CN107764198B - 发动机动静叶片轴向间隙光投影测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于发动机检测领域，为通过应用针对实际情况设计的光路系统以及后续的信号处理模块，能够实现发动机动静叶片轴向间隙的实时动态测量。本发明采用的技术方案是，发动机动静叶片轴向间隙光投影测量装置和方法，结构如下：光路系统模块：该模块需要一个发散角小于1°，光强均匀分布的强平行白光光源；面阵/线阵CCD信号采集模块：该模块包括面阵或线阵CCD传感器，CCD信号驱动模块、信号采集模块，加上合适参数的镜头，使光斑投影到线阵或面阵CCD上；计算机处理模块：用于控制动静叶片轴向间隙信号的采集，处理所采集的信号得到间隙测量值，并根据需求对数据进行分析存储显示。本发明主要应用于发动机检测场合。
Description
技术领域
本发明属于发动机检测领域，是一种能够对大型机械动静叶片轴向间隙进行在线测量的方法。具体讲，涉及发动机动静叶片轴向间隙测量的光投影测量方法。
背景技术
在航空发动机、燃气轮机、汽轮机、烟气轮机等大型旋转机械中，叶片作为核心部件，其运行状态参数直接影响设备的工作性能及运行安全，传统的叶片检测主要集中在对大型旋转机械旋转叶片的叶尖间隙以及叶片振动的测量。随着发动机型号的不断迭代，尤其是涡轮发动机功率的不断提升，进入20世纪90年代之后，推重比为10.0一级的发动机已经广泛应用于三代、四代战机之上，21世纪的头20年内甚至有望出现推重比达到20.0的航空发动机。发动机推重比以及功率的上升无疑会使发动机轴向受到更为剧烈的反推力，由此动静叶片间的间隙情况也会有更为复杂的变化，如果有设计制造缺陷造成动静叶片受力发生摩擦将会造成不可估量的后果，此外动静叶片的轴向间隙还会影响到发动机的能耗以及燃油经济性。为降低航空发动机的能耗，减少发动机故障发生几率，保证大推力发动机的可靠性，动静叶片之间的轴向间隙的控制以及测量就想的尤为重要。
国内在动静叶片的轴向间隙实时动态检测领域尚且没有成熟的技术，为适应新时期发动机“高功率，大推力，低能耗”发展，进一步弥补国内发动机检测领域的空白，实现发动机多维度，全方面检测，有待研究一种对大型旋转机械动静叶片的轴向间隙的测量方法和测量系统。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种基于光幕投影法的发动机动静叶片轴向间隙测量方法和测量系统。该方法通过应用针对实际情况设计的光路系统以及后续的信号处理模块，能够实现发动机动静叶片轴向间隙的实时动态测量。本发明采用的技术方案是，发动机动静叶片轴向间隙光投影测量装置，结构如下：
光路系统模块：该模块需要一个发散角小于1°，光强均匀分布的强平行白光光源，其中光斑大小要大于机匣开孔大小，机匣开孔直径也要大于动叶片与静叶片的间隙以及变化范围，透镜组或镜头使光斑在光电感应器件线阵/面阵CCD面上成像；
面阵/线阵CCD信号采集模块：该模块包括面阵或线阵CCD传感器，CCD信号驱动模块、信号采集模块，加上合适参数的镜头，使光斑投影到线阵或面阵CCD上，从而根据面阵或线阵CCD所接收的光斑宽度再根据光路系统的相关参数即可反算出实际光斑的宽度，根据光的直线传播原理，这个宽度即为动静叶片轴向间隙量值；
计算机处理模块：用于控制动静叶片轴向间隙信号的采集，处理所采集的信号得到间隙测量值，并根据需求对数据进行分析存储显示。
发动机动静叶片轴向间隙光投影测量方法，平行光源发出白光垂直入射机匣开孔，平行光经过发动机机匣内部在对侧机匣开孔处形成光斑，装载叶片之后，光斑投影成像的宽度为D′，根据透镜组的光学特性以及现场安装得到透镜组焦距f以及物距L，提取出线阵/面阵CCD上的光斑投影宽度D′，再依据三角形相似性关系即可得到轴向间隙D。
还包括对面阵CCD所采集到的信号进行滤波去噪，二值化，并进行边缘检测，轮廓拟合，然后得到相应的间隙投影宽度D′，再通过相应计算得到实际动静叶片轴向间隙宽度
通过提高CCD芯片的采样速率，提高CCD信号采集模块图像帧率，具体实现过程：选用高采样速率的线阵\面阵CCD芯片,并且设计构建相对应的高速驱动以及采集电路，组成高性能高采样速率的CCD信号采集模块。
本发明的特点及有益效果是：
