CN108680114B - 一种基于光谱共焦技术的叶尖间隙测量系统 - Google Patents

一种基于光谱共焦技术的叶尖间隙测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光谱共焦技术的叶尖间隙测量系统，用于测量航空发动机或燃气涡轮机的转子，转子上设有叶片，叶尖间隙测量系统包括间隙传感器和控制器，间隙传感器和控制器依次设置于转子的一侧，间隙传感器由色散透镜和光纤传输线组成，光纤传输线由位于中心的主光纤和围绕在主光纤周围的辅助光纤组成，光纤传输线靠近色散透镜的一端为第一端口，另一端分为第二端口和第三端口，第一端口连接所述主光纤和辅助光纤，第二端口连接辅助光纤，第三端口连接主光纤；控制器包括光电转换模块、光纤耦合器、主控单元、光开关、N个光谱仪、宽带光源；该系统通过光开关切换依次触发不同的光谱仪进行采样，实现单个高速旋转叶片叶尖间隙的多点测量。

Description

一种基于光谱共焦技术的叶尖间隙测量系统
技术领域
本发明属于发动机检测领域，具体涉及一种基于光谱共焦技术的叶尖间隙测量系统，能对发动机叶尖间隙进行高速、高精度的测量。
背景技术
叶尖间隙是航空发动机、燃气涡轮机健康管理和故障诊断的一个重要参数，对于发动机的效率、安全性和经济性等有着很大影响。叶尖间隙测量技术是将传感器安装在旋转机械机匣上，实现叶片顶端距传感器间隙值的测量，目前比较成熟的测量方法有放电探针法、激光三角法、光纤束法、电涡流法、微波法、电容法等。放电探针法可耐温600℃，测量分辨率约为10um，但只能测量所有叶片的最小叶尖间隙且不能实时在线测量，仅适合盘车工作状态下叶片叶尖间隙的测量；激光三角法可实现高温环境(环境温度高于1000℃)下的高速测量，精度约为30-50um，但传感器体积较大，不适合现场安装，且该系统更适合检测叶尖最大间隙值，不宜用于单个叶尖间隙值以及间隙平均值检测；光纤束法探头体积小，结构比较简单，分辨力与灵敏度较高，频带宽，动态响应好，但其测量结果易受被测叶片反射系数、传感器的安装角度、安装位置以及传感器工作环境的影响；电涡流法可透过机匣获取叶片到来信号(机匣必须是非导磁材料且不能太厚)，并且可在较污染环境下对叶尖间隙进行测量，结构简单，信噪比高，但仅适用于常温低速的发动机工作环境；微波法能够测量非金属叶片，对介质不敏感，具有很好的耐高温性能，但该方法的测量精度随激励频率的提高而提高，同时易受空间滤波效应的影响，电路要求很高，处理算法复杂，成本昂贵；电容法基于平行平板电容原理，通过测量传感器电极与转子叶尖间的电容实现叶尖间隙的测量，由于叶片叶尖端面面积小(一般为2～3mm或更小)，间隙电容值在1pF以内，需要高信噪比的信号处理电路。
光谱共焦技术是近年发展起来的一种位移测量方法，测量精度可达1um，具有绝对测量、便于小型化以及对杂散光有较强鲁棒性等特点。受解调光谱仪速度限制，光谱共焦技术测量位移的采样频率通常只有几十千赫兹，若将其运用于高速旋转叶片的叶尖间隙测量，其速度是远远不够的。因为高速旋转发动机的叶片信号是宽度只有几个微秒的窄脉冲。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于光谱共焦技术的叶尖间隙测量系统，该系统采用光纤束接收叶片反射光信号来触发光谱共焦叶尖间隙传感器对叶尖间隙进行采样，以解决光谱仪测量窄脉冲信号速度不够的问题；通过光开关切换依次触发不同的光谱仪进行采样，以实现单个高速旋转叶片叶尖间隙的多点测量。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于光谱共焦技术的叶尖间隙测量系统，用于测量航空发动机或燃气涡轮机的转子，转子上设有叶片，叶尖间隙测量系统包括光谱共焦叶尖间隙传感器和控制器，光谱共焦叶尖间隙传感器和控制器依次设置于所述转子的一侧，所述光谱共焦叶尖间隙传感器由色散透镜和光纤传输线组成，光纤传输线由位于中心的主光纤和围绕在主光纤周围的辅助光纤组成，光纤传输线靠近色散透镜的一端为第一端口，另一端分为第二端口和第三端口，所述第一端口连接所述主光纤和辅助光纤，所述第二端口连接所述辅助光纤，所述第三端口连接所述主光纤；
