耐高温高压结构热-声-振三参数集成原位传感器及系统

本申请涉及传感器领域，具体而言，涉及一种耐高温高压结构热-声-振三参数集成原位传感器及系统。

背景技术：

固体火箭发动机、航天液体火箭发动机、航空发动机、石油开采、核能源开发等领域，其工作过程均伴随有高温高压等极端和复杂环境，其内部的工作部件在这样恶劣和复杂的条件下工作，不可避免的受到热、声、振等多种因素的影响，进而设备工作的稳定性就会极大的受到影响。在多种因素的综合作用下甚至会造成极大的破坏性，导致设备无法正常工作或爆炸解体。综上，实现热-声-振三种参数的原位同步测试，对其工作过程内部能量转换的规律掌握及机械结构设计和防护具有重要意义。

目前，研究人员在高温单一参数、高压单一参数测试领域研究较多，但在高温高压极端环境和复杂条件下的多参数同步测试方面仍缺乏可行手段。如传统硅基传感器件在高温(>125℃)时，其器件结构将会失效，基于各种耐高温材料制作的一些传感器件(如压电式、压阻式、电阻式)等也难以在超过600℃高温环境下生存，基于石英光纤的传感器件可靠性工作温度也在1100℃，基于蓝宝石的光栅器件仅能测试1600℃的高温，而在此高温下的其它参量测试尚缺乏可靠性传感性结构。此外，一些可以耐高温的传感器件也仅限于单一参数(如压力)的测试，加之封装结构，整个传感器体积较大，不适合在狭小空间或测试不能受传感器件影响的环境中使用，采用多个传感器测量不同参数，不能做到空间同步测试。

因此，需要一种能准确、稳定的在高温高压环境下测量热-声-振的装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种耐高温高压结构热-声-振三参数集成原位传感器及系统，以解决现有技术中需要一种能准确、稳定的在高温高压环境下测量热-声-振的装置的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请提供一种耐高温高压结构热-声-振三参数集成原位传感器，传感器包括：热量检测装置、声音检测装置和振动检测装置；声音检测装置和振动检测装置分布设置在热量检测装置的两侧；其中，声音检测装置包括：主体结构、第一体光栅、第二体光栅和第一光纤，主体结构内部设置有孔洞，孔洞为长方体，长方体孔洞的两个相对的面上分别设置有第一体光栅和第二体光栅，第一光纤设置在主体结构的外部，且靠近第一体光栅；热量检测装置为第二光纤，第二光纤内部设置有布拉格光栅，布拉格光栅与第二光纤的光轴垂直；振动检测装置包括：第三体光栅、第四体光栅、腔体结构、第三光纤和振动膜，腔体结构为空腔结构，腔体结构的材料为半反半透材料，且腔体结构的空腔内部相对的两个面上分别设置有第三体光栅和第四体光栅，振动膜设置在腔体结构内部，且垂直于第三体光栅和第四体光栅的连线，振动膜的中央位置设置有透光孔，第三光纤设置在腔体结构外部，且靠近第三体光栅。

