面向航空发动机的高精高频动应变测量系统

刘 繄,温志勋,杨彩霞,李志强,郭煜恩,管 昕

(1.武汉理工大学 机电工程学院,湖北 武汉 430070; 2.西北工业大学 力学与土木建筑学院,陕西 西安 710129)

随着我国航空发动机自主研制能力的快速提升,各种发动机参数在线测量技术变得越来越重要。特别是动应变测量技术,在新型航空发动机的研制中占据了不可或缺的位置。不论是发动机轮盘、叶片,或者其他旋转部件,都需对其工作环境下的动应变进行监测。但是发动机内部恶劣的工作环境(极高的温度)、极端的工作状态(超高转速)都对传感测量系统设计提出了极高的要求。因而,高速高精的航空发动机动应变测量系统一直是发动机测量领域的一个研究热点[1]。航空发动机部件常常在高温环境下工作,发动机机体表面温度可达600 ℃,燃烧室中的燃气温度可达1 650 ℃[2],常规应变片完全无法满足这种苛刻要求。美国HPI公司开发的高温应变片能够耐受900 ℃的高温,在发动机领域得到了广泛应用。但是当温度超过1 000 ℃之后,这种应变片也无法使用。另外,由于此类应变片是金属材质,在使用过程中需要考虑抗氧化问题以及导线绝缘问题,安装布置时的工艺十分烦琐,失效率很高。光纤传感器以石英玻璃为原料(软化点为1 730 ℃),其对电绝缘、体积小巧、有希望在超过1 200 ℃的温度下完成各种发动机性能参数的测量[3],因而获得了大量研究机构的关注。2009年,单宁等[4]尝试将非本征型光纤法布里-珀罗干涉仪(Extrinsic Fabry-Pérot Interferometer,EFPI)用于飞机发动机叶片裂纹的测量,并根据返回的探测信号特征判断叶片是否存在裂纹缺陷。2015年,Wang等[5]采用经氢氟酸腐蚀的多模石英光纤和单模光纤制作F-P温度传感器,测温范围为 20～500 ℃,具有良好的重复性。2019年,林启敬等[6]研制了一种耐高温毛细管封装的F-P传感器,能够在30～1 000 ℃范围内完成温度测量。为了进一步提高工作温度,2020年Yang等[7]将光纤传感器中的石英材料换成蓝宝石,提出了一种基于蓝宝石光纤的F-P温度传感器,该传感器可以完成25～1 455 ℃的温度测量。随着光纤温度监测技术的逐渐成熟,研究人员开始将视线转向更具挑战的应变监测。2012年,段德稳[8]以电弧熔接机为加工设备设计制作了端头型光纤F-P传感器,结果显示该传感器具有约4 pm/με的应变灵敏度和小于0.9 pm/℃的低温度交叉敏感系数,可在600 ℃高温下进行应变测试。2015年,Tafulo 等[9]改进了工艺,通过化学蚀刻制造空腔的方式制作了一种高温应变F-P传感器,测试温度达到700 ℃。为了验证光纤应变传感器高温测量的准确性,2021年王元生等[10]制作了专用高温应变试验台,将光纤F-P传感器与高级视频引伸计(AVE2)的应变测量结果进行对比,发现两种测量方式的偏差在1%以内,从而证实了光纤F-P传感器可以应用于航空发动机部件材料的高温应变测量。同年,陈珊等[11]研制了一种基于石英光纤的EFPI-FBG复合光纤传感器,能够同时对温度与应变进行监测。在实验室静态环境下,传感器测量温度范围达到25～1 100 ℃,温度测量误差全量程不超过5%;应变测量范围达到0～19 468 με,在1 100 ℃下的相对误差也仅为1.96%,可以覆盖大部分航空发动机静态应变测量需求。对于航空发动机的光纤动态应变测量问题,目前的研究还较少。2022年,蒲金飞等[12]从理论上分析了光纤F-P传感器的动态测量性能,并采用强度解调方法实现了40 kHz的动位移测量。但是该方法并未考虑高温应用,并且使用的方法需要不断调整正交工作点。如今航空发动机的转速常常高达20 000 r/min以上,其涡轮叶片为了满足气动性能要求,一般设计成细长薄片结构,这样的叶片构型刚性较低,在高速转动时容易引起叶片共振和颤振[13]。如果能够对叶片动应变信号进行监测,那么就能对叶片故障进行更好的预测。特别是高频高精动应变信号,对于早期故障预测具有更重要的意义。

本文针对EFPI提出一种相位追踪解调方法,极大地提高了光纤应变测量精度,实现了在高频率条件下的高精度动应变测量,搭建了F-P光纤传感器的动态激振平台,通过实验验证了该系统可以实现10 kHz的信号采样,其测量精度远超传统应变片测量系统,同时通过静态高温实验验证了该传感器具有耐温性能,最高耐受温度达1 200 ℃。

1 F-P动应变传感器原理及高速高精度解调方法

1.1 F-P动应变传感器工作原理

光纤F-P传感器作为一种干涉型光纤传感器具有极高的灵敏度,其腔长会随微小的动应变发生改变,传感器的光谱信号也会随之发生漂移,因此可以通过检测光谱信号的变化来实现微小动应变的测量。