控制器包括光电转换模块、光纤耦合器、主控单元、光开关、N个光谱仪、宽带光源；N为大于等于的整数；所述光纤耦合器包括第四端口、第五端和第六端口；第二端口通过光纤转接头与光电转换模块相连，光电转换模块与主控单元相连；主控单元、光开关分别与光谱仪相连，第三端口通过光纤转接头与光电耦合器的第四端口相连；第五端口与光开关相连，宽带光源发出的光从光纤耦合器的第六端口入射，经过第四端口进入第三端口连接的主光纤，继而从光纤传输线的第一端口射出。
优选的，只有当转子的叶片转动到光谱共焦叶尖间隙传感器的前方测量区域时，光经过叶片表面反射后从光纤传输线返回被控制器检测到；由第一端口出射的光为宽带光，色散透镜将宽带光不同的波长成分聚焦到透镜光轴不同的点上；正好聚焦到叶片表面的波长成分作为传感光被反射进主光纤；传感光从第三端口射出进入第五端口，进而经过光开关被光谱仪检测，解调出传感光的峰值波长即可得到相应的叶尖间隙值；焦点不在叶片表面的波长成分作为触发光被主光纤周围的辅助光纤接收从第二端口射出，触发光最终由光电转换模块检测并将光信号转换为电信号发送给主控单元；主控单元在接收到光电转换模块发来的电信号后，产生时序控制信号依次控制光开关切换通道并触发各个光谱仪对传感光进行采样。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明将光谱共焦技术和光纤束法结合起来进行叶尖间隙测量，保留了光谱共焦技术精度高的特点，同时用光纤束法触发解决了光谱共焦技术测量速度不高的问题
2.可通过光开关切换依次触发不同的光谱仪进行采样，实现了单个高速旋转叶片叶尖间隙的多点测量。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图。
图2为叶片信号示意图，其中虚线脉冲所示为触发光转化成的电压信号，一个脉冲为一个叶片信号，实线脉冲为叶片信号经过波形整形之后的触发信号，u0为波形整形的阈值，T为两个触发信号之间的时间间隔。
图3为控制单元产生的控制信号时序图，其中触发信号由叶片信号经波形整形产生，光谱仪控制信号脉宽为dt1，相邻两个光谱仪控制信号之间的时间间隔为dt2。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1所示，一种基于光谱共焦技术的叶尖间隙测量系统，包括光谱共焦叶尖间隙传感器和控制器，光谱共焦叶尖间隙传感器包括色散透镜3和光纤传输线4；光纤传输线4为光纤束，共有a、b、c三个端口；其中a端口光纤排列如图1虚线框中的光纤束横截面图所示，位于中心且用斜线填充的单根光纤称为主光纤，与c端口相连，围绕在主光纤周围的所有光纤称为辅助光纤，与b端口相连。
控制器包括光电转换模块5、主控单元7、光纤耦合器6、光开关8、光谱仪9、宽带光源10；光谱仪9可设置N个(N≥1)，光纤耦合器6共有d、e、f三个端口；在测量叶尖间隙时，传感器端口b通过光纤转接头11与光电转换模块5相连，传感器端口c通过光纤转接头11与光电耦合器6端口d相连。
宽带光源10发出的光从光纤耦合器端口f入射，经过光纤耦合器端口d进入传感器端口c连接的主光纤，继而从光纤传输线4的端口a射出；被测物体为航空发动机或燃气涡轮机的转子1，转子上有多个叶片，2为其中一个叶片；只有当转子1的叶片转动到传感器的前方测量区域时，光才能经过叶片表面反射再从光纤传输线4返回被控制器检测到；由a端出射的光为宽带光(光谱宽度通常大于500nm)，色散透镜3将宽带光不同的波长成分聚焦到透镜光轴不同的点上；由于光纤传输线4的主光纤直径非常小，只有正好聚焦到叶片表面的波长成分才能被反射进主光纤，这部分光称为传感光；传感光从c端射出进入光纤耦合器e端，进而经过光开关被解调光谱仪检测，解调出传感光的峰值波长即可得到相应的叶尖间隙值；焦点不在叶片表面的波长成分则被主光纤周围的辅助光纤接收从b端射出，这部分光称为触发光。
