一种温度传感装置的制作方法

本发明涉及高温测量技术领域，尤其涉及一种温度传感装置。

背景技术：

在新型发动机的研制过程中，由于缺乏燃烧室高温测试手段，燃烧室热防护设计关键依据数据缺失，造成燃烧室可靠性存在隐患，导致发动机地面及飞行试验失败，研制存在较大失利风险。燃烧室内外壁温度、内部各部件温度、气流温度是发动机设计和试验过程中需要掌握的重要参数。准确获取该参数，将为新型发动机燃烧室高温结构可靠性安全设计及动力精确控制设计等提供基础数据。对燃烧室高温进行在线测试，可实时监控燃烧室烧蚀程度，防止烧穿破坏发动机结构，保障发动机结构完好性。此外，这些数据也可以作为发动机推力、气压等参数理论计算的检验和补充，进一步提高理论预测工作的精度。对发动机燃烧室温度进行测试，还可以对发动机的工作状态进行监控，对飞行动力进行精确控制。

目前，在发动机性能研究和材料技术研究持续推进时，高温、快响应温度测试技术进展却极其缓慢，现有技术中常用的温度传感器在测温上限、完整数据获取、动态响应、干扰屏蔽、恶劣环境适应性、使用寿命等方面，无法满足新型发动机现场测温的测温需求，因此亟需相应的测量器件。

技术实现要素：

本发明提供了一种温度传感装置，能够解决现有技术中温度传感装置的测温范围受限且动态响应、干扰屏蔽、使用寿命和恶劣环境适应性差的技术问题。

本发明提供了一种温度传感装置包括：传感头底座，传感头底座与待测物体相接触，传感头底座具有第一空腔和第二空腔；传感头主体部，传感头主体部与传感头底座连接，传感头主体部具有沿其轴向方向设置的第一容纳腔和沿其径向方向设置的第二容纳腔；模拟黑体腔，模拟黑体腔设置在传感头底座内，模拟黑体腔、第一空腔和第二空腔依次相连通，第二空腔与第一容纳腔相对设置；高温光学系统，高温光学系统设置在第一空腔内，高温光学系统用于收集模拟黑体腔发出的光辐射信号；耐高温光纤，耐高温光纤用于接收高温光学系统收集的光辐射信号；光纤固定结构，光纤固定结构设置在第一容纳腔内，光纤固定结构用于固定耐高温光纤；固定顶丝，固定顶丝设置在第二容纳腔内，固定顶丝用于限制光纤固定结构沿传感头主体部的轴向方向的移动；传光光纤，传光光纤与耐高温光纤连接；信号处理系统，信号处理系统用于将传光光纤输出的光辐射信号转换为待测物体的温度。

进一步地，温度传感装置还包括光学装卡部，光学装卡部设置在第二空腔内，光学装卡部用于将高温光学系统固定设置在传感头底座内。

进一步地，耐高温光纤的一端用于接收模拟黑体腔发出的光辐射信号，耐高温光纤的另一端与传光光纤的一端连接，传光光纤的另一端用于将传输的光辐射信号输出至信号处理系统，耐高温光纤的另一端的端面结构形状为凸球状结构，传光光纤的一端的端面结构为凹球状结构。

进一步地，温度传感装置还包括光纤耦合器，传光光纤通过光纤耦合器与耐高温光纤连接。

进一步地，温度传感装置包括第一密封件、第二密封件、第三密封件和第四密封件，第一密封件设置在传感头底座与待测物体之间，第二密封件设置在传感头底座与传感头主体部之间，第三密封件设置在模拟黑体腔和第一空腔之间，第四密封件设置在第一空腔和第二空腔之间。

进一步地，传感头底座包括依次连接的第一段、第二段和第三段，第一段的直径和第三段的直径均小于第二段的直径，第一段为安装接口段，第三段为连接段，传感头底座通过安装接口段与待测物体连接，传感头底座通过连接段与传感头主体部连接。

进一步地，传感头底座、传感头主体部、光学装卡部和光纤固定结构的材料均相同，传感头底座、传感头主体部、光学装卡部和光纤固定结构的材料均包括c/c复合材料、c/sic复合材料或耐高温陶瓷。

