 Hz、601.8 Hz、713 Hz、789.3 Hz,動(dòng)應(yīng)變頻率測(cè)量誤差最大值為1.1%。這說明光纖F-P動(dòng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)具有很高的靈敏度和頻率測(cè)量精度。

圖8 周期性光譜圖、對(duì)應(yīng)的應(yīng)變隨時(shí)間變化圖和對(duì)應(yīng)頻譜圖

4 靜態(tài)高溫實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

現(xiàn)代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)為了達(dá)到更高的推重比和熱效率,渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟炔粩嗌?使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室、渦輪和葉片等熱端部件的工作溫度可以達(dá)到1 200 ℃以上,對(duì)用于動(dòng)應(yīng)變監(jiān)測(cè)的傳感器的耐高溫性能提出了嚴(yán)苛的要求[16]。

為此本文對(duì)開發(fā)的光纖F-P傳感器探頭進(jìn)行了靜態(tài)高溫測(cè)試,所采用的被試基材為氧化鋁陶瓷(剛玉),為了將傳感器固定在被試基材上,使用了耐高溫?zé)o機(jī)膠固定F-P傳感器。為了制造均勻的高溫環(huán)境,采用了真空管式爐,加熱速率為10 ℃/min,每100 ℃保溫10 min并使用光譜儀記錄一次光譜圖像,直至溫度升至1 200℃。全過程中,光纖F-P測(cè)量系統(tǒng)均保持了良好的輸出光譜。圖9、圖10分別為1 200 ℃下高溫爐內(nèi)的傳感器和1 200 ℃下F-P傳感器的光譜圖,這說明傳感器能夠在最高達(dá)1 200 ℃下正常工作。

圖9 1 200 ℃下高溫爐內(nèi)傳感器照片

圖10 F-P傳感器在1 200 ℃下的光譜圖

5 結(jié)束語

本文從理論上分析了光纖F-P結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)變傳感原理,建立了相位追蹤法與周期追蹤法解調(diào)靈敏度解析公式,分析并預(yù)測(cè)了相位追蹤法對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)高頻高精度測(cè)量具有更好的效果。通過靜態(tài)與動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)證明:利用單峰追蹤解調(diào)算法,F-P動(dòng)應(yīng)變傳感器可以進(jìn)行高頻率微小振幅的測(cè)試,實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了800 Hz激振頻率下微小動(dòng)應(yīng)變的測(cè)量,頻率測(cè)量誤差不超過1.1%,應(yīng)變靈敏度能夠達(dá)到100.955 pm/με,約為一般光纖FBG應(yīng)變傳感器(應(yīng)變約1 pm/με)的100倍;高溫實(shí)驗(yàn)說明制作的F-P傳感器能耐受1 200 ℃的高溫。以上理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果都說明本文所開發(fā)的光纖F-P結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)在高溫條件下航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)動(dòng)應(yīng)變信號(hào)高精度高頻率測(cè)量和故障診斷領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。