F-P干涉型光纤应变传感器的常见结构如图1所示,由两根光纤及石英毛细管构成。本项目中的毛细管内径为126 μm,石英光纤外径为125 μm。通过精密的配合,将两根光纤在毛细管中对齐。其中左侧光纤与玻璃毛细管通过熔接设备熔接在一起,形成一个固定结构。右侧光纤可以在管内伸缩移动。两根光纤的端面形成了一个空气隙,即F-P腔。将左侧毛细管和右侧光纤分别用高温胶固定在待测试件表面。当测试件产生应变时,粘贴点会带动左测毛细管及右测光纤沿轴向移动,从而导致中间F-P腔的腔长变化,最终影响光纤中的通光信号。

1—待测试件;2—熔接点;3—AB胶;4—F-P腔;5—玻璃毛细管;6—单模光纤。

宽带探测光从右侧光纤进入传感器,在F-P腔的两个玻璃/空气界面上分别发生反射,最后回到探测端,用解调仪进行接收。由于两束反射光传播的距离不同,因而当它们回到探测器时会呈现出相位差。根据双光束干涉原理可知,反射回光的光谱将受到F-P腔腔长和反射率的调制,可表示为[14]

(1)

式中:Ir为反射光强;I1和I2分别为入射光经过F-P腔第一个端面和第二个端面后的反射强度;n为干涉腔介质的折射率;l为干涉腔的腔长;λ为光在真空中的波长;φ0为外界干扰情况下产生的初始相位。

根据式(1)可知,Ir是关于λ的函数,但并非标准的余弦函数,是一个变周期的类余弦函数,当式(1)中I1=I2=1,n=1,l=1 μm时,对反射光谱进行仿真,结果如图2所示。

图2 F-P腔反射光谱理论仿真曲线

1.2 F-P动应变传感器高速高精度解调理论研究

在实际工作中,由于用于测量反射回光光谱的光谱仪具有一定带宽,因而无法完整观察图2中的全部光谱,只能在一个较小范围内观察反射光谱,如图3所示。

图3 在光谱仪中能够观测的局部光纤F-P传感器光谱图

根据式(1)可知,当F-P腔的腔长发生变化时,反射光谱不仅会发生移动,其周期也会相应变化。图3仿真了腔长增加5 μm时,反射光谱的变化情况。可见在波长小范围变化时,光纤F-P腔反射光谱与余弦函数十分接近。在腔长发生增大时相位和周期均发生变化。因而就衍生出了两种不同的腔长解调方法:相位追踪法和周期追踪法[15]。

对于相位追踪法,是利用图3中某个波峰移动的距离来表示腔长变化。

根据式(1),当余弦项的相位满足:

(2)

干涉信号为最小值。对应的波长λm为反射光谱中特定级次m的谱峰中心波长。

(3)

根据式(3)可得利用相位追踪法传感器的应变灵敏度为

(4)

式中:ε为应变;L为传感器粘贴标距;l0为F-P腔的初始腔长。

对于周期追踪法,利用图3中的余弦周期来表示腔长变化。式(1)可以进行泰勒展开,近似为

(5)

式中:Ir为点λ=λ0附近波长λ的余弦函数。余弦项的周期P满足:

(6)

因此,l可以通过P来计算,P可以通过反射光谱的傅里叶变换得到。假设初始周期为P0,可得ε为

(7)

根据式(7)可得利用周期追踪法传感器的应变灵敏度为

(8)

以常见F-P光纤传感器参数为例,初始腔长l0=40 μm,两个固定点间距L=10 mm,空气腔折射率n=1,光谱仪观察窗口中心波长λ0=1 550 nm,根据式(6)可以计算出初始光谱周期P0=30 nm。当待测样件发生1 με的变形时,采用相位追踪法时可以用式(4)计算得到Sp=387.5 pm/με,采用周期追踪法计算得到SP=15 pm/με。可见相位追踪法的灵敏度要显著大于周期追踪法。另外,相位追踪法不用进行傅里叶变换,所以解调速度也要明显高于周期追踪法。因此,针对高速高精的航空发动机动应变监测需求来说,相位追踪法具有更好的效果。

2 传感器静态标定实验及结果

为了确定制作的F-P动应变传感器峰值移动对应的应变变化,进行静态传感器应变标定实验,测试系统如图4所示。把动应变光纤传感器安装在等强度梁上,等强度梁安装在梁支架上,再连接好解调仪和计算机,在等强度梁的施力位置悬挂一个质量为0.72 g的托盘,通过在托盘内每次添加0.76 g的砝码对等强度梁施加载荷,共添加10次,通过解调仪记录每次添加砝码后的光谱。

图4 光纤动应变传感器的标定系统图

根据光谱数据可以得到传感器峰值波长与梁上应变的对应关系如图5所示。光纤F-P应变传感器的单峰移动量与应变之间具有良好的线性关系。将两者拟合可得标定曲线公式(11),灵敏度为100.955 pm/με,拟合度为99.26%。

