CN110081829A - 基于菲索共光路结构的转静子轴向间隙在线测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及非接触测距领域，为提出一种基于菲索共光路结构的转静子轴向间隙在线测量系统。该系统通过设计菲索共光路干涉结构和小尺寸、耐高温光纤传感器，实现高温、空间受限条件下航空发动机转静子轴向间隙的非接触实时在线精确测量，监测发动机转静子的运行状态，为现代航空发动机转静子轴向间隙的最佳设计和控制提供基础性数据来源。为此，本发明，基于菲索共光路结构的转静子轴向间隙在线测量系统，包括：扫频光源，光纤，耦合器，环形器，光纤探头，光电二极管，信号调理模块，信号采集模块，耦合器，光纤延迟器，平衡接收模块，过零检测模块，控制器。本发明主要应用于非接触测距场合。
Description
技术领域
本发明涉及非接触测距领域，尤其是涉及航空发动机转静子轴向间隙测量领域。
背景技术
航空发动机被称为工业皇冠上的明珠，是飞机的“心脏”，也是制约我国航空工业发展的瓶颈之一。现代航空发动机正朝高推重比、高增压比及高涡轮前温度方向发展，发动机核心部件工作在极限状态，其中转静子间的轴向窜动是影响发动机性能和安全的重要因素之一。航空发动机在运行状态过渡态中，承受着许多非线性激励源的作用，直接致使其转静子部件间发生变形和轴向窜动，导致机匣与转子、密封篦齿与叶片以及动静叶栅之间的轴向间隙发生变化。与此同时，发动机内部的温度分布不均匀，而高速旋转的转静子系统会产生非均匀温度应力和非均匀热膨胀，导致转子与静子之间产生轴向窜动。以上两方面因素的共同耦合，直接导致航空发动机转静子间的轴向间隙发生较大变化，极端情况下甚至超过10mm。当转静子轴向窜动较大时，可能会损坏发动机，造成巨大的经济损失甚至威胁到人身安全。另外，研究表明，航空发动机压气机内部的轴向间隙由大变小时，叶列间势流干扰增强，扩压能力提高，这可使发动机效率显著提升。与此同时，现代航空发动机正朝着级间紧凑排列的方向发展，轴向间隙的优化设计能有效提升发动机效率和性能。
由于航空发动机转静子轴向间隙的测量过程存在测量环境温度高(300℃/450℃)、测量空间狭小、信号线引出路径复杂、测量量程较大(叶尖间隙量程一般在3mm左右，而轴向间隙量程一般在10mm左右)、测量精度要求高、传感器安装空间狭小等难题，到目前为止，还无有效的转静子轴向间隙测量手段。航空发动机转静子间轴向间隙的动态变化规律尚不明确，由此造成的数据缺失已成为制约航空发动机优化设计及运行安全监测的瓶颈之一。航空发动机转静子轴向间隙已被列为现代航空发动机设计的重要优化和控制参量。因此，航空发动机转静子轴向间隙的非接触实时在线精确测量，不仅对航空发动机转静子运行状态的健康监测至关重要，而且还能为现代先进航空发动机转静子轴向间隙的最佳设计和控制提供重要的基础性数据来源。
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菲索共光路结构的转静子轴向间隙在线测量系统。该系统通过设计菲索共光路干涉结构和小尺寸、耐高温光纤传感器，实现高温、空间受限条件下航空发动机转静子轴向间隙的非接触实时在线精确测量，监测发动机转静子的运行状态，为现代航空发动机转静子轴向间隙的最佳设计和控制提供基础性数据来源。为此，本发明采取的技术方案是，基于菲索共光路结构的转静子轴向间隙在线测量系统，包括：扫频光源，光纤，耦合器，环形器，光纤探头，光电二极管，信号调理模块，信号采集模块，耦合器，光纤延迟器，平衡接收模块，过零检测模块，控制器；