可选地，该热量检测装置、声音检测装置和振动检测装置的材料均为蓝宝石材料。

可选地，该空腔内部设置第三体光栅和第四体光栅两个面上设置的反射膜为增反膜，且增反膜的材料为高反射材料。

可选地，该第一体光栅和第二体光栅均为高反射体光栅。

可选地，该振动膜的材料为弹性材料。

可选地，该腔体结构的空腔结构的形状为长方体结构。

可选地，该振动检测装置还包括第二振动膜，第二振动膜中央位置设置有第二透光孔，且设置在腔体结构内部，并平行于振动膜。

可选地，该第二振动膜的材料为弹性材料。

第二方面，本申请提供一种耐高温高压结构热-声-振三参数集成原位传感系统，系统包括：光源、第一光谱仪、第二光谱仪第三光谱仪、计算机和第一方面任意一项的耐高温高压结构热-声-振三参数集成原位传感器，光源设置在第一光纤、第二光纤和第三光纤的一端，分别用于给第一光纤、第二光纤和第三光纤提供光信号，第一光谱仪设置设置在声音检测装置的光信号输出端，用于获取声音检测装置出射的光信号的光谱，第二光谱仪设置设置在热量检测装置的光信号输出端，用于获取热量检测装置出射的光信号的光谱，第三光谱仪设置设置在振动检测装置的光信号输出端，用于获取振动检测装置出射的光信号的光谱，计算机分别与第一光谱仪、第二光谱仪和第三光谱仪均通信连接，用于分别根据出射的光信号的光谱与待测声音和/或温度和/或振动的对应关系，得到待测声音和/或温度和/或振动。

本发明的有益效果是：

本申请提供的耐高温高压结构热-声-振三参数集成原位传感器包括：热量检测装置、声音检测装置和振动检测装置；声音检测装置和振动检测装置分布设置在热量检测装置的两侧；其中，声音检测装置包括：主体结构、第一体光栅、第二体光栅和第一光纤，主体结构内部设置有孔洞，孔洞为长方体，长方体孔洞的两个相对的面上分别设置有第一体光栅和第二体光栅，第一光纤设置在主体结构的外部，且靠近第一体光栅；热量检测装置为第二光纤，第二光纤内部设置有布拉格光栅，布拉格光栅与第二光纤的光轴垂直；振动检测装置包括：第三体光栅、第四体光栅、腔体结构、第三光纤和振动膜，腔体结构为空腔结构，腔体结构的材料为半反半透材料，且腔体结构的空腔内部相对的两个面上分别设置有第三体光栅和第四体光栅，振动膜设置在腔体结构内部，且垂直于第三体光栅和第四体光栅的连线，振动膜的中央位置设置有透光孔，第三光纤设置在腔体结构外部，且靠近第三体光栅；当需要对热量、声音和振动进行测量时，仅需要获取热量检测装置、声音检测装置和振动检测装置的出射的光信号的光谱，分别通过热量检测装置、声音检测装置和振动检测装置的出射的光信号的光谱的变化情况，与待测的热量信息、声音信息和振动信息的对应关系，得到待测的热量信息、声音信息和振动信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种耐高温高压结构热-声-振三参数集成原位传感器的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的一种耐高温高压结构热-声-振三参数集成原位传感器的立体图示意图；

图3为本发明一实施例提供的一种耐高温高压结构热-声-振三参数集成原位传感器的声音检测装置接收声音信号谱线漂移图；

图4为本发明一实施例提供的一种耐高温高压结构热-声-振三参数集成原位传感器的的热量检测装置的布拉格光栅中心波长变化图；

图5为本发明一实施例提供的一种耐高温高压结构热-声-振三参数集成原位传感器的为振动检测装置接收振动信号谱线漂移图。

图标：1-声音检测装置；2-热量检测装置；3-振动检测装置；4-第一光纤；5-主体结构；6-第一体光栅；7-孔洞；8-第二体光栅；9-第二光纤；10-布拉格光栅；11-第三光纤；12-腔体结构；13-第三体光栅；14-第四体光栅；15-振动膜；16-透光孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

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定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。

图1为本发明一实施例提供的一种耐高温高压结构热-声-振三参数集成原位传感器的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的一种耐高温高压结构热-声-振三参数集成原位传感器的立体图示意图；如图1和图2所示；本申请提供一种耐高温高压结构热-声-振三参数集成原位传感器，传感器包括：热量检测装置2、声音检测装置1和振动检测装置3；声音检测装置1和振动检测装置3分布设置在热量检测装置2的两侧；其中，声音检测装置1包括：主体结构5、第一体光栅6、第二体光栅8和第一光纤4，主体结构5内部设置有孔洞7，孔洞7为长方体，长方体孔洞7的两个相对的面上分别设置有第一体光栅6和第二体光栅8，第一光纤4设置在主体结构5的外部，且靠近第一体光栅6；热量检测装置2为第二光纤9，第二光纤9内部设置有布拉格光栅10，布拉格光栅10与第二光纤9的光轴垂直；振动检测装置3包括：第三体光栅13、第四体光栅14、腔体结构12、第三光纤11和振动膜15，腔体结构12为空腔结构，腔体结构12的材料为半反半透材料，且腔体结构12的空腔内部相对的两个面上分别设置有第三体光栅13和第四体光栅14，振动膜15设置在腔体结构12内部，且垂直于第三体光栅13和第四体光栅14的连线，振动膜15的中央位置设置有透光孔16，第三光纤11设置在腔体结构12外部，且靠近第三体光栅13。

