CN105352457B - 具有截止波导辐射口的点频高速微波近距测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有截止波导辐射口的点频高速微波近距测量方法，利用谐振腔作为传感器，当待测距离发生变化时，谐振腔表现出不同的谐振特性，引起反射信号强度的变化，当待测距离满足一定范围条件时，通过测量反射信号的强度即可确定待测距离，由于本发明测量结果为电压信号而非相位差，简单且易于实现，测量更为容易准确，且谐振特性不易受环境等因素影响，测量精度得到显著提高，谐振腔具有截止波导辐射口，通过对截止波导的调节实现对测量范围的调节，实现测量范围的可控，并且满足高速测量要求，可实现高速高精度测量。

Description

具有截止波导辐射口的点频高速微波近距测量方法

技术领域

本发明涉及一种微波领域，尤其是微波近距测量的领域。

背景技术

近年来，发动机的性能不断提高，结构日益向高转速、高效率、高精度、高可靠性的趋势发展。涡轮发动机的叶尖间隙动态对发动机的性能至关重要，发动机转子叶片径向间隙控制是改善发动机气动性能、提高发动机效率的非常重要的环节。叶尖间隙每增加叶片长度的l％，效率约降低1.5％，而效率每降低1％，耗油率约增加2％。在发动机工作中，保持良好的叶尖间隙配合可以减少工作介质泄露，减小端壁损失从而可以进一步提高发动机性能。

目前，叶片尖端间隙的测量技术主要有放电探针测量法、电涡流测量法、微波测量法、超声波测量法、电容测量法、X射线测量法、激光光学测量法及光纤测量法。

微波叶尖间隙传感器的工作原理与短程雷达系统极其相似，传感器向目标发送连续的微波信号并测量反射信号。传统的微波法测量叶尖间隙是通过测量输入输出信号的相差来确定待测目标与传感器的距离。对于微波范围来说，相位差的测量相对比较困难，测量范围小，测量精度低，不适合高速高精度测量。因此要实现高速高精度测量的测量传统微波方法并不能满足要求，而如何优化改进传统微波法测量叶尖间隙成为了我们的研究方向。

发明内容

为了克服现有技术的不足，针对传统微波法测量叶尖间隙存在相位差测量困难、精度低、测量范围小的问题，本发明设计了一种新的微波测量方法，通过测量反射电压来计算相对应叶尖间距，并且具有测量范围可调的特点，避免传统微波法所存在的问题的同时，继承微波法测量的优点，从而提高测量精度和测量速度并且可根据应用调节测量范围。

本发明利用谐振腔作为传感器，在输出频率固定条件下，当待测距离发生变化时，谐振腔表现出不同的谐振特性，谐振特性的改变，引起反射信号强度的变化，当待测距离满足一定范围条件时，反射信号的强度与待测目标和传感器之间的距离有一一对应的关系，通过测量反射信号的强度即可确定待测距离。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

步骤1：搭建测试系统

测试系统由PC模块、信号源模块、三端口定向耦合器模块、微波传感器模块、数据测量采集模块组成；

所述PC模块为人机交互界面，对信号源模块的控制以及对数据测量采集模块测量数据的提取与分析，在用户界面显示叶尖间距测量结果信息；

所述信号源模块对微波传感器模块提供微波信号；

所述三端口定向耦合器模块实现信号源模块、微波传感器模块、数据测量采集模块的连接，信号源模块接三端口定向耦合器的1端口，微波传感器模块接三端口定向耦合器的2端口，数据测量采集模块接三端口定向耦合器的3端口，输入信号通过1端口输入，从2端口输出作用在微波传感器模块上，微波传感器模块反射信号通过2端口输入，耦合到副臂中从3端口输出；

所述微波传感器模块完成待测距离信息到谐振特性的转换，将不同的待测距离信息转换成不同的谐振特性；

所述数据测量采集模块由检波电路、放大电路、采样卡组成，检波电路将微波传感器模块输出微波信号进行转化，将微波反射信号转换为电压值，经放大电路放大后，通过采样卡进行AD采样，将采集数据传回PC模块进行分析及计算；

步骤2：PC控制信号源模块产生点频微波信号，该点频信号的频率为微波传感器模块固有的谐振频率；

步骤3：将点频微波信号从三端口定向耦合器的1端口输入，三端口定向耦合器2端口连接微波传感器模块，微波传感器模块正对待测叶尖，3端口连接检波计；

步骤4：通过三端口定向耦合器的3端口的检波计测量到该处的信号强度，并将检波计返回电压信号放大；

步骤5：根据电压与距离关系，将测量电压值进行换算，即可得到待测叶尖间隙。

本发明的有益效果是由于本发明测量结果为电压信号而非输入输出信号之间的相位差，相比于传统的叶尖间隙测量的微波方法简单且易于实现，测量更为容易、准确，且谐振特性不易受环境等因素影响，测量精度得到显著提高，另外，谐振腔具有截止波导辐射口，通过对截止波导的调节，可实现对测量范围的调节，实现测量范围的可控，并且满足高速测量要求，可实现高速高精度测量。