扫频光源发射扫频激光，通过光纤耦合进耦合器的输入端；耦合器的第一个输出端通过光纤与环形器的输入端连接；环形器的第一个输出端通过光纤与光纤探头连接；光纤探头的表面经过特殊处理，使扫频激光一部分射到被测物表面并反射，另一部分在光纤探头的表面直接反射，被测物表面反射光与光纤探头表面的反射光发生干涉，经过光纤回到环形器的第一个输出端，并由环形器的第二个输出端传出，干涉光信号由环形器的第二个输出端传出后经过光纤由光电二极管接收；光电二极管接收干涉光信号后产生电信号，传输至第一信号调理模块，第一信号调理模块将电信号进行调理后传输至信号采集模块；耦合器的第二个输出端通过光纤进入第一个耦合器的输入端；第一个耦合器的第一个输出端通过光纤与光纤延迟器连接；，第一个耦合器的第二个输出端通过光纤与第二个耦合器的第一个输入端连接；光纤延迟器的输出端通过光纤与第二个耦合器的第二个输入端连接；两路光信号在第二个耦合器发生干涉，并由平衡接收模块接收，平衡接收模块接收的光信号由第二信号调理模块调理；经过第二信号调理模块调理的信号进入过零比较器，产生等k间隔的采样时钟信号；过零比较器产生的等k间隔的采样时钟信号驱动信号采集模块；信号采集模块采集到的信号经由控制器控制输出。
控制器控制扫频光源1及第二采集模块。
还包括上位计算机，控制器控制输出的信号经上位计算机通过傅里叶变换估算干涉信号的频率，根据式(1)实现转静子轴向间隙信号的非接触在线测量，式中X(k)为转静子间隙测量值，x(n)为采集到的干涉信号，其中k为离散频率位置，n为离散时间位置：
扫频光源采用常见的等频率间隔扫频光源或等波长间隔扫频光源；光纤采用模光纤；耦合器采用常见的光纤分光器；环形器可采用保偏三端口光环形器、光纤环形器、光纤三端口环形器；环形器的作用是使干涉光信号传输至光电二极管，而不能传输至耦合器。
光纤探头可采用渐变折射率透镜或光纤+石英透镜的传感器结构，并在光纤端面镀弱反射膜，环形器、光纤探头、及环形器和光纤探头之间的光纤构成菲索干涉结构，光纤探头端面处反射的参考光信号与被侧面处反射光信号在同一根光纤中传播，抵消由温漂、振动导致的温度漂移与相位抖动；干涉信号到达环形器时会传输至光电二极管。
光电二极管可采用雪崩光电二极管或PIN二极管；第一个信号调理模块可由跨阻放大电路和滤波电路组成；信号采集模块可采用模拟数字转换模块；耦合器可采用光纤分光器，光纤延迟器选择具光程差的单模光纤或多模光纤，光纤延长器的等效光程差为s，轴向间距等效光程差为s0,则应满足s≤s0。
平衡接收模块可采用两组光电二极管和跨阻放大电路组成。
本发明的特点及有益效果是：
采用本发明提出的基于菲索共光路结构的转静子轴向间隙在线测量系统，可获得以下有益效果：
1)基于菲索共光路结构的转静子轴向间隙在线测量系统，通过设计小尺寸、耐高温的光纤探头，实现极端服役条件下发动机转静子轴向间隙的在线测量。
2)基于菲索共光路结构的转静子轴向间隙在线测量系统，通过设计菲索共光路干涉结构，使扫频光信号先发生干涉，再进行传输，能够抵消光信号在传输过程中产生的温度漂移和相位抖动，提高间隙测量的精度。
附图说明：
图1一种基于菲索共光路结构的转静子轴向间隙在线测量系统
图1中，1为扫频光源，2为光纤，3为耦合器，4为环形器，5光纤探头，6为光电二极管，7为信号调理模块，8为信号采集模块，9为3dB耦合器，10位光纤延迟器，11为平衡接收模块，12为过零检测模块，13为控制器，14为上位机。
具体实施方式
为实现本发明目的，提出的一种基于菲索共光路结构的转静子轴向间隙在线测量系统，如图1所示，包括：扫频光源1，光纤2，耦合器3，环形器4，光纤探头5，光电二极管6，信号调理模块7，信号采集模块8，3dB耦合器9，光纤延迟器10，平衡接收模块11，过零检测模块12，控制器13，上位机14。