触发光最终由光电转换模块5检测；由于光电转换模块5的光敏元件为光电二极管，所以它的响应速度很快，当叶片一进入传感器测量区域便可以检测到触发光，并将光信号转换为电信号发送给主控单元7；图2中虚线所示即为触发光转化成的电压信号示意图，每一个脉冲代表一个叶片信号,两个叶片信号之间的时间间隔为T；因为每个叶片的叶尖间隙可能不相等，所以叶片信号的脉冲强度也不一样；在光电转换模块5中增加波形整形电路，通过设置一个简单的阈值u0即可将叶片信号转化成图2中实线所示的等高矩形脉冲信号作为触发信号。
主控单元7在接收到了光电转换模块5发来的触发信号之后，按照一定的时序产生控制信号依次控制光开关切换通道并触发各个光谱仪对传感光进行采样；图3所示即为控制时序的一个例子；在触发信号的上升沿产生一个宽度为dt1的脉冲信号，该信号控制光开关8的输入接输出s1并同时触发第一个光谱仪9解调传感光的峰值波长并得到此刻的叶尖间隙值；在相对触发信号上升沿时间为dt2的时刻产生一个宽度同为dt1的脉冲信号，该信号控制光开关8的输入接输出s2并同时触发第二个光谱仪9解调传感光的峰值波长并得到此刻的叶尖间隙值；若有N个光谱仪，则控制单元产生N个宽度为dt1的脉冲控制信号依次控制光开关8输入接输出s1～sN，并触发N个光谱仪9对传感光进行解调得到相应时刻的叶尖间隙值，第i(i＝1,2,3,…,N)个脉冲控制信号相对触发信号上升沿的时间为(i-1)*dt2；通过这样的方法，在一个叶片信号内对叶尖间隙进行了N点采样；因为每个光谱仪在一个叶片信号内只需要采样一次，所以其采样周期为T；即使在叶片高速旋转的条件下T最小也为几十微秒，因此光谱仪的解调速度能够满足测量要求。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于光谱共焦技术的叶尖间隙测量系统，用于测量航空发动机或燃气涡轮机的转子（1），转子（1）上设有叶片（2），其特征在于，所述叶尖间隙测量系统包括光谱共焦叶尖间隙传感器和控制器，光谱共焦叶尖间隙传感器和控制器依次设置于所述转子（1）的一侧，所述光谱共焦叶尖间隙传感器由色散透镜（3）和光纤传输线（4）组成，所述光纤传输线（4）由位于中心的主光纤和围绕在主光纤周围的辅助光纤组成，光纤传输线（4）靠近色散透镜（3）的一端为第一端口（a），另一端分为第二端口（b）和第三端口（c），所述第一端口（a）连接所述主光纤和辅助光纤，所述第二端口（b）连接所述辅助光纤，所述第三端口（c）连接所述主光纤；
所述控制器包括光电转换模块（5）、光纤耦合器（6）、主控单元（7）、光开关（8）、N个光谱仪（9）、宽带光源（10）；N为大于等于1的整数；所述光纤耦合器（6）包括第四端口（d）、第五端口（e）和第六端口（f）；第二端口（b）通过光纤转接头（11）与光电转换模块（5）相连，所述光电转换模块（5）与主控单元（7）相连；主控单元（7）、光开关（8）分别与光谱仪（9）相连；第三端口（c）通过光纤转接头（11）与光纤耦合器（6）的第四端口（d）相连；第五端口（e）与光开关（8）相连，宽带光源（10）发出的光从光纤耦合器（6）的第六端口（f）入射，经过第四端口（d）进入第三端口（c）连接的主光纤，继而从光纤传输线（4）的第一端口（a）射出；当转子（1）的叶片（2）转动到光谱共焦叶尖间隙传感器的前方测量区域时，光经过叶片（2）表面反射后从光纤传输线（4）返回被控制器检测到；由第一端口（a）出射的光为宽带光，色散透镜（3）将宽带光不同的波长成分聚焦到透镜光轴不同的点上；正好聚焦到叶片（2）表面的波长成分作为传感光被反射进主光纤；传感光从第三端口（c）射出进入第五端口（e），进而经过光开关（8）被光谱仪（9）检测，解调出传感光的峰值波长即可得到相应的叶尖间隙值；焦点不在叶片表面的波长成分作为触发光被主光纤周围的辅助光纤接收从第二端口（b）射出，触发光最终由光电转换模块（5）检测并将光信号转换为电信号发送给主控单元（7）；主控单元（7）在接收到光电转换模块（5）发来的电信号后，产生时序控制信号依次控制光开关（8）切换通道并触发各个光谱仪（9）对传感光进行采样；光电转换模块（5）的光敏元件为光电二极管。
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