CN104501728A - 一种基于全光纤叶尖定时的叶尖间隙测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全光纤叶尖定时的叶尖间隙测量方法，所述方法包括以下步骤：将三角法中长度量的测量转化为叶尖定时信号的测量；采用两支光纤束式定时传感器，定时传感器中的发射光纤发出两束不同波长的自准直出射光；而定时传感器中的接收光纤则接收叶片来临测量区域和离开测量区域的时刻信号；再用一支转速同步传感器来实时监测转子转速；对所有传感器信号进行高速信号采集和电路模块处理，通过数学模型即可通过上位机反算出传感器端面与叶尖间距。本发明将间隙值巧妙的转化为与之相关的叶尖定时信号，使得测量系统与叶片、电磁干扰等大部分环境因素无关，提高了系统抗干扰能力和间隙测量精度。

Description

一种基于全光纤叶尖定时的叶尖间隙测量方法

技术领域

本发明涉及叶尖间隙测量领域，尤其涉及一种基于全光纤叶尖定时的叶尖间隙测量方法。

背景技术

作为航空发动机等重大装备的重要参数之一，旋转机械叶片的叶尖间隙在线测量技术对此类装备的技术发展有相当重大的意义。叶尖间隙的存在使流体发生泄漏，并影响流体的理想流动状态，从而降低工作温度和效率。

叶尖间隙相当于一个动力泄漏源，使叶尖间隙尽可能小至最佳值有利于提高发动机的性能和效率。然而，叶尖间隙过小，会增加叶尖与机匣碰磨的可能性，从而威胁发动机和系统的安全运行，甚至造成灾难性后果。

若能够对叶尖间隙进行自动化、智能化控制，就可以促使叶尖间隙保持最佳值，从而保障发动机维持最佳效率。

要实现系统的自动化和智能化必须满足两个条件：其一，实现参数高精度、实时在线测量；其二，开发相应的控制系统和算法，使系统执行所需命令，达到期望运行状态。而对于高速旋转机械的叶片叶尖间隙主动调控技术，现阶段的研究瓶颈主要在于如何获得可靠的、实时的监测数据。因为旋转机械的叶片的工作条件非常苛刻，如：高温、高压、高速旋转、电磁环境复杂、油污、叶片数量和形状不同等，这些客观工作环境对叶尖间隙测量系统的抗干扰能力和可靠性提出了极高的要求。因此，虽然旋转机械的叶片叶尖间隙在线测量极具挑战性，但是亟待解决。

发明内容

本发明提供了一种基于全光纤叶尖定时的叶尖间隙测量方法，本发明将间隙值巧妙的转化为与之相关的叶尖定时信号，使得测量系统与叶片、电磁干扰等大部分环境因素无关，提高了系统抗干扰能力和间隙测量精度，详见下文描述：

一种基于全光纤叶尖定时的叶尖间隙测量方法，所述方法包括以下步骤：

将三角法中长度量的测量转化为叶尖定时信号的测量；

采用两支光纤束式定时传感器，定时传感器中的发射光纤发出两束不同波长的自准直出射光；而定时传感器中的接收光纤则接收叶片来临测量区域和离开测量区域的时刻信号；

再用一支转速同步传感器来实时监测转子转速；对所有传感器信号进行高速信号采集和电路模块处理，通过数学模型即可通过上位机反算出传感器端面与叶尖间距。

所述光纤束式定时传感器包括：半导体激光器、光隔离器、光纤传感器、光电探测器和电路板，

所述半导体激光器连接光隔离器，所述光隔离器与所述光纤传感器之间采用光纤传输，所述光纤传感器与所述光电探测器之间采用光纤传输，所述光纤连接电路板。

所述光纤传感器由发射端、接收端、Y型光纤束和测头组成。

所述数学模型具体为：

$d=\frac{\mathrm{AB}}{2}\×\cot \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)[\frac{(t_2-t_1)\×v}{\mathrm{AB}}-1]$

其中，d表示叶尖间距；α表示两支纤束式定时传感器的夹角，AB表示两传感器测头顶端中心之间的距离，v表示转速同步传感器测到的转子切向速度，t₁、t₂表示叶片经过两支定时传感器出射光斑的时刻。

本发明提供的技术方案的有益效果是：采用叶尖到达信号的上升沿作为定时信号，从原理上克服了激光器光源不稳、不同叶片表面散射特性不同和旋转设备内部介质变化导致的反射光强弱变化和漂移，及某些电路参数变化导致的电信号幅值变化等诸多因素对测量系统的影响，测量系统具有动态响应速度快、抗电磁干扰能力强等优点。本发明将间隙值巧妙的转化为与之相关的叶尖定时信号，使得测量系统与叶片、电磁干扰等大部分环境因素无关，提高了系统抗干扰能力和间隙测量精度。

附图说明

图1为一种基于全光纤叶尖定时的叶尖间隙测量方法的流程图；

图2为基于全光纤叶尖定时的叶尖间隙测量系统的示意图；

图3为光纤束式定时传感器的结构示意图；

图4为基于全光纤叶尖定时的叶尖间隙测量系统的数学模型。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：半导体激光器；     2：光隔离器；