图5 单个峰的峰值变化量与应变的拟合曲线图

ε=100.955λ-30.598

(11)

3 传感器动态激振实验及结果

为了验证所述F-P传感器对高频率动应变信号的检测能力,采用F-P传感器与应变片对比的方式进行动态激振实验,将F-P传感器和应变片用AB胶粘接在等强度梁上,采用信号发生器(普源精电DG1022U)和功率放大器(联能电子YE5874A)控制激振器(联能电子JZK-50)对等强度梁施加高频率动应变载荷。等强度梁的材质为铝合金,一端固定在基座上,另一端通过激振杆与激振器相连接。F-P传感器的光谱信号通过课题组自制的解调仪解调,电阻式应变片的信号由数据采集卡(NI-cDAQ-9174)采集。整个实验装置示意图如图6所示。

1—信号发生器;2—功率放大器;3—解调仪;4—计算机;5—数据采集卡;6—计算机;7—电阻式应变片;8—F-P传感器;9—等强度梁;10—激振杆;11—激振器。

解调仪的采样频率为10 kHz,控制信号发生器,使激振器对等强度梁产生不同频率的激振载荷。等待激振器输出的载荷稳定后,通过解调程序对F-P动应变传感器的光谱信号进行采集、保存,数据采集卡对应变片信号进行采集,动应变测试的频率逐渐提高,直至频率为800 Hz。由于激振器的输出功率不变,因此实验过程中,当输出载荷的频率不断升高时,悬臂梁的振幅将会快速减小。图7为30 Hz下与300 Hz下应变片监测的振动信号。从图7中可以看出,在30 Hz下,信号周期性清晰可见,而在300 Hz下,周期性信号已经消失,只能看到噪声。这是由于频率升高之后,激振器的振幅大幅度减小,悬臂梁上应变过于微小,应变片系统已无法检测。

图7 30 Hz与300 Hz动应变测试的应变片信号对比图

图8为不同动应变频率下得到的光纤F-P系统反射光谱图、对应的应变随时间变化图以及傅里叶变换后的频谱图。由图8(a)中的局部放大图可以看出,由于悬臂梁上振幅非常微弱,传感器反射光谱的变化也十分微弱。如果采用周期跟踪法将很难察觉应变变化,但是采用相位跟踪法,可以明显检测出单峰的移动,得到周期性的变化。将随时间变化的应变图进行傅里叶变换,就可以获得频谱曲线,从而得到光纤F-P传感系统测量的动应变的频率。从图8(a)～图8(d)中可以看到随着激振频率的增加,光谱图的峰值变化范围随振幅的减小而变小;在相同的时间内,应变变化的周期随着频率的增大而减小。将实际激振频率与传感器测得频率进行对比可知,当激振器激振频率为500 Hz、600 Hz、700 Hz、800 Hz时,F-P光纤动应变传感器测得的频率分别为509.5 Hz、601.8 Hz、713 Hz、789.3 Hz,动应变频率测量误差最大值为1.1%。这说明光纤F-P动应变测量系统具有很高的灵敏度和频率测量精度。

图8 周期性光谱图、对应的应变随时间变化图和对应频谱图

4 静态高温实验过程及结果分析

现代高性能航空发动机为了达到更高的推重比和热效率,涡轮进口燃气温度不断升高,使得航空发动机的燃烧室、涡轮和叶片等热端部件的工作温度可以达到1 200 ℃以上,对用于动应变监测的传感器的耐高温性能提出了严苛的要求[16]。

为此本文对开发的光纤F-P传感器探头进行了静态高温测试,所采用的被试基材为氧化铝陶瓷(刚玉),为了将传感器固定在被试基材上,使用了耐高温无机胶固定F-P传感器。为了制造均匀的高温环境,采用了真空管式炉,加热速率为10 ℃/min,每100 ℃保温10 min并使用光谱仪记录一次光谱图像,直至温度升至1 200℃。全过程中,光纤F-P测量系统均保持了良好的输出光谱。图9、图10分别为1 200 ℃下高温炉内的传感器和1 200 ℃下F-P传感器的光谱图,这说明传感器能够在最高达1 200 ℃下正常工作。

图9 1 200 ℃下高温炉内传感器照片

图10 F-P传感器在1 200 ℃下的光谱图

5 结束语

本文从理论上分析了光纤F-P结构的动应变传感原理,建立了相位追踪法与周期追踪法解调灵敏度解析公式,分析并预测了相位追踪法对于航空发动机高频高精度测量具有更好的效果。通过静态与动态实验证明:利用单峰追踪解调算法,F-P动应变传感器可以进行高频率微小振幅的测试,实验上实现了800 Hz激振频率下微小动应变的测量,频率测量误差不超过1.1%,应变灵敏度能够达到100.955 pm/με,约为一般光纤FBG应变传感器(应变约1 pm/με)的100倍;高温实验说明制作的F-P传感器能耐受1 200 ℃的高温。以上理论与实验结果都说明本文所开发的光纤F-P结构的动应变测量系统在高温条件下航空发动机内动应变信号高精度高频率测量和故障诊断领域具有极大的应用潜力。