本发明采用光投影法测量大型旋转机械(如发动机)动静叶片间的轴向间隙，弥补了国内发动机检测领域的空白，符合国内发动机状态检测的新动向。
本发明具有如下优点：(1)本发明采用光投影法测量动静叶片轴向间隙，需要在机匣上开孔，但是不会和主要关注的发动机叶片运转状态接触，属于非接触性测量，对发动机内部叶片自身转动的影响较小，具有非接触，低介入的优点；(2)本发明采用光投影法并且运用线阵/面阵CCD作为光电感应器件，测量精度较高，理论上可达到微米级别，具体精度与实际传感器以及光路器件的选型以及实际安装情况相关。
附图说明：
图1示出本发明的简略测量安装结构示意图。
图2示出本发明系统总体结构示意框图。
图3示出出射光斑在面阵/线阵CCD上的投影。
图4示出测量系统的光路系统示意图。
图1中：1为旋转机械(比如涡轮发动机动叶片)，2为旋转机械(比如涡轮发动机静叶片)，3为强白光平行光源(发散角要小，亮度高，光强均匀分布)，4为机匣开孔1,5为机匣对侧开孔2,6为光电信号接收(CCD信号接收)模块(含透镜组)，7为旋转机械(如涡轮发动机)机匣
图3中：图3a上侧为机匣内未装载叶片时出射光斑在面阵CCD上投影示意图，下侧为机匣内未装载叶片时出射光斑在线阵CCD上投影示意图；图3b上侧为机匣内装载叶片以后，动静叶片间隙的出射光斑在面阵CCD上投影示意图，下侧为机匣内装载叶片以后，动静叶片间隙的出射光斑在线阵CCD上投影示意图。
具体实施方式
本发明采取的技术方案是，基于光投影法的发动机动静叶片轴向测量系统，系统示意图见图1。该系统包括以下模块：
光路系统模块：该模块需要一个发散角小于1°，光强均匀分布的强平行白光光源，其中光斑大小要大于机匣开孔大小，机匣开孔直径也要大于动叶片与静叶片的间隙以及变化范围，合适的透镜组或镜头使光斑在光电感应器件线阵/面阵CCD面上成像。
面阵/线阵CCD信号采集模块：该模块包括面阵或线阵CCD传感器，CCD信号驱动模块(可以运用CPLD，FPGA等驱动)、信号采集模块(运用合适的数据采集卡如PCI数据采集卡等进行信号采集以及AD模数转化)以及合适参数的成像镜头/透镜组。如图4所示，在平行光源的照射下，动静叶片轴向间隙在机匣开孔2上呈现一个出射光斑，成像透镜组/镜头使开孔2上的出射光斑在线阵或面阵CCD传感器上成像，从而根据面阵或线阵CCD传感器所接收的光斑宽度再根据光路系统的相关参数即可反算出实际光斑的宽度，根据光的直线传播原理，这个宽度即为动静叶片轴向间隙量值，CCD的像素值以及像元大小决定测量系统的分辨力。
计算机处理模块：包含测量系统所需要的上位机软件，算法等，用于控制动静叶片轴向间隙信号的采集，处理所采集的信号得到间隙测量值，并根据需求对数据进行分析存储显示等。
本发明的测量系统框图如图2所示。
本发明光路系统测量原理图如图4所示：
在光路系统中，平行光源发出白光垂直入射机匣开孔1，平行光经过发动机机匣内部在对侧机匣开孔2处形成光斑，如果没有机匣内没有装载叶片，光斑在面阵或者线阵CCD上投影成像如图3a所示，实际光斑形状根据成像原理可知与成像形状相似，装载叶片之后，光斑投影情况如图3b所示，投影成像的宽度为D′，即为图1中的A′B′的宽度。透镜组和CCD可等效为小孔成像模型，根据透镜组的光学特性以及现场安装可得透镜组焦距f以及物距L，提取出线阵/面阵CCD上的光斑投影宽度D′，再依据三角形相似性关系即可得到轴向间隙D，即图1中AB的宽度。
基于以上测量原理，可以搭建基于光投影法的动静叶片轴向间隙测量系统：
首先在发动机需要检测的位置的对侧机匣开孔，如图1所示，机匣开孔直径大小应大于动静叶片轴向间隙可预估的最大值，光路系统的光轴应与开孔圆心的连线重合，光路系统示意如图4所示，间隙在感光器件(线阵/面阵CCD)上的投影如图3b所示(中间阴影部分)，数据采集卡将CCD上感应到的电信号进行模数AD转换，并将数据采集到计算机处理模块，计算机对采集到的图像数据进行相应的处理，比如对面阵CCD所采集到的信号进行滤波去噪，二值化，并进行边缘检测，轮廓拟合，然后得到相应的间隙投影宽度D′，根据公式通过计算即可得到实际动静叶片轴向间隙宽度，上位机将计算得出的间隙数据进行实时存储、显示等操作，测量系统总体框图如图2所示。
本发明采用光投影法测量大型旋转机械(如发动机)动静叶片间的轴向间隙，弥补了国内发动机检测领域的空白，符合国内发动机状态检测的新动向。