进一步地，高温光学系统和耐高温光纤的材料均包括蓝宝石、尖晶石、氧化钇、镧增强氧化钇或铝氧氮化物，传光光纤的材料包括空芯红外光纤、氟化物光纤、金属膜或聚酰亚胺膜光纤。

进一步地，信号处理系统包括微型分光器件、窄带滤波片和处理电路，传光光纤传输的光辐射信号依次通过微型分光器件、窄带滤波片和处理电路。

进一步地，微型分光器件包括微型光栅式分光器件或微型分光镜，处理电路包括可调倍率的前置放大器和宽波段电制冷探测器，处理电路用于将接收到的光辐射信号转换为温度。

应用本发明的技术方案，通过将温度传感装置配置为包括传感头底座和传感头主体部，模拟黑体腔设置在传感头底座内，耐高温光纤设置在传感头主体部内，从而能够通过该种分体结构热传导以降低耐高温光纤的温度，提高温度传感装置的测温上限。再者，耐高温光纤通过光纤固定结构设置在传感头主体部内，由于在耐高温光纤外部设置有光纤固定结构和传感头主体部的双层结构，从而能够保证耐高温光纤耐温，以进一步地提高温度传感装置的测温上限。此外，由于固定顶丝能够限制光纤固定结构沿传感头主体部的轴向方向的移动，从而能够将耐高温光纤固定在传感头主体部的结构内，进而可以提高耐高温光纤和传光光纤之间的耦合效率，提高测量精度。进一步地，本发明通过高温光学系统收集模拟黑体腔发出的光辐射信号并将该光辐射信号投射至耐高温光纤的光纤受光面，传光光纤将耐高温光纤收集的光线传输至信号处理系统进行处理以得到待测物体的温度，此种方式动态响应好、干扰屏蔽强、使用寿命和恶劣环境适应性均较好。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的温度传感装置的结构示意图；

图2示出了图1中提供的温度传感装置的a处的局部放大图；

图3示出了图1中提供的温度传感装置的b处的局部放大图；

图4示出了根据本发明的具体实施例提供的高温光学系统的主视图；

图5示出了图4中高温光学系统的左视图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、传感头底座；10a、第一空腔；10b、第二空腔；11、第一段；12、第二段；13、第三段；20、传感头主体部；21、第一容纳腔；22、第二容纳腔；30、模拟黑体腔；40、高温光学系统；50、耐高温光纤；60、光纤固定结构；70、固定顶丝；80、传光光纤；90、信号处理系统；91、微型分光器件；92、窄带滤波片；93、处理电路；100、光学装卡部；110、光纤耦合器；120、第一密封件；130、第二密封件；140、第三密封件；150、第四密封件。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种温度传感装置，该温度传感装置包括传感头底座10、传感头主体部20、模拟黑体腔30、高温光学系统40、耐高温光纤50、光纤固定结构60、固定顶丝70、传光光纤80和信号处理系统90，传感头底座10与待测物体相接触，传感头底座10具有第一空腔10a和第二空腔10b，其中，传感头主体部20与传感头底座10连接，传感头主体部20具有沿其轴向方向设置的第一容纳腔21和沿其径向方向设置的第二容纳腔22，模拟黑体腔30设置在传感头底座10内，模拟黑体腔30、第一空腔10a和第二空腔10b依次相连通，第二空腔10b与第一容纳腔21相对设置，高温光学系统40设置在第一空腔10a内，高温光学系统40用于收集模拟黑体腔30发出的光辐射信号，耐高温光纤50用于接收高温光学系统40收集的光辐射信号，光纤固定结构60设置在第一容纳腔21内，光纤固定结构60用于固定耐高温光纤50，固定顶丝70设置在第二容纳腔22内，固定顶丝70用于限制光纤固定结构60沿传感头主体部20的轴向方向的移动，传光光纤80与耐高温光纤50连接，信号处理系统90用于将传光光纤80输出的光辐射信号转换为待测物体的温度。

