[发明专利]基于光纤传感器的陶瓷基复合材料结构温度测试方法

说明书

本发明涉及一种基于光纤传感器的陶瓷基复合材料结构温度测试方法，属于航空发动机测试技术领域。该方法是在陶瓷基复合材料基材的曲面零件表面，制备耐高温陶瓷复合涂层对柔性光纤传感器进行安装固定，通过预先对光纤传感器测试数据标定获得的温度拟合曲线，实现对复合材料基材零件的结构温度测试。该方法可用于下一代航空发动机用陶瓷基复合材料曲面零件高温工作环境下的结构温度测试，为相关材料和部件的开发、验证和改进提供有效地数据支撑。

技术领域

本发明涉及一种基于光纤传感器的陶瓷基复合材料结构温度测试方法，能够实现对复合材料基材零件在航空发动机高温工作环境下的结构温度测试，属于航空发动机测试技术领域。

背景技术

当前航空发动机研制中，开始研制使用碳化硅陶瓷基复合材料(CMC-SiC)作为发动机中等载荷静止部件如燃烧室、导向叶片、涡轮外环和尾喷管等材料，以满足航空领域对更高推重比、更低耗油率、更高稳定性发动机的研发需求。作为最新一代发动机的使用材料，碳化硅陶瓷基复合材料具有高比强、高比模、高硬度、耐磨损、耐腐蚀的优异力学性能，和高温抗氧化、抗烧蚀、高温热稳定性好、纤维和基体间热应力小的优异高温稳定性能，但是也存在使用上的很多问题，如基于碳化硅陶瓷基复合材料的热端部件长期工作在高温氧化环境下，经受强烈的热应力，承受各种环境侵蚀，纤维性能变化较大；缺乏特定应用条件下的测试数据作为设计输入；结构变化具有很大的随机性，作为发动机热端部件使用时不能采用惯用的确定性设计方法，必须以实际测试数据为依据进行可靠性分析，从而为相关材料和部件的开发、验证和改进提供支撑。

为准确获得热端部件的寿命就需要获得热端部件的温度分布情况，但是当前热端部件的高温温度测试难度较大。接触法常用的示温漆一般属于定性测量，测温精度较低，同时只能获得最高温度；基于电阻等的温度测量方法，则存在受发动机三高环境电磁干扰严重的问题。光纤传感器具有耐高温、尺寸小、抗电磁干扰等显著优势，可有效用于基于碳化硅陶瓷基复合材料的热端部件的结构温度测试，其灵活的柔性传感器结构设计和安装方式更可适用于涡轮叶片等多种曲面零件的表面形状，而通过采用等离子喷涂工艺制备热膨胀系数匹配性良好的耐高温陶瓷复合涂层对柔性光纤传感器进行安装固定，所制备的耐高温陶瓷复合涂层与基体之间具有良好的热膨胀系数匹配和结合强度，提高了光纤传感器在陶瓷基复合材料曲面零件表面的高可靠性安装和准确测试。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光纤传感器的陶瓷基复合材料结构温度测试方法；该方法是在陶瓷基复合材料基材的曲面零件表面，制备耐高温陶瓷复合涂层对柔性光纤传感器进行安装固定，通过预先对光纤传感器测试数据标定获得的温度拟合曲线，实现对复合材料基材零件的结构温度测试。

基于光纤传感器的陶瓷基复合材料结构温度测试方法，包括如下步骤：

步骤一、对待安装的光纤传感器进行温度标定，获得标定曲线；

1)、将标准温度传感器与光纤传感器放置于高温炉中，确保两者处于同一等温线上，光纤传感器连接解调仪表及上位机，标准温度传感器连接温度计；

2)、设置多个标定温度点；在各标定温度点下，记录标准温度传感器温度示值与光纤传感器输出光学量数值；自然降温至室温；重复测试多次以上；

3)、对步骤一2)得到的多组标准热电偶示值与光纤传感器的输出光学量数值进行二次项拟合，得到温度-光学量函数关系式：

λ_n＝a_nT²+b_nT+c_n

式中：λ_n为光纤传感器的输出光学量数值，T为标准热电偶示值，n为标定试验循环次数；a_n、b_n、c_n为系数；