3：光纤传感器；       4：光电探测器；

5：电路板；           31：Y型光纤束；

32：测头。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

激光三角法适用于短程高精度测量，其基本原理是将光源、被测物表面和接收系统摆放在三个点，形成一个三角形光路，再基于相似三角形之间的数学关系，计算出被测物表面的微小位移。其中单点式激光三角法按照光源的入射方式可以分为直射式和斜射式两种。

该直射式激光三角法测距的原理是：激光经发射透镜聚焦后，垂直入射到被测物表面；当被测物移动(或表面发生变化)时，入射点的位置会沿着入射光轴移动，从而使得入射点处的散射光线发生偏移；因此，经接收透镜打到光电探测器(如PSD、CCD或CMOS等光敏元件)上的散射光的位置会发生相应的偏移。测出光点在光电探测器上的位移x'，再利用相似三角形间的数值关系或者正余弦定理，便可以计算出被测面在法线方向的位移x。设激光束光轴与接收透镜光轴的交点到接收透镜前主面的距离为a；接收透镜后主面到光电探测器成像面中心点的距离为b；激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角为θ；被测面移动前散射光与被测面移动后散射光在接收透镜前主面的夹角为θ_x；接收透镜中心到激光器发射激光束光轴的距离为D，则在ΔABC中由正弦定理可知：

$\frac{a}{\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_x)}=\frac{x}{\sin {\mathrm{\θ}}_x}---\left(1\right)$

利用和差化积公式对sin(θ-θ_x)进行展开，带入公式(1)；再利用正切、正弦和余弦之间的关系进行化简，可以得到：

$x=\frac{a}{\sin \mathrm{\θ}\cot {\mathrm{\θ}}_x-\cos \mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

在ΔCDE中有cotθ_x＝b/x'，带入公式(2)中可得：

$x=\frac{{\mathrm{ax}}^{\′}}{b\sin \mathrm{\θ}-x^{\′}\cos \mathrm{\θ}}---\left(3\right)$

由于角度测量比长度测量繁琐，所以在RtΔACF中对sinθ和cosθ进行长度量转化，有sinθ＝D/a，则公式(3)可以转化为：

$x=\frac{a^2{x}^{\′}}{\mathrm{bD}-x^{\′}\sqrt{a^2-D^2}}---\left(4\right)$

又因为所以x≈a²x′/bD，可见被测距离x与光电探测器上光点位移x'之间成近似线性关系。

在单点斜射式三角法中激光经发射透镜聚焦后斜射到被测物表面，光电探测器正接收或倾斜接收，与单点直射式原理基本相同。

设激光束与接收透镜光轴的交点到接收透镜前主面的距离为a；接收透镜后主面到光电探测器成像面中心点的距离为b；被测面法线与激光束光轴之间的夹角为θ₁，与接收透镜光轴之间夹角为θ₂，被测面移动前散射光与被测面移动后散射光在接收透镜前主面的夹角为θ_x；被测面在沿法线方向的位移为x，y＝|AB|＝x/cosθ₁，光电探测器上光点的位移为x′，则在ΔABC中由正弦定理可得：

$\frac{a}{\sin ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_x)}=\frac{x}{{\sin \mathrm{\θ}}_x}---\left(5\right)$

上式中的(θ₁+θ₂)相当于公式(1)中的θ，而θ_x的含义未变，所以同理可得：

$y=\frac{{\mathrm{ax}}^{\′}}{b\sin ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)-x^{\′}\cos ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)}---\left(6\right)$

因此，所求位移x可以表示为：

$x=y\cos {\mathrm{\θ}}_1=\frac{{\mathrm{ax}}^{\′}\cos {\mathrm{\θ}}_1}{b\sin ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)-x^{\′}\cos ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)}---\left(7\right)$

在三角法中，光源的放置方式主要取决于测距系统的构造、测量目标及其他辅助设备的设计等。但是，由于在斜射式情况下激光束打到被测物表面的点会随着被测物表面的移动而变化，因此无法探测被测物表面上某固定点的位移情况，所以当被测物表面形状比较复杂或无法确定其法线时，只能采用直射式。

参见图1和图2，基于前文所提的三角法激光测距技术和现有技术中的光纤传感技术，本发明实施例提出基于全光纤叶尖定时的叶尖间隙测量系统：

101：将三角法中长度量的测量转化为叶尖定时信号的测量(类似于时间飞行法激光测距)；

其中，还引入光纤传输和光纤准直技术，从原理上克服大部分环境因素变化对测量精度的影响，加强测量系统的抗干扰能力，使之能够满足恶劣条件下的高速旋转机械叶片叶尖间隙测量的要求。

102：采用两支光纤束式定时传感器，定时传感器中的发射光纤发出两束不同波长的自准直出射光；而定时传感器中的接收光纤则接收叶片来临测量区域和离开测量区域的时刻信号；