本发明具有如下优点：(1)本发明采用光投影法测量动静叶片轴向间隙，需要在机匣上开孔，但是不会和主要关注的发动机叶片运转状态接触，属于非接触性测量，对发动机内部叶片自身转动的影响较小，具有非接触，低介入的优点；(2)本发明采用光投影法并且运用线阵/面阵CCD作为光电感应器件，测量精度较高，理论上可达到微米级别，具体精度与实际传感器以及光路器件的选型以及实际安装情况相关。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是，基于光投影法的发动机动静叶片轴向测量系统，系统概略安装示意图见图1，系统总体框图见图2。本发明中的测量系统是这样工作的：
本发明中，采用发散角小于1°，光强均匀的白光平行光源发出一束光斑直径大于机匣开孔的白色平行光，光轴与机匣对侧开孔的圆心连线相重合，使平行光束能够穿过机匣对侧开孔。
进一步，选用合适透镜组使光斑间隙能够投影到光电感应器件线阵/面阵CCD上，并且处于合适的量程范围之内，根据实际情况计算测量出透镜组的等效焦距f以及等效物距L。
进一步，计算机处理模块控制CCD采集模块获取CCD阵列上的光学图像并将之极性模数AD转化为数字图像传入计算机处理模块，数据采集卡可运用PCI\PCIE\USB3.0等总线协议的告诉采集卡，保证测量数据的实时性。
进一步，计算机处理模块对采集到的图像数据进行相应的处理，比如对面阵CCD所采集到的信号进行滤波去噪，二值化，并进行边缘检测，轮廓拟合，然后得到相应的间隙投影宽度D′，或者对线阵CCD进行边缘检测，检测出有效像素区域，进而得到投影宽度D′。
进一步，上位机软件再根据设计好的算法通过相应计算得到实际动静叶片轴向间隙宽度计算机模块再根据实际需求对所获得的数据进行存储，显示等一系列操作，然后再控制以上模块进行下一次测量。
进一步，为实现发动机动静叶片轴向间隙实时测量，可选用高帧率、高速CCD线阵/面阵信号采集模块，通过提高CCD芯片的采样速率，提高CCD信号采集模块图像帧率。实现过程：选用高采样速率的线阵\面阵CCD芯片,并且设计构建相对应的高速驱动以及采集电路，组成高性能高采样速率的CCD信号采集模块。采样速率的增加可以让系统在单位时间内获取更多的轴向间隙图像数据，从而能从这些图像中获取到更多的轴向间隙数据，从而增强测量系统的实时性能。
Claims (3)
1.一种发动机动静叶片轴向间隙光投影测量装置，其特征是，结构如下：
光路系统模块：该模块需要一个发散角小于1°，光强均匀分布的强平行白光光源，其中光斑大小要大于机匣开孔大小，机匣开孔直径也要大于动叶片与静叶片的间隙以及变化范围，透镜组或镜头使光斑在光电感应器件线阵/面阵CCD面上成像；
面阵/线阵CCD信号采集模块：该模块包括面阵或线阵CCD传感器，CCD信号驱动模块、信号采集模块，加上合适参数的镜头，使光斑投影到线阵或面阵CCD上，从而根据面阵或线阵CCD所接收的光斑宽度再根据光路系统的相关参数即可反算出实际光斑的宽度，根据光的直线传播原理，这个宽度即为动静叶片轴向间隙量值；
计算机处理模块：用于控制动静叶片轴向间隙信号的采集，处理所采集的信号得到间隙测量值，并根据需求对数据进行分析存储显示；
平行光源发出白光垂直入射机匣开孔，平行光经过发动机机匣内部在对侧机匣开孔处形成光斑，装载叶片之后，光斑投影成像的宽度为D′，面阵/线阵CCD信号采集模块根据透镜组的光学特性以及现场安装得到透镜组焦距f以及物距L，提取出线阵/面阵CCD上的光斑投影宽度D'，并反馈给计算机处理模块，计算机处理模块中依据三角形相似性关系得到轴向间隙D。
2.一种发动机动静叶片轴向间隙光投影测量方法，其特征是，利用权利要求1所述的装置实现，具体步骤是，对面阵CCD所采集到的信号进行滤波去噪，二值化，并进行边缘检测，轮廓拟合，然后得到相应的间隙投影宽度D'，再通过相应计算得到实际动静叶片轴向间隙宽度
3.如权利要求2所述的发动机动静叶片轴向间隙光投影测量方法，其特征是，通过提高CCD芯片的采样速率，提高CCD信号采集模块图像帧率，具体实现过程：选用高采样速率的线阵\面阵CCD芯片,并且设计构建相对应的高速驱动以及采集电路，组成高性能高采样速率的CCD信号采集模块。
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