附图说明

图1是本发明的测量架构图。

图2是本发明的系统工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

步骤1：搭建测试系统

测试系统由PC模块、信号源模块、三端口定向耦合器模块、微波传感器模块、数据测量采集模块组成；

所述PC模块为人机交互界面，对信号源模块的控制以及对数据测量采集模块测量数据的提取与分析，在用户界面显示叶尖间距测量结果信息。

所述信号源模块对微波传感器模块提供微波信号。

所述三端口定向耦合器模块实现信号源模块、微波传感器模块、数据测量采集模块的连接，信号源模块接三端口定向耦合器的1端口，微波传感器模块接三端口定向耦合器的2端口，数据测量采集模块接三端口定向耦合器的3端口，输入信号通过1端口输入，从2端口输出作用在微波传感器模块上，微波传感器模块反射信号通过2端口输入，耦合到副臂中从3端口输出；

所述微波传感器模块完成待测距离信息到谐振特性的转换，将不同的待测距离信息转换成不同的谐振特性。

所述数据测量采集模块由检波电路、放大电路、采样卡组成，检波电路将微波传感器模块输出微波信号进行转化，将微波反射信号转换为电压值，经放大电路放大后，通过采样卡进行AD采样，将采集数据传回PC模块进行分析及计算；

步骤2：PC控制信号源模块产生点频微波信号，该点频信号的频率为微波传感器模块固有的谐振频率；

步骤3：将点频微波信号从三端口定向耦合器的1端口输入，三端口定向耦合器2端口连接微波传感器模块，微波传感器模块正对待测叶尖，3端口连接检波计；

步骤4：通过三端口定向耦合器的3端口的检波计测量到该处的信号强度，并将检波计返回电压信号放大；

步骤5：根据已知的电压与距离的函数关系式，代入测量电压值，即可得到待测叶尖间隙。

在PC机上编写控制程序及数据处理程序，PC机控制信号源向三端口定向耦合器输出能量，正向能量通过耦合器主壁传到具有截止波导的传感器，传感器终端接模拟机匣，模拟叶片安装在机匣后面。具有截止波导的传感器对叶尖与机匣的距离比较敏感，在不同的叶尖距离的情况时传感器的谐振特性就会发生变化，而且传感器的谐振特性与叶尖距离的变化是一一对应的，因此，测量传感器的谐振特性就可以求出叶尖距离。

谐振特性的测量是通过测量传感器的反射信号强度来实现的，因为输入信号相同的情况下，反射信号的变化即代表了谐振特性的变化。根据三端口定向耦合器原理可知，具有截止波导的传感器的反射能量通过三端口定向耦合器主臂按一定的耦合度耦合到副臂输出，在副壁接入微波检波装置，通过检波计对副臂输出信号进行检测，将微波能量转化为直流电压，对直流电压进行放大和AD采样，将电压值返回PC机进行数据处理即可得到相对应的叶尖距离。由于截止波导的长度和辐射口开口大小的变化对谐振特性对待测距离参数的敏感程度影响较大，故通过调节截止波导的长度参数与辐射口的大小，实现对测量范围大小的调节。

Claims (1)

1.一种具有截止波导辐射口的点频高速微波近距测量方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：搭建测试系统

测试系统由PC模块、信号源模块、三端口定向耦合器模块、微波传感器模块、数据测量采集模块组成；

所述PC模块为人机交互界面，对信号源模块的控制以及对数据测量采集模块测量数据的提取与分析，在用户界面显示叶尖间距测量结果信息；

所述信号源模块对微波传感器模块提供微波信号；

所述三端口定向耦合器模块实现信号源模块、微波传感器模块、数据测量采集模块的连接，信号源模块接三端口定向耦合器的1端口，微波传感器模块接三端口定向耦合器的2端口，数据测量采集模块接三端口定向耦合器的3端口，输入信号通过1端口输入，从2端口输出作用在微波传感器模块上，微波传感器模块反射信号通过2端口输入，耦合到副臂中从3端口输出；

所述微波传感器模块完成待测距离信息到谐振特性的转换，将不同的待测距离信息转换成不同的谐振特性；

所述数据测量采集模块由检波电路、放大电路、采样卡组成，检波电路将微波传感器模块输出微波信号进行转化，将微波反射信号转换为电压值，经放大电路放大后，通过采样卡进行AD采样，将采集数据传回PC模块进行分析及计算；

步骤2：PC控制信号源模块产生点频微波信号，该点频信号的频率为微波传感器模块固有的谐振频率；

步骤3：将点频微波信号从三端口定向耦合器的1端口输入，三端口定向耦合器2端口连接微波传感器模块，微波传感器模块正对待测叶尖，3端口连接检波计；

步骤4：通过三端口定向耦合器的3端口的检波计测量到该处的信号强度，并将检波计返回电压信号放大；

步骤5：根据电压与距离关系，将测量电压值进行换算，即可得到待测叶尖间隙。