其中，参见图3，该光纤束式叶尖定时传感器基于反射式光纤传感器原理，采用光纤束式探头，将探头中心的传感器作为发射光纤，周围紧密围绕的其他光纤作为接收光纤，提高了传感器的抗干扰能力；而且能够增大接收面积，提高接收效率，该传感器包括：

半导体激光器1、光隔离器2、光纤传感器3、光电探测器4和电路板5，半导体激光器1连接光隔离器2，光隔离器2与光纤传感器3之间采用光纤传输，光纤传感器3与光电探测器4之间采用光纤传输，光纤连接电路板5。

其中，光纤传感器3由发射端(图中未标注)、接收端(图中未标注)、Y型光纤束31(即，光隔离器2与光纤传感器3之间采用Y型光纤束31传输，光纤传感器3与光电探测器4之间采用Y型光纤束31传输)以及测头33四个部分组成，主要优点是：体积小、使用方便、测量精度高和信噪比高，但需要保持测头32的清洁。

本发明实施例加入光隔离器2的目的是为了防止叶尖表面的反射光沿发射光纤返回半导体激光器1，从而保障半导体激光器1正常工作。

该叶尖定时传感器的工作原理是：半导体激光器1光源发射的激光经过发射端传输到测头32出射；当被测叶片扫过出射光时，叶尖表面将对其进行反射；然后，接收端便可以探测到该微弱的反射光信号；反射光信号再经过光电转化和整形处理后，就可以将叶尖到达时刻的信号转化成脉冲信号输出；最后，利用预先设定的时间基准对脉冲的上升沿进行填充计数即可实现叶尖定时功能。

103：再用一支转速同步传感器来实时监测转子转速；对所有传感器信号进行高速信号采集和电路模块处理，通过全光纤叶尖定时的叶尖间隙测量系统的数学模型即可通过上位机反算出传感器端面与叶尖间距d。

其中，基于全光纤叶尖定时的叶尖间隙测量系统的数学模型如图4所示，图中α表示两支纤束式定时传感器的夹角，AB表示两传感器测头顶端中心之间的距离，CD表示叶片扫过两束光的位置之间的距离。设由转速同步传感器测到的转子切向速度为v，叶片经过两支定时传感器出射光斑的时刻分别为t₁、t₂。显然ΔOAB相似于ΔOCD，所以有：

$\frac{{\mathrm{oo}}^{\′}}{{\mathrm{oo}}^{\′}+d}=\frac{\mathrm{AB}}{\mathrm{CD}}---\left(8\right)$

$d=\frac{\mathrm{CD}\×{\mathrm{oo}}^{\′}}{\mathrm{AB}}-{\mathrm{oo}}^{\′}---\left(9\right)$

又则叶尖间隙d可以表示为：

$d=\frac{\mathrm{AB}}{2}\×\cot \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)(\frac{\mathrm{CD}}{\mathrm{AB}}-1)---\left(10\right)$

而CD＝v×(t₂-t₁)，所以

$d=\frac{\mathrm{AB}}{2}\×\cot \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)[\frac{(t_2-t_1)\×v}{\mathrm{AB}}-1]---\left(11\right)$

上述数学推导过程从理论上分析了本方法所设计的基于全光纤叶尖定时的叶尖间隙测量系统的理论模型。其中，公式(11)中的AB和α为已知常量，所以只需测量t₁、t₂和v，就可以算出叶尖间隙d的值；而且，d与时间差Δt(Δt＝t₂-t₁)成简单的线性关系，因此测量模型比较简单。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。

Claims (4)

1.一种基于全光纤叶尖定时的叶尖间隙测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将三角法中长度量的测量转化为叶尖定时信号的测量；

采用两支光纤束式定时传感器，定时传感器中的发射光纤发出两束不同波长的自准直出射光；而定时传感器中的接收光纤则接收叶片来临测量区域和离开测量区域的时刻信号；

再用一支转速同步传感器来实时监测转子转速；对所有传感器信号进行高速信号采集和电路模块处理，通过数学模型即可通过上位机反算出传感器端面与叶尖间距。

2.根据权利要求1所述的一种基于全光纤叶尖定时的叶尖间隙测量方法，其特征在于，所述光纤束式定时传感器包括：半导体激光器、光隔离器、光纤传感器、光电探测器和电路板，

所述半导体激光器连接光隔离器，所述光隔离器与所述光纤传感器之间采用光纤传输，所述光纤传感器与所述光电探测器之间采用光纤传输，所述光纤连接电路板。

3.根据权利要求2所述的一种基于全光纤叶尖定时的叶尖间隙测量方法，其特征在于，所述光纤传感器由发射端、接收端、Y型光纤束和测头组成。

4.根据权利要求1所述的一种基于全光纤叶尖定时的叶尖间隙测量方法，其特征在于，所述数学模型具体为：

$d=\frac{\mathrm{AB}}{2}\×\cot \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)[\frac{(t_2-t_1)\×v}{\mathrm{AB}}-1]$

其中，d表示叶尖间距；α表示两支纤束式定时传感器的夹角，AB表示两传感器测头顶端中心之间的距离，v表示转速同步传感器测到的转子切向速度，t₁、t₂表示叶片经过两支定时传感器出射光斑的时刻。