CN105371790B - 具有截止波导辐射口的腔体谐振式微波近距测量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有截止波导辐射口的腔体谐振式微波近距测量传感器，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，该传感器具有截止波导辐射口特性，通过调节截止波导参数实现对测量范围的调节，本发明将待测距离信息转换为谐振特性信息，使测量更为容易，测量精度得到显著提高，且谐振特性不易受环境因素影响，满足在恶劣环境中测量需求，传感器具有截止波导辐射口，可实现对测量范围的控制，同时，也满足高速测量条件，可满足高速、高精度、大范围、多环境测量需求。

Description

具有截止波导辐射口的腔体谐振式微波近距测量传感器

技术领域

本发明涉及一种微波技术，尤其是一种微波近距测量传感器。

背景技术

航空发动机的叶尖间隙是指航空发动机的各级转子叶片叶尖与发动机机匣之间的距离，它对航空发动机的性能有很大影响。间隙过大，会引起倒流和潜流，影响压气机和涡轮效率，甚至造成喘振；间隙过小，有可能导致转子叶片叶尖与机匣碰撞，危及发动机的安全。所以，精确地测量叶尖间隙至关重要。

目前，针对叶片尖端间隙的实时测量系统，多种传感器技术已被应用，主要有电容法、放电探针法、激光光学法、光纤法、微波法、红外法、电涡流法、超声波法。

微波测量方法具有对环境敏感度低，频带宽，稳定度高，耐高温高压的特点。由于涡轮发动机机匣的封闭性，隔绝了外面微波信号的影响，使得微波传感器比其他方法更容易适应这种恶劣的环境，另外微波传感器具有内在自校功能，不管温度和由旋转叶片引起的磨损情况如何变化，它都能准确工作，并且不受电缆振动及长度变化的影响，因微波传感器自身特点，受燃油及其它发动机污染的影响很小，在有效运行时，设计温度可超过1093F。微波测量方法是一种高效率、高灵敏度的测量方法，且微波测量方法的成本低，结构简单，使用寿命长，因此对于涡轮发动机的叶尖间隙测量有很大的经济效益。但现有的微波近距测量传感器大多是基于相位测量法设计的，其原理是将传感器输入输出信号的相位差转换为待测距离信息，此类传感器在实际测量中会出现相位模糊的问题，测量精度低，且只能在180度的相位范围内应用，不能满足高精度、大范围测量需求，因此，如何优化传统微波近距测量传感器。使其测量精度、范围得到提高，满足高精度、大范围测量需求，成为了我们的研究方向。传统微波近距测量的传感器，都是将待测距离信息转换成传感器输入输出信号之间的相位差，通过测得相位差与待测距离之间的对应关系，实现对待测距离的测量，但对于微波范围来说，相位的测量相对困难，且测量误差较大，测量范围小，因此这种传统的传感器在实际测量中存在较大问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明设计一种新型的微波近距测量传感器，优化改善传统微波近距测量传感器的不足，将待测距离信息转换成传感器谐振特性，测量精度得到大幅度提高，并且具有截止波导辐射口特性，该特性可实现对测量范围的调节，增大测量范围，达到高速、高精度、大范围的实际测量需求。

本发明所设计微波近距测量传感器可安装在发动机机匣上，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，另外该传感器具有截止波导辐射口特性，通过调节截止波导参数，可实现对测量范围的调节。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明所述的微波近距测量传感器主要由两部分构成：谐振腔部分与截止波导辐射口部分；

所述谐振腔一端需开口设计，在开口端连接截止波导辐射口部分，谐振腔采用两端短路或一端开路一端短路的形式，采用两端短路形式时，需在其中一个短路端口开口并连接到截止波导辐射口部分；采用一端开路一端短路形式时，开路端口采用开口设计并与截止波导辐射口部分连接实现开路。

所述截止波导辐射口部分，当谐振腔内能量传播到截止波导辐射口部分时，能量一分为二，一部分能量在截止波导内无法传播而反射，另一部分能量通过截止波导并从截止波导开口向外辐射，到达待测物体后经过反射，再次进入谐振腔。

本发明的有益效果在于所设计传感器利用谐振腔原理，当叶尖间距不同时，传感器表现出不同的谐振特性，因此检测传感器的谐振特性即可转换得出相对应的叶尖间距。本发明所设计传感器与传统的微波近距测量传感器相比，将待测距离信息转换为谐振特性信息，使测量更为容易，测量精度得到显著提高，且谐振特性不易受环境因素影响，满足在恶劣环境中测量需求，另外，传感器具有截止波导辐射口，通过对截止波导参数的调节，可实现对测量范围的控制，同时，该传感器也满足高速测量条件，可满足高速、高精度、大范围、多环境测量需求。

附图说明

图1是本发明的传感器等效电路，其中，R为谐振腔等效电阻，C为谐振腔等效电容，L为谐振腔等效电感，Cx为叶片与截止波导之间的等效电容，Lx为截止波导所对应的等效电感。

图2是本发明的同轴谐振腔模型，其中，a为同轴振腔内导体半径，b为同轴谐振腔外导体半径，也即是截止波导半径，l₁为同轴谐振腔长度，l₂为截止波导长度。

图3是本发明的谐振频率与叶尖间距关系曲线。

图4是本发明的谐振腔传感器馈电示意图。

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。

本发明所设计传感器原理适用于各种类型谐振腔，下面以同轴谐振腔传感器设计为例，对本发明所涉及技术进行说明。

本发明所述的微波近距测量传感器主要由两部分构成：谐振腔部分与截止波导辐射口部分。

所述谐振腔一端需开口设计，在开口端连接截止波导辐射口部分，谐振腔采用两端短路或一端开路一端短路的形式，采用两端短路形式时，需在其中一个短路端口开口并连接到截止波导辐射口部分；采用一端开路一端短路形式时，开路端口采用开口设计并与截止波导辐射口部分连接实现开路。

