航空发动机光纤表面温度测试技术应用研究

周峰

1.中国航发湖南动力机械研究所，湖南 株洲，412002；2.重庆大学光电工程学院，重庆，400044

0 引言

航空发动机代表着一个国家的工业水平、科技实力和综合国力，涉及多门学科协同设计，需要先进的测试技术进行验证。随着我国发动机研制技术的提高，发动机热端部件温度（特别是涡轮前平均温度）不断提高，压气机的级压比和效率也越来越高。与此同时，还要求发动机具有更高的可靠性和更长的寿命。因此，对压气机叶片、涡轮叶片、涡轮盘、机匣、火焰筒、隔热屏等发动机热端部件表面温度分布的设计要求更高，对构件表面温度的测试准确性和全面性要求也将更高，迫切需要提升表面温度测试水平，以满足不同型号、不同部件、不同场合的表面温度测试需求。

光纤传感器作为一种新兴传感器，具有许多优点：耐高温、直径小、重量轻、柔软灵活、寿命长、传输线引出方便[1]。光纤传感器20世纪70年代[2-3]，林启敬等人利用多光束干涉原理设计并制备了光纤F-P传感器，同时设计并搭建了其解调系统，实现了30～1000℃范围内的温度测量；王高等人[4]使用340nm长，直径为0.7nm的蓝宝石光纤制备了超声温度传感器，测量了1800℃高温；Hbisreuther等人[5]制作了基于多模单晶蓝宝石光纤的光纤光栅高温传感器，并使用该传感器测量了1900℃高温，并且其误差在2℃范围内。光纤技术可以同时将温度、压力、振动、应力等多参数在同一个光纤上测量，大大减小了发动机测试与监测传感器的铺设；同时光纤传感器具有较高的分辨率和灵敏度，能抗强磁干扰，在传输过程中没有任何发热和辐射损耗，可远距离和长时间工作。光纤传感所具有的种种优点，可在航空发动机的复杂环境下实现应用。

1 光纤测温技术

1.1 光纤感温原理

光纤测温技术主要有基于布拉格光栅、布里-珀罗、超声和辐射等测温技术。光纤布拉格光栅测温技术通过FBG光器件，拾取满足FBG布拉格条件波长的入射光再进行解调分析，当测量对象的温度和应变发生变化时，FBG的布拉格波长也相应变化，通过分析波长变化即可求出温度和应变的变化。FBG传感原理如图1所示。

图1 FBG 传感原理图

光纤布里-珀罗测温技术在光纤芯里加工出两个不同发射率的反射面形成F-P腔，当腔内反射面的反射率较小时，其多光束干涉就会变成双光束干涉，被测温度变化时会引起F-P腔的折射率发生变化，从而导致反射波谱发生变化，分析反射波谱就能得出被测对象温度。F-P传感原理如图2所示。

图2 F-P 传感原理图

光纤超声测温是利用被测物体温度与超声波声速之间的关系进行测温，其利用光纤本身作为传输介质。光纤辐射测温一般是利用光纤传输被测对象的辐射能量进行测温。

1.2 光纤表面温度传感器

光纤是利用光的全反射原理进行光信号传输的纤维状材料，根据折射率不同可分为内层纤芯和外层包层，纤芯的折射率比包层的折射率大，从而构成全反射条件，使得满足一定入射条件并在其中传输的光波被束缚在纤芯内，且沿着光轴方向前进。为了保护光纤，包层外通常还有涂层等各类保护层。光纤表面温度传感器通过在光纤上进行结构设计，实现对温度的感知，并体现在光信号的特征参数中。

光纤表面温度传感器一般采用布拉格光栅测温技术，传感器的纤芯和包层材料选用石英，其熔点较高，可满足大部分航空发动机的表面温度测试需求。但仅有纤芯和包层的裸光纤往往易碎，需要有涂覆层进行保护才能适应弯曲、振动等应用环境。常规通信光纤的涂覆层材料丙烯酸酯，耐温不超过200℃；聚酰亚胺涂层耐温约300℃；镀金光纤耐温700℃。在超过700℃的测温应用中，一般采用无涂覆层的光纤，但裸光纤较脆，很容易被碰碎，在使用中可套上高温合金管进行保护。

1.3 光纤测温与传统测温方法对比

传统发动机测温技术主要有晶体测温、热电偶测温、示温漆测温与红外测温。晶体测温是以一种用中子辐照过的晶体为信息载体，通过建立起物性（一般用辐照晶体的晶格常数表示）与经历最高温度之间的函数关系，从而实现最高温度测量的技术，其传感器体积小，无需安装导线，适用于各种不规则部件和旋转部件，测温精确度高，但需轻微破坏表面结构，不能进行实时测量，只能得到经历的最高温度。示温漆是一种由示色剂、粘合剂和填料按一定比例调配而成的特殊功能性涂料，能够随外界温度的变化而改变自身颜色；利用示温漆在特定温度范围内显现特定颜色的特性来进行温度测量，其能够进行定性测量，在不干扰气流、不破坏表面的大面积温场下就能获取直观的温度分布；但示温漆精度不够高，不能进行实时测量，只能得到经历的最高温度。两种不同导体在热端和冷端因温度不同时会产生电动势，热电偶通过测量该电动势即可获取其接点的温度，虽能定量实时测量且测量精度高，但只能测量“点”的温度。光纤测温与传统测温方法的对比见表1。

