[發明專利]基于光纖束的熱端部件多通道探頭

在審

• 申請號: 202310167608.2
• 申請日: 2023-02-27
• 公開（公告）號: CN116465526A
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 朱菁;王灝;杜昆;謝芝明;黃惠杰
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24;G01K11/32
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

本發明公開了一種高性能的基于光纖束的熱端部件多通道探頭，涉及發動機熱端部件的溫度和應力檢測領域，由探頭鏡筒、光纖傳像束、耐高溫防護罩、溫度探測器與應力探測器組成。本發明采用三個光窗，其中兩路用于測量應變，一路用于測量溫度，整個光學系統的結構設計緊湊，能夠實現對于熱端部件的局部區域雙目視覺清晰成像，具有耐受1000°高溫、光纖耦合效率高、能量損失少等特點。

技術領域

本發明涉及發動機葉片的應力和溫度檢測領域，提供了一種基于光纖束的熱端部件多通道探頭，具有高穩定性的多通道綜合光學探頭。

背景技術

熱端部件是發動機的核心，發動機及飛機的推力均來自熱端部件。渦輪前溫度的提高使得研發人員更為關注熱端部件的狀態，而熱端部件檢測技術則成為國內外亟需攻克的技術難題。發動機工作在高溫高壓，強磁場等惡劣環境中，熱端部件之所以難以檢測，是因為其形狀復雜，結構緊湊，一些常見的檢測方法在高溫高壓和強電磁干擾的環境下不再適用。如何避免和減弱這些復雜環境因素的影響，完成圖像的高質量傳輸是首要解決的問題。

傳統的鏡片材料無法耐受高溫高壓環境，易發生形變，影響成像效果。因此目前的發動機應力測量裝置的成像鏡片和高溫探頭的鏡筒大都選擇耐高溫材料，但是這種方式成本高昂，而且受現有鏡片材料種類的限制，其所能承受的最高溫度有限。其次現有的探測裝置普遍采用了單通道測量方式，不能實現溫度場和應力場的同時測量。目前的探測裝置采用單一的鏡組成像的方式，探針的后端結構太過龐大，結構極其不合理，給實際的裝配和測試帶來了很大的困難。

發明內容

(一)本發明所要解決的技術問題

針對目前現有探測裝置的不足，本發明提出了一種基于光纖束的多通道探頭，可以實現對于惡劣工作環境下發動機葉片的溫度和應力場的同步測量，更全面的了解葉片的工作狀態。

(二)本發明的技術解決方案

該探頭主要由探頭鏡筒、反射鏡、分束鏡、前組透鏡、溫度探測器、光纖傳像束、應力探測器、耐高溫防護罩與安裝法蘭盤等組成，系統采用三個光窗，其中兩個用于測量應變，一個用于測量溫度。

該探頭鏡筒的一端筒壁上設有通光孔，待測區域反射光經所述通光孔入射至所述的探頭鏡筒內部，依次經所述反射鏡、分束鏡、前組鏡頭、第一二向色鏡分為第一反射光和第一透射光，所述第一反射光進入經第三后組鏡頭被溫度探測器接收，實現溫度場的測量；第一透射光經第二二向色鏡分為第二反射光和第二透射光，所述第二反射光和第二透射光分別經第一后組鏡頭和第二后組鏡頭，最終由第一應力探測器和第二應力探測器接收,完成雙目視覺清晰成像，實現應力場的測量。

本發明前組鏡頭總長為154mm,包括至少4塊球面透鏡，物方數值孔徑為0.05，可以實現對于工作距離為20-100mm范圍內的被測物清晰成像，畸變等像差都控制在了很小的范圍內。

本裝置測溫光窗采用芯徑為1mm的近紅外石英光纖，該光纖可傳輸800-2500nm的光波段。

光纖傳像束是由大量光纖按照一定的規律和順序排列而成的集成光學元件，可以實現光能在二維空間的傳輸和變換，具有重量輕，柔韌性好等優勢，引入光纖傳像束使得整個光學系統的結構更加靈活，打破了傳統的光學系統必須直線或者折線的空間布局，使得探頭結構更加合理，有效解決了探頭裝配和測試難的問題。光纖傳像束的性能主要與數值孔徑和傳輸損耗等參數有關，光纖束的一個端面上成像之后，圖像信息會被分解成與光纖單絲數目相等的像元，在光纖束末端重新匯聚成圖像。本裝置采用的是纖芯直徑為8mm,數值孔徑為0.22的大截面石英光纖傳像束，像素單元數大于50000，穩定性好，損耗低，同時1米的長度也為探頭后端部件的裝配提供了更多的選擇。