专利名称：一种基于光谱仪组件的非接触式发动机羽焰监测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于光谱仪组件的非接触式发动机羽焰监测装置，属于光学检测领域。
背景技术：
液体火箭发动机高温、高压、强腐蚀、高密度的能量释放的工作条件使其成为整个航天器系统的故障多发部位，因此发动机健康监控技术对于提高发动机和飞行器的安全性、可靠性以及经济性等，有着重要的意义。目前火箭发动机健康监测技术多采用温度、压力传感器等接触式监测技术。这类技术主要存在两方面的不足(1)监测传感器会在一定程度上介入发动机的正常运行，从而增加发动机故障发生的几率；( 不同的传感器设备只能监测发动机系统中局部模块的工况，监控人员缺乏对发动机整体工况的直观感知，直接影响到其对发动机故障判断的及时性和准确性。光谱技术作为一种先进而有效的检测手段可以克服上述缺陷，同时液体火箭发动机的部件在发生磨损、烧蚀等故障时，根据原子辐射理论，不同金属元素会激发出不同的特征谱线，因此磨损烧蚀的金属成分会产生辐射特征谱，表现在羽焰光谱中。通过对羽焰光谱进行采集分析，检测谱线分布及谱线强度来研究羽焰中金属元素的存在情况，进而判断发动机的磨损情况。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于光谱仪组件的非接触式发动机羽焰监测装置， 能够在不影响发动机正常工作的情况下，对发动机的羽焰进行监测，进而判断发动机的健康状态。该装置主要包括前置光学系统、光谱仪组件、支架、路由器、计算机、光纤束、USB数据总线和高速USB2转网络模块。前置光学系统安装在支架上，前置光学系统与光谱仪组件间通过光纤束连接，光谱仪组件通过USB数据总线与高速USB2转网络模块连接，再采用网线依次连接高速USB2转网络模块、路由器和计算机。前置光学系统包括采集光路和瞄准光路。采集光路包括镜头盖、消光筒、测量筒， 透镜、调节筒、光纤座及光纤探头。镜头盖右端通过消光筒与测量筒左端连接，透镜固定于测量筒左端。其中镜头盖用于保护透镜，消光筒用于防止眩光，透镜用于汇聚发动机羽焰中马赫盘的辐射。调节筒安装在测量筒右端，调节筒右端与光纤座连接。光纤座中心有光纤探头凹槽，用于固定光纤探头，所述光纤头固定在光纤束的端部。调节筒用于调整光纤探头与透镜之间的距离，使进入光纤束的能量尽量多。瞄准光路采用内置分划板和背景灯的瞄准镜标准件。瞄准光路通过瞄准镜固定架与采集光路测量筒外圆周的顶部连接。通过调节瞄准镜上的螺钉可改变其左右及俯仰角度。瞄准光路的主要作用是使采集光路可远距离对准羽焰温度较高、金属激发光谱较强的马赫盘部分，使得羽焰马赫盘准确成像在光纤探头上，即保证采集系统能够有效的采集到
金属光谱。前置光学系统测量筒外圆周的底部固定于快接板上，再通过转接板固定在支架上，转动支架调节杆可调整前置光学系统左右及俯仰角度。光谱仪组件采用三通道光纤光谱仪，三路通道相互独立。前置光学系统与光谱仪组件间采用一分三的光纤束连接，为适应现场恶劣环境，光纤束采用铠甲封装。光谱仪组件的三路通道均定在光谱仪组件的仪器箱中。每路通道均包括光纤连接器、球面准直镜、分光光栅、聚焦镜及CCD探测器。经光纤束分出的三根光纤分别与三路通道的光纤连接器连接。每路通道的光路信号为所述光纤与光纤连接器连接，前置光学系统采集到的信号光通过光纤由光纤连接器进入光谱仪组件，信号光先经过球面准直镜成为准直光，再由分光光栅把该准直光色散，经聚焦镜聚焦，最后将聚焦后的光谱投射到CCD探测器上。