本申请的耐高温高压结构热-声-振三参数集成原位传感器包括：热量检测装置2、声音检测装置1和振动检测装置3三部分，其中，声音检测装置1和振动检测装置3分别设置在该振动检测装置3的两侧，该声音传感器包括：主体结构5、第一体光栅6、第二体光栅8和第一光纤4，主体结构5内部设置有孔洞7，孔洞7为长方体，长方体孔洞7的两个相对的面上分别设置有第一体光栅6和第二体光栅8，第一光纤4设置在主体结构5的外部，且靠近第一体光栅6，该主体结构5中的孔洞7的具体几何参数根据实际需要进行选择，在此不做具体限定，在该主体结构5的两个相对的面上分别设置有第一体光栅6和第二体光栅8，该第一体光栅6和第二体光栅8用于增加该主体结构5内部的反射率，该第一光纤4设置在该主体结构5的外部，且靠近第一体光栅6，该第一光纤4用于将光信号传递到该主体结构5的孔洞7中，由于该主体结构5的孔洞7相当于一个法布里-珀罗腔，光信号通过该第一光纤4进入到该法布里-珀罗腔内部，在该法布里-珀罗腔进行多次反射形成干涉光，并通过该法布里-珀罗腔的输出端进行输出，当待测声音作用于该声音传感器时，该声音传感器的法布里-珀罗腔发生形变，进而使得法布里-珀罗腔内部的光束干涉谱线发生改变，通过对光束干涉谱线进行检测，并通过该光束干涉谱线与待测声音强度的对应关系，得到待测声音强度；热量检测装置2为在第二光纤9上设置的布拉格光栅10结构，且该布拉格光栅10与该第二光纤9的轴线垂直，由于布拉格光栅10结构具有热敏性，则该热量检测装置2会在待测热量的作用下产生形变，即改变布拉格光栅10反射的光的中心波长，通过布拉格光栅10反射的光的中心波长的变化量的检测，并通过布拉格光栅10反射的光的中心波长的变化量与待测热量或温度的对应关系，得到待测热量或者温度；振动检测装置3包括：第三体光栅13、第四体光栅14、腔体结构12、第三光纤11和振动膜15，该腔体结构12的形状一般为长方体结构，该长方体结构的腔体结构12内部的两侧分别设置有第三体光栅13和第四体光栅14，该腔体结构12内部的中央位置设置有该振动膜15，该振动膜15与该第三体光栅13和第四体光栅14连线水质，且该振动膜15中央位置设置有有透光孔16，第三光纤11设置在腔体结构12外部，且靠近第三体光栅13，光信号通过该第三光纤11的输入端进入到该腔体内部，光信号在该腔体内部进行多次反射，并通过该振动膜15的透光孔16，使得光信号在该法布里-珀罗腔形成高斯光线，即光信号全部穿过该透光孔16，从该振动传感器的光的出射端对光传输量进行检测，当需要对振动进行检测的时候，将本申请的振动传感器设置在待测平面上，待测平台振动使得该振动传感器发生共振，进而使得该振动膜15的位置发生改变，进而改变该振动传感器出射端的光的光传输量，通过计算得到腔体结构12内部的光传输量的变化，并根据通过光传输量的变化与振动信息的对应关系，得到振动信息，该振动信息可以是振动的等级，也可以是振动的能量参数，在此不做具体限定，根据出射的光信号的光谱与待测声音和/或温度和/或振动的对应关系，根据实验测量得到，在此不做具体限定。

