CN105387823B - 基于反射计传感器的微波近距测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于反射计传感器的微波近距测量方法，本发明利用终端开口矩形波导作为反射计传感器，在输出频率固定条件下，在矩形波导中会产生驻波，当待测距离满足一定范围条件时，在矩形波导同一测量位置处的幅值将在相邻波谷到波峰之间的λ/4之间进行变化，通过测量同一位置的电压大小来计算出对应的叶尖间距，本发明所述测量方法相比于传统叶尖间隙测量微波方法测量输入输出信号相位差来计算叶尖间距而言，测量信号为电压值，易于测量且测量精度高，另外，整个测量过程相对简单，且易于实现，满足高速高精度测量需求。

Description

基于反射计传感器的微波近距测量方法

技术领域

本发明涉及微波技术，尤其是微波近距测量领域。

背景技术

发动机叶尖径向间隙是指发动机各级转子叶片叶尖与发动机机匣之间的距离，它对发动机性能有很大影响。随着涡轮机技术的发展，对叶尖间隙精确测量的要求越来越迫切，改进的涡轮机设计围绕重量轻、性能高的概念，多采用小而薄的叶片。在航空发动机的装配过程中，叶尖间隙数据的测量可对后期的实验以及运行状态下间隙控制提供精确的数据参考，对提高发动机效率与减少耗油量有明显的帮助。

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。输入输出信号的相差与传感器和待测目标之间的距离成正比。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，传统的测量叶尖间距的微波法存在相位差测量困难、测量精度低、测量范围小等问题，这些问题对实际测量带来很大的困难，测量结果也存在较大误差，本发明在传统的微波法测量基础上进行了改进，优化了测量方案，将传统的输入输出信号相位差测量转变为输出信号强度测量，易于测量且测量精度得到大幅度提高，以满足高速高精度测量需求。

本发明利用终端开口矩形波导作为反射计传感器，在输出频率固定条件下，在矩形波导中会产生驻波，当待测距离满足一定范围条件时，在矩形波导同一测量位置处的幅值将在相邻波谷到波峰之间的λ/4之间进行变化，该幅值与待测距离满足一一对应关系，通过测量同一位置的电压大小来计算出对应的叶尖间距。

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、四端口定向耦合器模块、短路活塞模块、微波传感器模块和数据测量采集模块组成；

所述PC模块主要为人机交互界面，实现对信号源模块输出强度与通断的控制以及对数据测量采集模块数据的提取与分析，在用户界面显示叶间间距测量结果信息；

所述信号源模块对微波传感器模块提供微波信号；

所述四端口定向耦合器实现信号源模块、短路活塞模块、微波传感器模块和数据测量采集模块的连接，信号源模块接定向耦合器的1端口，微波传感器模块接定向耦合器的2端口，短路活塞接定向耦合器的3端口，数据测量采集模块接定向耦合器的4端口；

所述短路活塞模块实现对四端口定向耦合器的3端口输出信号相位进行调节，使信号在系统测量范围内满足单调，3端口输出信号的幅值在相邻波峰波谷的λ/4之间变化，以实现待测距离与输出信号幅值一一对应的关系；

所述微波传感器模块为终端开口矩形波导；

所述数据测量采集模块由检波电路、放大电路、采样卡组成，检波电路连接微波传感器模块并输出微波信号强度，并将微波信号转换为电压值，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模块控制信号源模块产生点频微波信号，该点频微波信号的频率根据待测距离范围确定，应满足待测距离最大值小于该点频微波信号的四分之一波长；

步骤3：将点频微波信号从四端口定向耦合器的1端口输入，四端口定向耦合器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，四端口定向耦合器的3端口连接短路活塞，四端口定向耦合器的4端口连接数据测量采集模块；

步骤4：通过四端口定向耦合器的4端口的数据测量采集模块测量到四端口定向耦合器4端口的信号强度，并将数据测量采集模块返回电压信号放大；

步骤5：根据电压与距离关系，将测量电压值进行换算后，即可得到待测叶尖间隙。

本发明的有益效果是由于本发明所述测量方法的测量原理是在信号源向矩形波导发射能量后会在传输线上产生驻波，叶尖间距不同会使得驻波在同一位置的幅值产生变化，因此测量固定位置的幅值即可计算出叶尖间距。利用四端口定向耦合器将主臂上的驻波按照一定的耦合度耦合到副臂，对副臂上的驻波进行定点测量，即可得到叶尖间距不同时驻波在同一位置上的电压，根据不同的电压得到相应的叶尖间距。本发明所述测量方法相比于传统叶尖间隙测量微波方法测量输入输出信号相位差来计算叶尖间距而言，测量信号为电压值，易于测量且测量精度高，另外，整个测量过程相对简单，且易于实现，满足高速高精度测量需求。

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。

步骤1：搭建测试系统

测试系统由PC模块、信号源模块、四端口定向耦合器模块、短路活塞模块、微波传感器模块和数据测量采集模块组成；

所述PC模块主要为人机交互界面，实现对信号源模块输出强度与通断的控制以及对数据测量采集模块数据的提取与分析，在用户界面显示叶间间距测量结果信息；

所述信号源模块对微波传感器模块提供微波信号；

所述四端口定向耦合器实现信号源模块、短路活塞模块、微波传感器模块和数据测量采集模块的连接，信号源模块接定向耦合器的1端口，微波传感器模块接定向耦合器的2端口，短路活塞接定向耦合器的3端口，数据测量采集模块接定向耦合器的4端口；

