一種飛機油箱氧氣濃度非接觸式檢測裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種飛機油箱氧氣濃度非接觸式檢測裝置，屬于光學領(lǐng)域。解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：通過集氧裝置將氧氣集中在檢查倉體內(nèi)，利用激光器發(fā)射激光束，同時接收器接收氧氣濃度的信號，進一步測定氧氣的濃度。測量飛機油箱上層空間氧氣濃度的裝置，該裝置包括激光器、檢查倉體、接收器、集氧裝置；檢查倉體安裝在飛機油箱上端，將激光器、接收器安裝在檢查倉體的左右兩側(cè)，將集氧裝置安裝在檢查倉體的底部。本裝置具有測量任意指定氣體濃度作用，本裝置結(jié)構(gòu)簡單，適用范圍廣。
【專利說明】
一種飛機油箱氧氣濃度非接觸式檢測裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光學領(lǐng)域，基于波長調(diào)制光譜技術(shù)測量飛機油箱上層空間氧氣濃度。
【背景技術(shù)】
[0002] 燃油不僅是提供常規(guī)飛機動力的唯一能源，而且也是飛機液壓系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、環(huán) 控系統(tǒng)等系統(tǒng)的熱沉。燃油裝載在飛機的各個油箱之中，飛機的油箱遍布機翼和機身，所以 油箱的設(shè)計不僅是飛機安全的決定性因素，而且也是飛機其他子系統(tǒng)正常工作的保證。
[0003] 飛機油箱的燃油爆炸是威脅航空飛行安全的主要因素之一。從1960年以來，全球 已有18架飛機出現(xiàn)油箱爆炸事故。據(jù)FAA調(diào)查統(tǒng)計，油箱上層空間中的氧氣含量超標是飛機 油箱爆炸的主要原因之一。除了外界大氣中的氧氣能夠進入燃油油箱上層的氣相空間中， 溶解于燃油中的氧氣也會隨著油箱狀態(tài)的改變而析出到油箱上層空間中。如果混合氣體中 氧氣濃度較高，極易引起燃燒，導(dǎo)致油箱爆炸。鑒于氧含量對油箱安全性具有重要影響，美 國聯(lián)邦航空管理局(FAA)近期對適航條例進行了修訂，規(guī)定飛機油箱上層空間的氧含量必 須低于12%，以保證飛機的飛行安全。
[0004] 從安全的角度考慮，為了降低油箱燃燒的風險，首先要掌握油箱中混合氣體尤其 是氧氣的變化規(guī)律及其與油箱可燃性的關(guān)系，特別是針對多參量變化的油箱系統(tǒng)；同時要 建立油箱檢測的先進技術(shù)以及探索支持這些技術(shù)的理論;本課題的研究對飛機油箱設(shè)計具 有重要的科學意義，同時對飛機的安全飛行也具有巨大的實用價值。
[0005] 氣體可燃性與動態(tài)變化過程研究及相應(yīng)的氣體傳感器多年來一直得到廣泛的研 究及探索。近幾年，隨著飛機事故的不斷增多，以及對飛機的飛行安全需求，飛機油箱上層 氣體的迀移與氣體檢測方法開始成為研究熱點。目前的相關(guān)研究主要集中在以下兩個方 面:油箱上層空間混合氣體迀移與可燃性機理研究和氣體傳感器檢測技術(shù)研究。
[0006] 國外自上個世紀30年代起就開始研究開發(fā)氣體傳感器，品種達到了數(shù)百種。我國 也在消化、吸收的基礎(chǔ)上研究開發(fā)出多種氣體傳感器。目前氣體傳感器主要有以下幾類：1) 半導(dǎo)體氣體傳感器。2)固體電解質(zhì)氣體傳感器3)光學式氣體傳感器。但這些大多是工業(yè)上 使用的接觸式傳感器，無法應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。