本发明的工作原理为前置光学系统采集发动机尾焰发出的复合辐射，由光纤传入光谱仪组件，在光谱仪组件内复合辐射先经过球面准直镜成为准直光，再通过分光光栅分解为单色辐射，单色辐射由CCD探测器将模拟信号转换为数字信号，该数字信号通过高速USB2转网络模块由网线端口输出，再经路由器传入计算机。所述数字信号即为羽焰光谱，通过比较该光谱与目标元素理论光谱来判断发动机羽焰中的金属的存在情况，进而判断发动机的磨损情况。有益效果本发明通过对羽焰光谱进行采集分析，提取特征谱，来研究发动机羽焰中金属元素的存在情况，进而判断发动机的磨损情况；同时结合发动机的工况和羽焰光谱强度之间的变化规律，能够快速判断火箭发动机的工作状态，为发动机的故障检测提供有效的依据。本发明可以在不触任何火箭发动机部件的前提下监测其健康状态，对于其整体健康状态有直观显示，整个部件集成度高，工作稳定。
图1为本发明的整体结构示意图；图2为前置光学系统的结构示意图；图3为前置光学系统的光路图；图4为光谱仪组件单个通道的光路图。其中，1-羽焰，2-前置光学系统，3-支架，4-光谱仪组件，5-计算机，6_光纤束， 7-路由器，8-USB数据总线，9-镜头盖，10-消光筒，11-测量筒，12-转接板，13-快接板， 14-调节筒，15-光纤座，16-瞄准光路，17-瞄准镜固定架，18-光纤连接器，19-球面准直镜，20-分光光栅，21-聚焦镜，，22-CXD探测器，23-光纤探头，24-透镜，25-马赫盘，26-高速USB2转网络模块，27-网线。
具体实施例方式下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。本实施例中提供一种基于光谱仪组件的非接触式发动机羽焰监测装置，并将该装置用于在液体火箭发动机上，能够在不影响发动机正常工作的情况在，监测液体火箭发动机的健康状态。如图1所示，该装置主要包括前置光学系统2、光谱仪组件4、支架3、计算机5、光纤束6、USB数据总线8、高速USB2转网络模块沈和路由器7。其连接关系为前置光学系统2安装在支架3上，前置光学系统2与光谱仪组件4间通过光纤束6连接，光谱仪组件4 通过USB数据总线8与高速USB2转网络模块沈连接，再采用网线27依次连接高速USB2 转网络模块26、路由器7和计算机5。前置光学系统2包括采集光路和瞄准光路16，如图2所示。采集光路包括镜头盖 9、消光筒10、测量筒11、透镜M、调节筒14、光纤座15及光纤探头23。镜头盖9右端通过消光筒10与测量筒11右端连接，透镜M固定于测量筒11左端。调节筒14安装在测量筒 11右端，所述调节筒14右端与光纤座15连接。光纤座15中心加工有光纤探头凹槽，用于固定光纤探头23，所述光纤探头23固定在光纤束6端部。瞄准光路16采用了内置分划板和背景灯的瞄准镜标准件。瞄准光路16通过瞄准镜固定架17与测量筒11外圆周的顶部相连。通过调节瞄准镜上的螺钉可改变其左右及俯仰角度。前置光学系统测量筒11外圆周的底部固定在快接板13上，再通过转接板12固定在支架3上，转动支架调节杆可调整前置光学系统2左右及俯仰角度。前置光学系统2中透镜M的直径大小直接决定采集信号的强弱，透过的光越多， 信号越强，信噪比越高。但可见光区的信号会远远大于紫外部分，当透镜直径过大，可见光区的信号在采用IOms以上积分时间时会达到饱和。同时考虑到光谱仪组件采集积分时间不能太小，当积分时间小于IOms时，信号的跳动会很大。故透镜M直径不能太大。经过多次地面搭载试验调整，最终确定本装置中透镜M的直径为50mm，型号为C0L-UV/VIS。如图3所示，为了保证羽焰温度较高、金属激发光谱较强的马赫盘可成像在光纤探头23的端面中心，使采集光路能够有效的采集到金属光谱，现场采集光路与羽焰喷射方向垂直，所述采集光路的光纤探头23与发动机羽焰1中马赫盘25相距50m，并对准马赫盘 25的位置。