所述短路活塞模块实现对四端口定向耦合器的3端口输出信号相位的调节，使信号在系统测量范围内满足单调，3端口输出信号幅值在相邻波峰波谷的λ/4之间变化，以实现待测距离与输出信号幅值一一对应的关系。

所述微波传感器模块为终端开口矩形波导，由传输线理论可知，终端近似开路时，传输线上的信号为驻波，但开口不是绝对的开路，对外界环境敏感，外界环境变化影响传输线驻波的相位，因此在矩形波导固定位置处的幅值随外界环境即待测距离变化而变化，且具有一一对应关系，从而实现待测距离信息到固定待测点幅值信息的转换，将不同的待测距离信息转换成固定点不同的幅值信息，实现测量。

所述数据测量采集模块由检波电路、放大电路、采样卡组成，检波电路连接微波传感器模块并输出微波信号强度，并将微波信号转换为电压值，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模块控制信号源模块产生点频微波信号，该点频微波信号的频率根据待测距离范围确定，应满足待测距离最大值小于该点频微波信号的四分之一波长；调节可调短路活塞，使待测距离最大值与最小值对应的测量电压值在测量端口处落在相邻波峰波谷的λ/4；

步骤3：将点频微波信号从四端口定向耦合器的1端口输入，四端口定向耦合器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，四端口定向耦合器的3端口连接短路活塞，四端口定向耦合器的4端口连接数据测量采集模块；

步骤4：通过四端口定向耦合器的4端口的数据测量采集模块测量到四端口定向耦合器4端口的信号强度，并将数据测量采集模块返回电压信号放大；

四端口定向耦合器的副臂上在靠近反射计的一端接入短路活塞，另一端接入检波装置，由四端口定向耦合器的原理可得，副臂能量等于主臂能量乘以耦合度，所以副臂电压即可代表主臂电压，此外通过副臂短路活塞调节副臂检波装置处的电压相位，当副臂一端接入短路活塞时端口能量会全反射到另一副臂端口，在副臂上也形成了驻波，此时副臂上的驻波的特征即可代表主臂上驻波的特征，通过调节副臂短路活塞来调节副臂检波装置处的电压相位，当待测距离为最大值时，使得此处电压处于最大值，当叶尖距离减小时，此处电压也变小，且变化与叶尖距离一一对应。

步骤5：将检波后的电压进行放大采样，传输给PC机，根据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。

由计算机控制信号源输出固定功率的微波信号，该微波信号的频率为步骤2中所确定的频率，通过四端口定向耦合器主臂将信号传输到反射计，由于反射计终端开口，导致阻抗不匹配，因此会在波导里面产生驻波，由于驻波以λ/2为周期不断重复，且只在相邻波峰波谷之间单调，所以可用范围是驻波的λ/4，即相邻的波峰波谷处，要设计的反射计频率对应的波长大于要测量的叶尖距离即可满足测量要求，但是反射计开口不等于完全开路，因此反射计对于外界的环境的变化有一定的响应，在叶尖距离不同时，反射计内的驻波相位和大小均会发生相应变化，同一位置处的电压就会不同，而且与叶尖距离一一对应，通过检测同一位置处的电压，可计算得到相对应的叶尖距离。

Claims (1)

1.一种基于反射计传感器的微波近距测量方法，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、四端口定向耦合器模块、短路活塞模块、微波传感器模块和数据测量采集模块组成；

所述PC模块主要为人机交互界面，实现对信号源模块输出强度与通断的控制以及对数据测量采集模块数据的提取与分析，在用户界面显示叶间间距测量结果信息；

所述信号源模块对微波传感器模块提供微波信号；

所述四端口定向耦合器实现信号源模块、短路活塞模块、微波传感器模块和数据测量采集模块的连接，信号源模块接定向耦合器的1端口，微波传感器模块接定向耦合器的2端口，短路活塞接定向耦合器的3端口，数据测量采集模块接定向耦合器的4端口；

所述短路活塞模块实现对四端口定向耦合器的3端口输出信号相位进行调节，使信号在系统测量范围内满足单调，3端口输出信号的幅值在相邻波峰波谷的λ/4之间变化，以实现待测距离与输出信号幅值一一对应的关系；

所述微波传感器模块为终端开口矩形波导；

所述数据测量采集模块由检波电路、放大电路、采样卡组成，检波电路连接微波传感器模块并输出微波信号强度，并将微波信号转换为电压值，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模块控制信号源模块产生点频微波信号，该点频微波信号的频率根据待测距离范围确定，应满足待测距离最大值小于该点频微波信号的四分之一波长；

步骤3：将点频微波信号从四端口定向耦合器的1端口输入，四端口定向耦合器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，四端口定向耦合器的3端口连接短路活塞，四端口定向耦合器的4端口连接数据测量采集模块；

步骤4：通过四端口定向耦合器的4端口的数据测量采集模块测量到四端口定向耦合器4端口的信号强度，并将数据测量采集模块返回电压信号放大；

步骤5：根据电压与距离关系，将测量电压值进行换算后，即可得到待测叶尖间隙。