图3为本发明一实施例提供的一种耐高温高压结构热-声-振三参数集成原位传感器的声音检测装置接收声音信号谱线漂移图；图4为本发明一实施例提供的一种耐高温高压结构热-声-振三参数集成原位传感器的的热量检测装置的布拉格光栅中心波长变化图；图5为本发明一实施例提供的一种耐高温高压结构热-声-振三参数集成原位传感器的为振动检测装置接收振动信号谱线漂移图；如图3、图4和图5所示，其中，图3中的横坐标为频率，纵坐标为光传输量；图4中横坐标为波长，纵坐标为光传输量；图4中横坐标为频率，纵坐标为光传输量，通过图3、图4和图5可以得到在测量待测信息后，该热量检测装置2、声音检测装置1和振动检测装置3发生形变，使得光的传输量增加，频率和波长均左移。

该耐高温高压结构热-声-振三参数集成原位传感器的工作原理如下：

1)传感器由热量检测装置2、声音检测装置1和振动检测装置3三部分构成，整体为一体化结构，各部分只对特定物理量敏感。热量检测装置2为布拉格光栅10，光从第二光纤9一端输入，大部分光在布拉格光栅10处被反射，少部分光由第二光纤9另一端透射输出，当温度改变时，布拉格光栅10反射的光的中心波长会发生变化，以此来传感温度。在此过程中，通过布拉格光栅10实现大带宽高反射光谱，实现在高温环境下的传感检测。2)声音检测装置1构成法布里-珀罗腔结构。其中，光从第一光纤4一端输入，然后进入法布里-珀罗腔中，在法布里-珀罗腔的空气中发生谐振，通过检测反射光或透射光获得法布里-珀罗腔的谐振频率。当外界有声波信号时，声波信号压缩法布里-珀罗腔中心的空气，引起空气折射率的变化，从而影响法布里-珀罗腔内谐振光束的传播，最终导致法布里-珀罗腔谐振频率的漂移，以此来检测声音信号。体光栅用于增强光在主体结构5和空气界面的反射，提高法布里-珀罗腔的精细度，增加声音检测的灵敏度。3)振动检测装置3的法布里-珀罗腔结构，空气通过振动膜15中心的透光孔16贯通。本结构中振动膜15用于敏感振动信号产生位移，光阑会限制法布里-珀罗腔的谐振光束的传输，从而引起法布里-珀罗腔谐振频率的漂移。

本发明创造性地提出耐高温高压结构热-声-振三参数集成原位传感器，传感器，通过包含热量检测装置2、声音检测装置1和振动检测装置3的结构进行温度、声音、振动信号的同步测量，是热-声-振测量领域的创新。本发明不仅局限于高温高压环境，在常温常压等其它温度和压强环境下，也具有适用性。

可选地，该热量检测装置2、声音检测装置1和振动检测装置3的材料均为蓝宝石材料。

蓝宝石材料构成的热量检测装置2、声音检测装置1和振动检测装置3，使得在该声音检测装置1和振动检测装置3中均形成“蓝宝石-空气-蓝宝石”法布里-珀罗腔结构，使得对热量、声音和振动的检测更加准确，另外，1、耐高温高压结构热-声-振三参数集成原位传感器全部采用蓝宝石单晶制作，为蓝宝石同质材料一体化结构，可以消除高温应力失配，保证传感器在高温条件下的高可靠性工作。2、热量检测装置2为固态蓝宝石晶体上的布拉格光栅10，噪声传感结构为开口的法布里-珀罗结构，振动传感结构均为开口的法布里结构，不存在密封的空腔结构，保证了传感器在高压条件下的高可靠性工作。3、声音检测装置1和振动检测装置3所基于的法布里-珀罗结构，采用飞秒激光逐层扫描，在法布里-珀罗结构内壁加工成高反射体光栅，代替传统的高反射率介质膜或金属膜，保证高温环境下光的高反射率。4、耐高温高压结构热-声-振三参数集成原位传感器的传感结构相互独立，可以避免三参数交叉耦合问题；同时，三参量集成的一体化结构，体积小，可以实现热-声-振的时空同步原位测量。