应用此种配置方式，通过将温度传感装置配置为包括传感头底座10和传感头主体部20，模拟黑体腔30设置在传感头底座10内，耐高温光纤50设置在传感头主体部20内，从而能够通过该种分体结构热传导以降低耐高温光纤50的温度，提高温度传感装置的测温上限。再者，耐高温光纤50通过光纤固定结构60设置在传感头主体部20内，由于在耐高温光纤50外部设置有光纤固定结构60和传感头主体部20的双层结构，从而能够保证耐高温光纤50耐温，以进一步地提高温度传感装置的测温上限。此外，由于固定顶丝70能够限制光纤固定结构60沿传感头主体部20的轴向方向的移动，从而能够将耐高温光纤50固定在传感头主体部20的结构内，进而可以提高耐高温光纤50和传光光纤80之间的耦合效率，提高测量精度。进一步地，本发明通过高温光学系统40收集模拟黑体腔30发出的光辐射信号并将该光辐射信号投射至耐高温光纤50的光纤受光面，传光光纤80将耐高温光纤50收集的光线传输至信号处理系统90进行处理以得到待测物体的温度，此种方式动态响应好、干扰屏蔽强、使用寿命和恶劣环境适应性均较好。

进一步地，在本发明中，为了固定高温光学系统50以提高测温精度，可将温度传感装置配置为还包括光学装卡部100，光学装卡部100设置在第二空腔10b内，光学装卡部100用于将高温光学系统40固定设置在传感头底座10内。具体地，如图4和图5所示，高温光学系统40可采用球面镜，其尺寸为直径11mm，厚度3mm，通过光学设计，设计透镜两表面的曲率半径分别为10.806mm和35.568mm，透镜物距为47.5mm，像距为12.5mm。安装时，将高温光学系统40放入传感头底座10的第一空腔11内，光学装卡部100放入第二空腔12内并与传感头底座10连接以将高温光学系统40固定。

此外，作为本发明的一个具体实施例，待测物体为发动机燃烧室，模拟黑体腔30与传感头底座10设计为一体，其腔长比一般需大于4，且内部表面为粗糙表面，以确保其黑体辐射性能，腔长比为模拟黑体腔30的腔体直径与长度的比值。高温光学系统40需要进行光学设计，制作球形面或非球形面使其收集待测物体的光辐射信号，投射至耐高温光纤的受光端面，高温光学系统40采用耐高温光学材料制作，可选材料包括蓝宝石、尖晶石、氧化钇、镧增强氧化钇、铝氧氮化物等，需耐受1800℃上高温，并且其热膨胀需与前后安装结构匹配，避免出现热膨胀开裂损坏。在使用的过程中，高温光学系统40收集模拟黑体腔30的光辐射信号并将其传输给耐高温光纤50，耐高温光纤50将该光辐射信号传输至传光光纤80，并经传光光纤80将光辐射信号输出至信号处理系统90进行处理，以将光辐射信号转换为发动机燃烧室的温度。

进一步地，在本发明中，耐高温光纤50的一端用于接收模拟黑体腔30发出的光辐射信号，耐高温光纤50的另一端与传光光纤80的一端连接，传光光纤80的另一端用于将传输的光辐射信号输出至信号处理系统90，为了提高耐高温光纤50与传光光纤80之间的耦合效率，如图2和图3所示，可将耐高温光纤50的另一端的端面结构形状设置为凸球状结构，传光光纤80的一端的端面结构设置为凹球状结构。

应用此种配置方式，通过将耐高温光纤50与传光光纤80之间的耦合方式设置为球面耦合，从而能够确保光纤之间的耦合效率，进而提高收集光线的效率，实现低损耗光学传输。在此种方式下，即使被测物体表面温度较低，由于光纤之间的耦合效率较高，也能够保证物体温度的测量精度。具体地，在本发明中，耐高温光纤50采用耐高温光学材料制作，可选材料包括蓝宝石、尖晶石、氧化钇、镧增强氧化钇或铝氧氮化物，耐高温光纤50需耐受1800℃上高温，并且其热膨胀需与前后安装结构匹配，避免出现热膨胀开裂损坏。

此外，作为本发明的其他实施例，耐高温光纤50的表面也可采用非球面表面，通过对耐高温光纤50的端部表面进行光学处理，能够增加光学效率，提高某些波段的光谱灵敏度。

进一步地，在本发明中，为了实现耐高温光纤50与传光光纤80之间的可靠连接，可将温度传感装置配置为还包括光纤耦合器110，传光光纤80通过光纤耦合器110与耐高温光纤50连接。具体地，在本发明中，光纤耦合器110和传光光纤80均为耐高温部件，光纤耦合器110可采用不锈钢等材料制作，耐温为300℃以上，传光光纤80可采用空芯红外光纤、氟化物光纤、金属膜或聚酰亚胺膜光纤制作，耐温为300℃以上。