谐振腔等效为一个由电感和电容所组成的谐振回路，同轴谐振腔谐振腔发生谐振时，谐振腔所发生的物理过程与谐振回路中电感L和电容C之间发生的过程相同，都是能量在电场能与磁场能之间相互转换。如图1的传感器等效电路所示，谐振腔等效电路为用谐振腔固有的等效电感L、电容C和电阻R并联的谐振回路，用Cx表示叶片与截止波导之间所形成的等效电容，Lx表示截止波导所对应的等效电感，将Cx与Lx并联在谐振腔等效电路上，即为本发明所设计传感器等效电路，所以传感器谐振频率为：

在截止波导固定时，谐振频率随Cx的变化而变化，而Cx随传感器辐射口与叶片之间距离的增加呈单调变化，故传感器谐振频率随传感器辐射口与叶片之间的距离的增加呈单调变化，基于该特性，即可得到待测距离与谐振特性之间的一一对应关系，绘制谐振频率与待测距离关键关系曲线，实现近距测量应用。

同轴谐振腔传感器的设计如图2同轴谐振腔模型所示，同轴腔是由一段一端开路一端短路的3/4波长同轴线构成的，开路端是利用一段处于截止的圆波导来实现的。取谐振腔的谐振频率为5GHz，则计算可得3/4波长为45mm。同轴腔的横向尺寸的选择必须满足如下两个条件：

(1)为保证同轴谐振腔工作于TEM模而不出现高次模式，要求满足：

π/2(a+b)＜λ₀

其中，a为同轴谐振腔内导体半径，b为同轴谐振腔外导体半径，λ₀为波导波长。

(2)对于同轴谐振腔，要保证开路端所连接的圆波导处于截止状态，要求满足：

1.71b＜λ₀

其中，λ₀为为波导波长。

即同轴谐振腔内导体内外半径满足a+b＜38.2，b＜35.08，通过调节圆波导长度和圆波导开口大小可实现对传感器向叶片辐射能量大小的控制，根据测量叶尖间隙范围，合理设计圆波导参数。

设置谐振腔内导体半径a＝3.5mm，同轴谐振腔外导体半径b＝7mm，即截止波导半径也为7mm，同轴谐振腔长度l1＝45mm，截止波导长度l2＝2mm，改变待测叶片与同轴谐振腔传感器的距离d进行仿真，可得到距离d变化时对应的曲线，得出同轴谐振腔谐振频率与距离d变化成正相关。通过实际测量叶尖间距和对应的谐振频率，绘制谐振频率与叶尖间距关系曲线，如图3所示，可以看出，同轴谐振频率(GHz)与叶尖间距(mm)呈正相关，利用谐振频率也叶尖间距曲线，即可实现对满足该测量范围内的任意叶尖间距进行测量。

同轴谐振腔传感器通过电耦合方式进行馈电，如图4所示，利用插入谐振腔壁孔的一个小探针来实现耦合，其中探针由同轴线内导体在腔中的延伸所构成，探针耦合的强弱决定于探针在腔中的位置和插入的深度，探针所在处腔中的电场越强、插入越深，其耦合就越强。此时在仿真时将探针放在电场最强处，仅由调节其插入深度来改变它的耦合度。

所述截止波导辐射口部分，当谐振腔内能量传播到截止波导辐射口部分时，能量一分为二，一部分能量在截止波导内无法传播而反射，另一部分能量通过截止波导并从截止波导开口向外辐射，到达待测物体后经过反射，再次进入谐振腔。截止波导辐射口部分，根据波导理论，波导存在一个截止频率，即截止波导，当信号频率高于截止频率时波导是导通的，反之，当信号频率低于截止频率时，电磁波在截止波导中迅速衰减而不能传输，这与高通滤波器的频率特性相似。

为了满足测量精度和速度需求，传感器谐振频率变化范围应尽可能小，相比于谐振腔直接开口辐射，该截止波导辐射口可以有效的减少辐射能量，使距离的变化对谐振特性的变化影响趋势更为平缓，从而在相同扫频测量带宽内，加截止波导辐射口后的测量距离范围得到提高与扩展，并通过对截止波导辐射口大小，截止波导长度等参数的调节，实现对测量范围的控制，以及多种测量的需求。

Claims (1)

1.一种具有截止波导辐射口的腔体谐振式微波近距测量传感器，包括谐振腔部分与截止波导辐射口部分，其特征在于：

所述谐振腔一端需开口设计，在开口端连接截止波导辐射口部分，谐振腔采用两端短路或一端开路一端短路的形式，采用两端短路形式时，需在其中一个短路端口开口并连接到截止波导辐射口部分；采用一端开路一端短路形式时，开路端口采用开口设计并与截止波导辐射口部分连接实现开路；

所述截止波导辐射口部分，当谐振腔内能量传播到截止波导辐射口部分时，能量一分为二，一部分能量在截止波导内无法传播而反射，另一部分能量通过截止波导并从截止波导开口向外辐射，到达待测物体后经过反射，再次进入谐振腔。