[0007] 因此本課題針對飛機油箱上層空間中氧氣迀移機理與檢測方法的難點，綜合機理 分析、狀態(tài)變化，探索飛機油箱上層空間中氧氣的迀移機理;研究非接觸式激光檢測氧氣方 法;在相應(yīng)的機理分析、基礎(chǔ)理論、核心技術(shù)等方面展開探索和研究，從而解決油箱上層空 間氧氣迀移與檢測方法的關(guān)鍵問題，對降低飛機油箱爆炸的風險、保證飛機安全運行具有 實際意義和十分廣闊的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明所要解決地技術(shù)問題在于克服上述飛機飛行過程中油箱發(fā)生偏移，導(dǎo)致氧 氣濃度測量不準的缺點，提供一種設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)簡單、使用維護方便、無機械轉(zhuǎn)動、無噪 聲、能耗低、測量飛機油箱聲上層空間氧氣濃度的測量裝置。
[0009] 解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：通過集氧裝置將氧氣集中在檢查倉體 內(nèi)，利用激光器發(fā)射激光束，同時接收器接收氧氣濃度的信號，進一步測定氧氣的濃度。
[0010] -種飛機油箱氧氣濃度非接觸式檢測裝置，該裝置包括激光器1、檢查倉體2、接收 器3、集氧裝置4;檢查倉體2安裝在飛機油箱上端，將激光器1、接收器3安裝在檢查倉體2的 左右兩側(cè)，將集氧裝置4安裝在檢查倉體2的底部。
[0011] 集氧裝置4用以將氧氣與其它氣體分開，利用氧氣的順磁性性質(zhì)，設(shè)計一個磁性裝 置將氧氣吸收進來，如圖2所示，混合氣體被接收器接收時會通過磁性裝置，將氧氣吸入，而 排除其余非順磁性氣體，以達到只接收氧氣的目的。集氧裝置4包括底座4.1、永久磁體4.2、 加熱器4.3、上蓋4.4、殼體4.5;殼體4.5為集氧裝置4的外殼，在殼體4.5頂部設(shè)置上蓋4.4， 上蓋4.4上加工有出風口，殼體4.5上加工有進風口，殼體4.5底部設(shè)置有底座4.1，殼體4.5 內(nèi)設(shè)置有帶磁靴4.6的永久磁體4.2,加熱器4.3設(shè)置在上蓋4.4出風口的出風通道內(nèi)。
[0012] 該裝置實現(xiàn)在線測量方法的過程如下，
[0013] 飛機油箱內(nèi)的待測氣體為氧氣，從高分辨率光譜數(shù)據(jù)庫中選取吸收光譜譜線，其 中心頻率為Vo。
[0014] 以激光器1為光源，調(diào)節(jié)激光控制器8的溫度和電流，使激光器1的輸出頻率穩(wěn)定在 中心頻率Vo上，并用波長計10進行標定和檢測。
[0015] 將信號發(fā)生器5產(chǎn)生的低頻鋸齒波和鎖相放大器6產(chǎn)生的高頻正弦波經(jīng)過加法器7 疊加后輸入到激光控制器8中，驅(qū)動激光器產(chǎn)生的激光在吸收光譜譜線頻率處產(chǎn)生掃描和 調(diào)制，則通過如下公式算出激光瞬時頻率V和激光強度1〇。 ? V = V + acos(wt)
[0016] - / Λ U〇 - I〇 + AIcos(vvt -\- φ)
[0017] 式中：aUcnf1]為頻率調(diào)制幅度，定義調(diào)制系數(shù)m = a/ γ，γ [cnf1]為譜線半高寬，w 為定制新號的角頻率，歹為激光頻率的平均值，為激光強度的平均值，A I為強度調(diào)制幅 度，φ為頻率調(diào)制和強度調(diào)制之間的相位差。
[0018] 將激光器1發(fā)出的激光準直后直接由光電探測器11接收，然后分兩路，一路輸入數(shù) 字示波器12中記錄激光強度隨時間的變化過程，另一路輸入到鎖相放大器6中進行一次諧 波監(jiān)測，鎖相放大器6檢測到的一次諧波背景信號S輸入到計算機數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)13 中。