在本发明中，如图1所示，为了确保温度传感装置测量过程的密封性，避免发动机燃烧室的热气流通过传感装置溢出，可将温度传感装置配置为包括第一密封件120、第二密封件130、第三密封件140和第四密封件150，第一密封件120设置在传感头底座10与待测物体之间，第二密封件130设置在传感头底座10与传感头主体部20之间，第三密封件140设置在模拟黑体腔30和第一空腔10a之间，第四密封件150设置在第一空腔10a和第二空腔10b之间。

作为本发明的一个具体实施例，可采用密封圈作为第一密封件120、第二密封件130、第三密封件140和第四密封件150，其中，密封圈采用耐高温密封材料制作，可选材料包括石墨等，通过将第一密封件120和第二密封件130加工成与传感头底座匹配的形状，以确保测量过程的密封性，同时第一密封件120和第二密封件130的尺寸均留有余量，以避免在工作过程中由于热膨胀不匹配导致密封性能下降。

进一步地，在本发明中，如图1所示，传感头底座10包括依次连接的第一段11、第二段12和第三段13，第一段11的直径和第三段13的直径均小于第二段12的直径，第一段11为安装接口段，第三段13为连接段，传感头底座10通过安装接口段与待测物体连接，传感头底座10通过连接段与传感头主体部20连接。

应用此种配置方式，温度传感组件通过安装接口段可被安装在被测发动机燃烧室被测部位，第一密封件120套设在安装接口段上，以实现被测发动机燃烧室与传感头底座10之间的密封，避免破坏燃烧室的燃烧状态。传感头底座10通过连接段与传感头主体部20连接，第二密封件130套设在连接段上以实现传感头底座10与传感头主体部20之间的密封。

在本发明中，为了避免温度传感装置各部分热膨胀不均导致测量精度下降，可将传感头底座10、传感头主体部20、光学装卡部100和光纤固定结构60的材料配置为均相同，传感头底座10、传感头主体部20、光学装卡部100和光纤固定结构60的材料均包括c/c复合材料、c/sic复合材料或耐高温陶瓷。

具体地，传感头底座10采用耐高温绝热材料制作，可选材料包括c/c复合材料、c/sic复合材料或耐高温陶瓷，其需要耐受2600℃以上高温，并且其热膨胀需与被测部位匹配，避免出现热膨胀开裂损坏。传感头主体部20采用耐高温绝热材料制作，可选材料包括c/c复合材料、c/sic复合材料或耐高温陶瓷，需要耐受2000℃以上高温并且其热膨胀需与前后安装结构匹配，避免出现热膨胀开裂损坏。光学装卡部100采用耐高温绝热材料制作，可选材料包括c/c复合材料、c/sic复合材料或耐高温陶瓷，需要耐受2600℃以上高温，并且其热膨胀需与被测部位匹配，避免出现热膨胀开裂损坏，也可增加堵头保证，利用热平衡和光学测温结合实现测量。光纤固定结构60采用耐高温绝热材料制作，可选材料包括c/c复合材料、c/sic复合材料或耐高温陶瓷，需要耐受2000℃以上高温，并且其热膨胀需与前后安装结构匹配，避免出现热膨胀开裂损坏。

进一步地，在本发明中，为了将采集到的光辐射信号转换为温度，可将信号处理系统90配置为包括微型分光器件91、窄带滤波片92和处理电路93，传光光纤80传输的光辐射信号依次通过微型分光器件91、窄带滤波片92和处理电路93。

应用此种配置方式，传光光纤80输出与被测物体温度成比例的光辐射信号，该光辐射信号依次通过微型分光器件91、窄带滤波片92和处理电路93进行光辐射信号处理，从而能够得到被测物体的温度。

作为本发明的一个具体实施例，微型分光器件91包括微型光栅式分光器件或微型分光镜，其可实现多光谱、比色测温、多比色测温算法等，避免发射率的影响，提高测温精度。处理电路93采用可调倍率的前置放大器，配合宽波段电制冷探测器处理光辐射信号，能够实现-40℃至2600℃范围内的温度测量。窄带滤波片92设置在微型分光器件91和处理电路93之间，能够提高波长准确性并消除杂散光，提高温度传感装置的测温精度。