一种基于菲索共光路结构的转静子轴向间隙在线测量系统，见图1，扫频光源1发射扫频激光，通过光纤2耦合进耦合器3的输入端。
进一步地，耦合器3的第一个输出端通过光纤2与环形器4的输入端连接。
进一步地，环形器4的第一个输出端通过光纤2与光纤探头5连接。
进一步地，光纤探头5的表面经过特殊处理，使扫频激光一部分射到被测物表面并反射，另一部分在光纤探头5的表面直接反射。
进一步地，被测物表面反射光与光纤探头5表面的反射光发生干涉，经过光纤2回到环形器4的第一个输出端，并由环形器4的第二个输出端传出。
进一步地，干涉光信号由环形器4的第二个输出端传出后经过光纤2由光电二极管6接收。
进一步地，光电二极管6接收干涉光信号后产生电信号，传输至信号调理模块7。
进一步地，信号调理模块7将电信号进行调理后传输至信号采集模块8。
进一步地，耦合器3的第二个输出端通过光纤2进入第一个3dB耦合器9的输入端。
进一步地，第一个3dB耦合器9的第一个输出端通过光纤2与光纤延迟器10连接。
进一步地，第一个3dB耦合器9的第二个输出端通过光纤2与第二个3dB耦合器9的第一个输入端连接。
进一步地，光纤延迟器10的输出端通过光纤2与第二个3dB耦合器9的第二个输入端连接。
进一步地，两路光信号在第二个3dB耦合器9发生干涉，并由平衡接收模块11接收。
进一步地，平衡接收模块11接收的光信号由信号调理模块8调理。
进一步地，经过信号调理模块8调理的信号进入过零比较器12，产生等k间隔的采样时钟信号。
进一步地，过零比较器12产生的等k间隔的采样时钟信号驱动信号采集模块8。
进一步地，信号采集模块8采集到的信号经由控制器13传送至上位机14。
进一步地，控制器13可以控制扫频光源1。
进一步地，控制器13可以控制信号采集模块8。
进一步地，上位机14通过傅里叶变换估算干涉信号的频率，根据式(1)实现转静子轴向间隙信号的非接触在线测量。式中X(k)为转静子间隙测量值，x(n)为采集到的干涉信号。其中k为离散频率位置，n为离散时间位置。
进一步地，扫频光源1可采用常见的等频率间隔扫频光源或等波长间隔扫频光源。如采用等频率间隔扫频光源。
进一步地，光纤2可采用光纤或者多模光纤等。如采用单模光纤。
进一步地，耦合器3可采用常见的光纤分光器。如采用分光比为1:4的光纤分光器，且第一个输出端口分得80％光强，第二个输出端口分得20％光强。
进一步地，环形器4可采用常见的保偏三端口光环形器、光纤环形器、光纤三端口环形器等。如采用光纤环形器。环形器4的作用是使干涉光信号传输至光电二极管6，而不能传输至耦合器3。
进一步地，光纤探头5可采用渐变折射率透镜或光纤+石英透镜的传感器结构，并在光纤端面镀弱反射膜。如采用光纤+石英透镜的传感器结构，并在光纤端面镀弱反射膜。这种结构具有多种有点：能够使一部分光信号在端面处反射，另一部分在被侧面发射，并在端面处发生干涉；能够耐450℃高温，在发动机极短服役条件下实现转静子轴向间隙的测量。
进一步地，环形器4、光纤探头5、及环形器4和光纤探头5之间的光纤2构成了菲索干涉结构，光纤探头5端面处反射的参考光信号与被侧面处反射光信号在同一根光纤中传播，能够抵消由温漂、振动等导致的温度漂移与相位抖动。同时，干涉信号到达环形器4时会传输至光电二极管6。本发明设计的适用于发动机转静子测量领域的耐高温菲索干涉结构，能够实现发动机转静子的高精度在线测量。
进一步地，光电二极管6可采用常见的雪崩光电二极管或PIN二极管等。如采用PIN二极管。
进一步地，信号调理模块7可由跨阻放大电路和滤波电路组成。如采用基于高精度、高速预算放大器OPA847设计的跨阻放大电路和二阶有源带通滤波器。