[0019] 將激光器1發(fā)出的激光準直后通過氣體介質(zhì)10由光電探測器11接收，然后分兩路， 一路輸入數(shù)字示波器12中記錄激光強度Ιο隨時間的變化過程，另一路輸入到鎖相放大器6 中進行一次諧波監(jiān)測，鎖相放大器6檢測到的奇數(shù)次諧波X軸信號和Υ軸信號輸入到計算機 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)13中。
[0020] 本發(fā)明提供一種波長調(diào)制光譜技術(shù)中氣體吸收率函數(shù)擬合方法，可直接確定氣體 濃度。
[0021] 計算機數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)13處理奇數(shù)次諧波X軸信號Χκ和Υ軸信號Yu，進而 得到信號函數(shù)funtu
[0023]式中，β為鎖相放大器參考信號與輸入信號之間的相位差
[0024] 將fun2k-!代入下式，得到函數(shù)Funk。 Funk=fun1 fun3 + fun5+··· (~l)k_1fun2j<_i
[0025]
[0026] 將Funk代入下式，得到氣體吸收率函數(shù)即
[0028] 根據(jù)下式，按照直接吸收法得到待測氣體的濃度。
[0029] a(V)=C(p(V)
[0030] (p(3〇為分子吸收線型函數(shù)，C為氣體濃度。
[0031] 本裝置具有測量任意指定氣體濃度作用，本裝置結(jié)構(gòu)簡單，適用范圍廣。
【附圖說明】
[0032] 圖1是本發(fā)明主視圖。
[0033]圖2是磁性集氧裝置的主視圖。
[0034]圖3是基于波長調(diào)制光譜技術(shù)測量氣體濃度的過程圖
【具體實施方式】
[0035]以下結(jié)合附圖1-3對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0036]按照圖1所示安裝所需裝置，通過集氧裝置將混合氣體中的氧氣分離出來，使其進 入檢查倉體，再通過激光器向檢查倉體發(fā)射激光，選定中心頻率Vo，以激光器1為光源，調(diào)節(jié) 激光控制器8的溫度和電流，使激光器1的輸出頻率穩(wěn)定在中心頻率上，并用波長計9進行標 定和檢測。
[0037]將信號發(fā)生器5產(chǎn)生的低頻鋸齒波和鎖相放大器6產(chǎn)生的高頻正弦波經(jīng)過加法器7 疊加后輸入到激光控制器8中，驅(qū)動激光器產(chǎn)生的激光在吸收光譜譜線頻率處產(chǎn)生掃描和 調(diào)制，通過公式算出激光瞬時頻率V和激光強度I 〇。將激光器1發(fā)出的激光準直后直接由光 電探測器11接收，然后分兩路，一路輸入數(shù)字示波器12中記錄激光強度隨時間的變化過程， 另一路輸入到鎖相放大器6中進行一次諧波監(jiān)測，鎖相放大器6檢測到的一次諧波背景信號 S輸入到計算機數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)13中。再重復(fù)上一步驟，將鎖相放大器6檢測到的奇數(shù) 次諧波X軸信號和Y軸信號輸入到計算機數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)13中。計算機數(shù)據(jù)采集與處理 系統(tǒng)13處理奇數(shù)次諧波X軸信號和Y軸信號，進而得到氣體吸收率函數(shù)，根據(jù)直接吸收法得 到氣體濃度。再通過相應(yīng)比例計算出油箱中實際的氧氣濃度，以達到項目要求。
【主權(quán)項】