表1 光纤测温与传统测温方法的对比

2 发动机试验应用

2.1 光纤测温流程

使用光纤表面温度传感器进行发动机测温试验时，需要先选取同批次的传感器进行标定试验，随后拟合标定曲线作为后期温度判读的标准和依据。试验前，先根据试验技术要求选取合适的光纤表面温度传感器，明确布设方式，确定具体测试方案；根据测试方案安装好传感器，调试好信号解调仪器，按试验大纲步骤进行测温试验，试验中实时采集传感器光谱信号，依照标定曲线进行温度判读；试验结束后对试验数据进行分析。光纤测温流程如图3所示。

图3 光纤测温流程示意图

2.2 传感器标定

传感器标定是温度判读的依据，是整个测温过程中最关键的环节，直接关系到测温的准确性。光纤表面温度传感器标定时，须让传感器处于没有应力干扰的自由状态，标定的数据才能真实精确。标定所需设备主要有智能控温炉、标准热电偶、热电偶数据采集系统、光纤表面温度传感器高精度信号解调系统。标定前，调好热电偶数据采集系统和光纤表面温度传感器高精度信号解调系统，确认信号输出正常；标定时，将光纤表面温度传感器和标准热电偶一起放入智能控温炉，并确保两者测点位置近似相同，调节智能控温炉温度设定值，从0℃开始，每10℃为一个步长直至达到该光纤表面温度传感器的测温上限，记录稳定状态下各个温度对应的光纤表面温度传感器输出信号的峰值波长。重复三次上述实验，将各个温度下的峰值波长数据取平均值，拟合温度与波长的函数关系，获取同批次该光纤表面温度传感器的标定曲线。判读时，获取未知温度下的光纤表面温度传感器输出信号的峰值波长，反查标定曲线，即可得到该状态下的温度值。

2.3 传感器安装

航空发动机试验环境复杂，采用光纤表面温度传感器测温时，测量不同的发动机部位采用的传感器安装方式也各不相同，要根据待测部件的实际情况选择合适的安装方式。测量200℃以下的冷端部件时，一般使用带聚酰亚胺覆层的光纤表面温度传感器，紧贴测量部件表面，用紫外固化胶固定，用工具将胶水涂抹均匀平整，厚度略高于传感器本体；测量200℃以上的部件或高温部件时，一般使用无覆层的光纤表面温度传感器，用高温胶固定，若测量环境为高温高压强气流冲刷的恶劣环境，可在待测部件表面开槽将传感器埋入，然后用高温胶封住整个槽面，或将传感器封装在高温合金保护管中，保护管焊接在待测部件表面。因光纤表面温度传感器本身的材质特性，其有一定的弯折半径，在传感器安装时一般采用圆弧形走线布局，如图4所示。

图4 光纤表面温度传感器走线布局示意图

2.4 试验应用及误差分析

在某型发动机整机试验中，采用光纤表面温度传感器测量发动机燃烧室火焰筒、尾喷管的表面温度，了解其高温点分布情况。燃烧室火焰筒4个光纤温度测点，均采用传感器开槽埋入高温胶封的安装方式，尾喷管8个光纤温度测点，采用高温合金管保护并焊接的安装方式，两者均采用热电偶测温方法进行对比，光纤温度测点与热电偶温度测点尽可能接近。试验根据图3流程进行，传感器安装完毕后，发动机按照试验大纲进行性能录取试验，试验过程中信号解调系统采集并处理光纤表面温度传感器信号并依照标定曲线进行温度判读。常规光纤测温系统结构示意如图5所示。试验结果显示，燃烧室火焰筒光纤测点温度值与对应热电偶测点温度值较为接近，最大相差17℃，最小相差6℃；尾喷管光纤测点温度值与对应热电偶测点温度值相差较大，最大相差48℃，最小相差25℃。

图5 常规光纤测温系统结构示意图

光纤测温的误差主要有两类，一是信号解调系统的误差，二是导热误差和辐射误差。信号解调系统的误差包括标定误差和应力信号干扰误差，标定误差是传感器标定造成的误差，一般很小；应力信号干扰误差是因为传感器工作时同时受到温度和应变的作用，测试过程需对温度和应变进行解耦，而解耦过程中产生的误差即为应力干扰误差。导热误差是传感器本身的热传导造成的误差，辐射误差是外界环境热辐射造成的误差。发动机试验中燃烧室火焰筒光纤温度测量误差较小，因为其测量误差主要是信号解调系统带来的误差，而其导热误差和辐射的误差小；尾喷管光纤测温效果较差，其标定误差与前者一致，应力信号干扰误差比前者小，但高温合金保护管的导热误差很大，且传感器本体无法与待测部件表面充分接触，所以整体误差较大，该安装方式后续需改进。

3 结语

近年来光纤表面温度测试技术取得了巨大的发展，但随着航空发动机对测试技术需求的不断提高，还需从以下几个方面进行深入研究：①随着发动机性能需求不断提高，测温上限也越来越高，超高温光纤测温需大力开展研究工作；②光纤测温精度受应力影响较大，需加强光纤表面温度传感器信号解调技术研究；③改进光纤表面温度传感器的安装方式，开展溅射或喷涂等新安装技术研究；④制定行业标准和规范，为光纤测温技术的推广应用提供技术指导。