光纤探头23的芯径为0. 2mm,马赫盘25的直径为50mm 100mm。前置光学系统2在试验前需要先进行标定。标定时首先调整支架3，改变前置光学系统2角度，使马赫盘25所在处的光源在光纤探头23上成清晰的像，然后保持采集光路不动调整瞄准镜角度，使光源在分划板上的像点位于分划板中心，固定瞄准光路16与采集光路的相对位置。试验时首先采用瞄准光路16进行瞄准，调整支架调节杆改变前置光学系统2角度，使马赫盘25中心位置在分划板的像点位于分划板中心，此时羽焰1温度较高、金属激发光谱较强的马赫盘部分即可成像在光纤头端面中心，使采集光路有效的采集到金属光谱。所述前置光学系统2与光谱仪组件4间采用一分三的光纤束6连接，所述光纤束的6芯径为200um，为适应现场恶劣环境，光纤束6采用铠甲封装。根据分辨率和波长范围的要求所述光谱仪组件4为三通道单元，可同时三波段同时采样。每路通道包括光纤连接器18、球面准直镜19、分光光栅20、聚焦镜21及CXD探测器22，如图4所示。每路通道的光路信号为前置光学系统2采集到的信号光由光纤连接器18进入光谱仪组件4，该信号光先经过球面准直镜19成为准直光，再由分光光栅20把该准直光色散，经聚焦镜21聚焦，最后将聚焦后的光谱投射到CCD探测器22上。光谱仪组件各通道配置参数如下通道1 :UF光栅(3600线/mm)，可测光谱范围70_350hm，分辨率0. 05nm ；通道2 =UF光栅(3600线/mm)，可测光谱范围350_400hm，分辨率0. 04nm ；通道3 =UE光栅(M00线/mm)，可测光谱范围400_490hm，分辨率0. 07nm ；光谱仪组件4处理后的数据通过高速USB2转网络模块沈由网线端口输出，再经路由器7传入计算机5。具体的监测步骤为连接控制面板上的网线与三根光纤，将光纤另一端连接到采集光路的光纤座上，将光纤座固定在调节筒上。将试验现场网线的另一端连接到路由器，同时将控制室中连接计算机的网线另一端也连接到路由器(注意路由器主口必须连接一条网线)，使用蓄电池为路由器供电。设置计算机网络为工作组网络，打开仪器箱的工作电源， 运行iVoptek Virtual Link软件，分别连接三个通道，运行AvaSoft74USB2软件，设置200ms 的积分时间，点击开始启动仪器进行光谱采集。进入测量状态后，AvaSoft74USB2软件会实时显示仪器采集到的光谱曲线图，横坐标为波长，纵坐标为光谱强度(相对值)。光谱数据测量的同时会被保存在计算机上。通过比较测量光谱与目标元素理论光谱判断发动机羽焰中是否含有该种目标元素。液体火箭发动机的燃料为液氢液氧，发动机的燃料加注装置控制液氢液氧的加注比K，不同工况对应的K值不同。在发动机试车工作过程中，当燃料加注装置出现故障时， K值发生变化，羽焰光谱在某特定辐射波段也必然发生变化；K值不同时发动机所产生的能量会有所不同，羽焰光谱强度也会产生相应的变化，即各目标元素特征谱强度会随之发生变化。通过本装置能够捕捉到这些信息，实现工况分析。液体火箭发动机共有高、低及额定三种工况，不同工况对应不同的光谱曲线图。每次试验中发动机各个工作时期的K值已知，运用统计学原理分析多次试验不同工况采集到的羽焰光谱数据，研究发动机工况与OH谱及各目标元素特征谱强度之间的对应关系，得出在正常情况下各工况对应的OH谱及各目标元素特征谱的强度范围，当其强度超出范围时即为异常状态。