进一步地，在本发明中，为了实现温度传感装置各部分的装配连接，考虑工艺简便性，可将传感头底座10与传感头主体部20之间的连接、光学装卡部100与传感头底座10之间的连接以及传感头主体部20和光纤耦合器110之间的连接均设置为螺纹连接。此处不做限制，作为本发明的其他实施例，也可将传感头底座10与传感头主体部20之间的连接、光学装卡部100与传感头底座10之间的连接以及传感头主体部20和光纤耦合器110之间的连接均设置为通过其他装卡结构连接。

为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1至图5对本发明的温度传感装置的工作过程进行详细说明。

作为本发明的一个具体实施例，待测物体为发动机燃烧室，温度传感装置包括传感头底座10、高温光学系统40、模拟黑体腔30、传感头主体部20、耐高温光纤50、光学装卡部100、光纤固定结构60、光纤耦合器110和传光光纤80，传感头底座10、传感头主体部20、光学装卡部100和光纤固定结构60均采用耐高温绝热的c/c复合材料制作，并且各个部件热膨胀需与各自前后安装结构匹配，避免出现热膨胀开裂损坏。其中，传感头底座10和光学装卡部100可耐受2600℃以上高温，传感头主体部20和光纤固定结构60可耐受2000℃以上高温。耐高温光纤50采用耐高温光学材料蓝宝石、尖晶石制作，可耐受1800℃上高温，并且其热膨胀需与前后安装结构匹配，避免出现热膨胀开裂损坏，其尺寸为直径1mm，长度为58mm。光纤耦合器110采用不锈钢材料制作，耐温为300℃以上，传光光纤80采用金属膜的石英光纤，耐温为300℃以上，石英光纤芯径为1mm，与耐高温光纤50耦合。模拟黑体腔30与传感头底座10设计为一体，其腔长比为6，且内部表面喷砂为粗糙表面，确保其黑体辐射性能。

传感头底座10为传感装置与被测发动机燃烧室的安装中转结构，通过安装接口，温度传感装置被安装在被测发动机燃烧室被测部位。第一密封件120设置在测发动机燃烧室和传感头底座10之间，第二密封件130设置在传感头底座10与传感头主体部20之间，通过第一密封件120和第二密封件130以确保温度传感装置的密封，不破坏燃烧室的燃烧状态。高温光学系统采用球面镜，其尺寸为直径11mm，厚度3mm，通过光学设计，设计透镜两表面的曲率半径分别为10.806mm和35.568mm，透镜物距为47.5mm，像距为12.5mm。模拟黑体腔30与传感头底座10设计为一体，模拟黑体腔30产生黑体辐射，以便于温度测量。传感头主体部20固定耐高温光纤50，并起到保护作用。高温光学系统40收集模拟黑体腔30发出的光辐射信号并传输给耐高温光纤50，实现光线传输。传光光纤80与光纤耦合器110将耐高温光纤50收集的光辐射信号传输至外部，通过处理电路，对光辐射信号进行处理，得到被测目标温度值。光纤固定结构60通过耐高温胶固定耐高温光纤50，通过固定顶丝70将其固定在传感头主体部20内，使其在整个测试过程中位置固定。

在使用的过程中，传感头底座10通过安装接口被安装在被测发动机燃烧室被测部位，模拟黑体腔30与发动机燃烧室表面迅速达到热平衡，模拟黑体腔30的温度就是发动机燃烧室表面的温度。高温光学系统40收集模拟黑体腔30发出的光辐射信号，并将该光辐射信号投射至耐高温光纤50的受光面，接着耐高温光纤50将该光辐射信号传输至传光光纤80，传光光纤80将光辐射信号输出至微型分光器件91、窄带滤波片92和处理电路93进行处理，利用光电信号探测装置对其进行测量，通过测量光辐射信号量值，可得到被测目标的温度。

经测试，本发明所提供的温度传感装置能够达到的技术指标主要有：1)温度测量范围：-40℃～2600℃；2)温度测量精度：2％(-40℃～1600℃)；3％(1600℃～2600℃)；3)响应时间：<100ms；4)传感头重量：<300g。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。