1. 一種飛機油箱氧氣濃度非接觸式檢測裝置，其特征在于：該裝置包括激光器（I)、檢 查倉體(2)、接收器(3)、集氧裝置(4);檢查倉體(2)安裝在飛機油箱上端，將激光器（1)、接 收器(3)安裝在檢查倉體(2)的左右兩側(cè)，將集氧裝置(4)安裝在檢查倉體(2)的底部； 集氧裝置(4)用以將氧氣與其它氣體分開，利用氧氣的順磁性性質(zhì)，設(shè)計一個磁性裝置 將氧氣吸收進來，混合氣體被接收器接收時會通過磁性裝置，將氧氣吸入，而排除其余非順 磁性氣體，以達到只接收氧氣的目的;集氧裝置(4)包括底座(4.1 )、永久磁體(4.2)、加熱器 (4.3) 、上蓋(4.4)、殼體(4.5);殼體(4.5)為集氧裝置(4)的外殼，在殼體(4.5)頂部設(shè)置上 蓋(4.4)，上蓋(4.4)上加工有出風口，殼體(4.5)上加工有進風口，殼體(4.5)底部設(shè)置有底 座（4.1)，殼體（4.5)內(nèi)設(shè)置有帶磁靴（4.6)的永久磁體（4.2)，加熱器(4.3)設(shè)置在上蓋 (4.4) 出風口的出風通道內(nèi)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種飛機油箱氧氣濃度非接觸式檢測裝置，其特征在于:該裝 置實現(xiàn)在線測量方法的過程如下， 飛機油箱內(nèi)的待測氣體為氧氣，從高分辨率光譜數(shù)據(jù)庫中選取吸收光譜譜線，其中心 頻率為Vo; 以激光器（1)為光源，調(diào)節(jié)激光控制器(8)的溫度和電流，使激光器（1)的輸出頻率穩(wěn)定 在中心頻率Vo上，并用波長計（10)進行標定和檢測； 將信號發(fā)生器(5)產(chǎn)生的低頻鋸齒波和鎖相放大器(6)產(chǎn)生的高頻正弦波經(jīng)過加法器 (7)疊加后輸入到激光控制器(8)中，驅(qū)動激光器產(chǎn)生的激光在吸收光譜譜線頻率處產(chǎn)生掃 描和調(diào)制，則通過如下公式算出激光瞬時頻率V和激光強度Io;式中:alicnf1]為頻率調(diào)制幅度，定義調(diào)制系數(shù)m = a/y，γ [cnf1]為譜線半高寬，w為定制 新號的角頻率，f為激光頻率的平均值，為激光強度的平均值，A I為強度調(diào)制幅度，φ為 頻率調(diào)制和強度調(diào)制之間的相位差； 將激光器（1)發(fā)出的激光準直后直接由光電探測器（11)接收，然后分兩路，一路輸入數(shù) 字示波器（12)中記錄激光強度隨時間的變化過程，另一路輸入到鎖相放大器(6)中進行一 次諧波監(jiān)測，鎖相放大器(6)檢測到的一次諧波背景信號S輸入到計算機數(shù)據(jù)采集與處理系 統(tǒng)（13)中； 將激光器（1)發(fā)出的激光準直后通過氣體介質(zhì)（10)由光電探測器（11)接收，然后分兩 路，一路輸入數(shù)字示波器（12)中記錄激光強度Io隨時間的變化過程，另一路輸入到鎖相放 大器(6)中進行一次諧波監(jiān)測，鎖相放大器(6)檢測到的奇數(shù)次諧波X軸信號和Y軸信號輸入 到計算機數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)（13)中。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種飛機油箱氧氣濃度非接觸式檢測裝置，其特征在于:一種 波長調(diào)制光譜技術(shù)中氣體吸收率函數(shù)擬合方法，直接確定氣體濃度； 計算機數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)（13)處理奇數(shù)次諧波X軸信號X2k-i和Y軸信號Y2k-i，進而得 到信號函數(shù)fumk-1;式中，β為鎖相放大器參考信號與輸入信號之間的相位差 將furnk-1代入下式，得到函數(shù)Funk;
【文檔編號】G01N21/39GK106018341SQ201610597466
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月26日
【發(fā)明人】苗揚, 霍達, 吳明康, 張煜哲
【申請人】北京工業(yè)大學