综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于光谱仪组件的非接触式发动机羽焰监测装置，包括支架(3)、计算机(5)、 光纤束(6)、路由器(7)、USB数据总线(8)、高速USB2转网络模块( )，其特征在于，还包括前置光学系统(2)和光谱仪组件(4)；其连接关系为所述前置光学系统(2)安装在支架 (3)上，前置光学系统( 与光谱仪组件间通过光纤束(6)连接，光谱仪组件(4)通过 USB数据总线(8)与高速USB2转网络模块06)连接，再采用网线(JT)依次连接高速USB2 转网络模块06)、路由器(7)和计算机(5)；所述前置光学系统( 包括采集光路和瞄准光路(16)；采集光路包括镜头盖(9)、消光筒(10)、测量筒(11)、透镜(M)、调节筒(14)、光纤座(1 及光纤探头；其连接关系为镜头盖(9)右端通过消光筒(10)与测量筒(11)左端连接，透镜04)固定于测量筒 (11)左端；调节筒(14)安装在测量筒(11)右端，调节筒(14)右端与光纤座(1 连接；光纤座(1 中心有光纤探头凹槽，用于固定光纤探头(23)，所述光纤探头固定在光纤束(6)的端部；所述瞄准光路(16)采用内置分划板和背景灯的瞄准镜标准件；瞄准光路(16)通过瞄准镜固定架(17)与采集光路测量筒(11)外圆周的顶部连接；所述光谱仪组件(4)为三通道光纤光谱仪，光谱仪组件的三路通道均定在光谱仪组件(4)的仪器箱中；每路通道包括光纤连接器(18)、球面准直镜(19)、分光光栅(20)、聚焦镜及CCD探测器02)；经光纤束(6)分出的三根光纤分别与三路通道的光纤连接器(18)连接，每路通道的光路信号为前置光学系统( 采集到的信号光通过光纤连接器 (18)进入光谱仪组件G)，信号光先经过球面准直镜(19)成为准直光，再由分光光栅OO) 把该准直光色散，经聚焦镜聚焦，最后将聚焦后的光谱投射到CCD探测器0 上。
2.如权利要求1所述的一种基于光谱仪组件的非接触式发动机羽焰监测装置，其特征在于，还包括快接板(13)和转接板(12)；所述前置光学系统(2)测量筒(11)外圆周的底部固定于快接板(1 上，再通过转接板(1 固定在支架C3)上。
3.如权利要求1所述的一种基于光谱仪组件的非接触式发动机羽焰监测装置，其特征在于，所述前置光学系统( 与光谱仪组件间采用一分三的光纤束(6)连接。
4.如权利要求1所述的一种基于光谱仪组件的非接触式发动机羽焰监测装置，其特征在于，所述光谱仪组件的三路通道相互独立，可三通道同时采集数据。
5.如权利要求1所述的一种基于光谱仪组件的非接触式发动机羽焰监测装置，其特征在于，所述光纤束(6)采用铠甲封装。
全文摘要
本发明提供一种基于光谱仪组件的非接触式发动机羽焰监测装置，该装置能够在不影响发动机正常工作的情况在，监测发动机的健康状态。其工作原理为前置光学系统采集发动机羽焰中的复合辐射，由光纤传入光谱仪组件，在光谱仪组件内复合辐射先通过光栅分解为单色辐射，再由CCD探测器将模拟信号转换为数字信号。光谱仪组件处理后的数据通过高速USB2转网络模块由网线端口输出，再经路由器传入计算机。计算机接收光谱数据，通过比较该光谱与目标元素理论光谱来判断发动机羽焰中金属的存在情况，便可判断发动机的磨损情况。
文档编号G01N21/62GK102564768SQ201110359930
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月14日 优先权日2011年11月14日
发明者丁仁强, 于涛, 冯斌, 李志刚, 杨晓波, 王一, 管理, 罗啸, 耿卫国, 范秋梅, 董文华, 覃兆飞, 赵晋平, 赵达尊, 陈 峰, 黄庆梅 申请人:北京理工大学, 北京航天试验技术研究所