可选地，该空腔内部设置第三体光栅13和第四体光栅14两个面上设置的反射膜为增反膜，且增反膜的材料为高反射材料。

该增反膜的材料为高反射材料，高反射材料的增反膜用于进一步增加该法布里-珀罗腔光的反射，通过减少光信号的损耗，提高对振动检测的准确性。

可选地，该第一体光栅6和第二体光栅8均为高反射体光栅。

可选地，该振动膜15的材料为弹性材料。

该振动膜15的材料为弹性材料，弹性材料的振动膜15在外力的作用下发生形变，进行振动，还可以在外力消失的时候，恢复原状。

可选地，该腔体结构12的空腔结构的形状为长方体结构。

可选地，该振动检测装置3还包括第二振动膜15，第二振动膜15中央位置设置有第二透光孔，且设置在腔体结构12内部，并平行于振动膜15。

通过该振动膜15的透光孔16的光信号，在通过该第二振动膜15的透光孔16，进一步的使得对振动的检测更加灵敏，并且准确率更高，该振动膜15和该第二振动的材质和其他参数均相同，该第二透光孔的形状和半径根据实际需要进行选择，在此不做具体限定。

可选地，该第二振动膜15的材料为弹性材料。

本申请提供的耐高温高压结构热-声-振三参数集成原位传感器包括：热量检测装置2、声音检测装置1和振动检测装置3；声音检测装置1和振动检测装置3分布设置在热量检测装置2的两侧；其中，声音检测装置1包括：主体结构5、第一体光栅6、第二体光栅8和第一光纤4，主体结构5内部设置有孔洞7，孔洞7为长方体，长方体孔洞7的两个相对的面上分别设置有第一体光栅6和第二体光栅8，第一光纤4设置在主体结构5的外部，且靠近第一体光栅6；热量检测装置2为第二光纤9，第二光纤9内部设置有布拉格光栅10，布拉格光栅10与第二光纤9的光轴垂直；振动检测装置3包括：第三体光栅13、第四体光栅14、腔体结构12、第三光纤11和振动膜15，腔体结构12为空腔结构，腔体结构12的材料为半反半透材料，且腔体结构12的空腔内部相对的两个面上分别设置有第三体光栅13和第四体光栅14，振动膜15设置在腔体结构12内部，且垂直于第三体光栅13和第四体光栅14的连线，振动膜15的中央位置设置有透光孔16，第三光纤11设置在腔体结构12外部，且靠近第三体光栅13；当需要对热量、声音和振动进行测量时，仅需要获取热量检测装置2、声音检测装置1和振动检测装置3的出射的光信号的光谱，分别通过热量检测装置2、声音检测装置1和振动检测装置3的出射的光信号的光谱的变化情况，与待测的热量信息、声音信息和振动信息的对应关系，得到待测的热量信息、声音信息和振动信息。

本申请提供一种耐高温高压结构热-声-振三参数集成原位传感系统，系统包括：光源、第一光谱仪、第二光谱仪第三光谱仪、计算机和上述任意一项的耐高温高压结构热-声-振三参数集成原位传感器，光源设置在第一光纤4、第二光纤9和第三光纤11的一端，分别用于给第一光纤4、第二光纤9和第三光纤11提供光信号，第一光谱仪设置设置在声音检测装置1的光信号输出端，用于获取声音检测装置1出射的光信号的光谱，第二光谱仪设置设置在热量检测装置2的光信号输出端，用于获取热量检测装置2出射的光信号的光谱，第三光谱仪设置设置在振动检测装置3的光信号输出端，用于获取振动检测装置3出射的光信号的光谱，计算机分别与第一光谱仪、第二光谱仪和第三光谱仪均通信连接，用于分别根据出射的光信号的光谱与待测声音和/或温度和/或振动的对应关系，得到待测声音和/或温度和/或振动。

以上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。