进一步地，信号采集模块8可采用模拟数字转换模块。如采用基于型号为EP4CE622C8N的FPGA设计的高速采集卡。
进一步地，3dB耦合器9可采用常见的光纤分光器。如采用分光比为1:1的光纤分光器。
进一步地，光纤延迟器10可选择常见的一定光程差的单模光纤或多模光纤。设光纤延长器13的等效光程差为s，轴向间距等效光程差为s0,则应满足s≤s0min。如采用等效光程差为s＝s0min/2的单模光纤。
进一步地，平衡接收模块11可采用两路光电二极管和跨阻放大电路组成。如采用两路PIN二极管和基于高精度、高速预算放大器OPA847设计的跨阻放大电路。
进一步地，过零比较模块12可采用过零比较电路。如基于高速比较器LM311设计过零比较电路。
进一步地，控制器13可采用高级精简指令集机器(ARM)、现场可编程门阵列(FPGA)等。
进一步地，上位机14可采用一般的个人计算机。
Claims (7)
1.一种基于菲索共光路结构的转静子轴向间隙在线测量系统，其特征是，包括：扫频光源，光纤，耦合器，环形器，光纤探头，光电二极管，信号调理模块，信号采集模块，耦合器，光纤延迟器，平衡接收模块，过零检测模块，控制器；扫频光源发射扫频激光，通过光纤耦合进耦合器的输入端；耦合器的第一个输出端通过光纤与环形器的输入端连接；环形器的第一个输出端通过光纤与光纤探头连接；光纤探头的表面经过特殊处理，使扫频激光一部分射到被测物表面并反射，另一部分在光纤探头的表面直接反射，被测物表面反射光与光纤探头表面的反射光发生干涉，经过光纤回到环形器的第一个输出端，并由环形器的第二个输出端传出，干涉光信号由环形器的第二个输出端传出后经过光纤由光电二极管接收；光电二极管接收干涉光信号后产生电信号，传输至第一信号调理模块，第一信号调理模块将电信号进行调理后传输至信号采集模块；耦合器的第二个输出端通过光纤进入第一个耦合器的输入端；第一个耦合器的第一个输出端通过光纤与光纤延迟器连接；，第一个耦合器的第二个输出端通过光纤与第二个耦合器的第一个输入端连接；光纤延迟器的输出端通过光纤与第二个耦合器的第二个输入端连接；两路光信号在第二个耦合器发生干涉，并由平衡接收模块接收，平衡接收模块接收的光信号由第二信号调理模块调理；经过第二信号调理模块调理的信号进入过零比较器，产生等k间隔的采样时钟信号；过零比较器产生的等k间隔的采样时钟信号驱动信号采集模块；信号采集模块采集到的信号经由控制器控制输出。
2.如权利要求1所述的基于菲索共光路结构的转静子轴向间隙在线测量系统，其特征是，控制器控制扫频光源1及第二采集模块。
3.如权利要求1所述的基于菲索共光路结构的转静子轴向间隙在线测量系统，其特征是，还包括上位计算机，控制器控制输出的信号经上位计算机通过傅里叶变换估算干涉信号的频率，根据式(1)实现转静子轴向间隙信号的非接触在线测量，式中X(k)为转静子间隙测量值，x(n)为采集到的干涉信号，其中k为离散频率位置，n为离散时间位置：
4.如权利要求1所述的基于菲索共光路结构的转静子轴向间隙在线测量系统，其特征是，扫频光源采用常见的等频率间隔扫频光源或等波长间隔扫频光源；光纤采用模光纤；耦合器采用常见的光纤分光器；环形器可采用保偏三端口光环形器、光纤环形器、光纤三端口环形器；环形器的作用是使干涉光信号传输至光电二极管，而不能传输至耦合器。
5.如权利要求1所述的基于菲索共光路结构的转静子轴向间隙在线测量系统，其特征是，光纤探头可采用渐变折射率透镜或光纤+石英透镜的传感器结构，并在光纤端面镀弱反射膜，环形器、光纤探头、及环形器和光纤探头之间的光纤构成菲索干涉结构，光纤探头端面处反射的参考光信号与被侧面处反射光信号在同一根光纤中传播，抵消由温漂、振动导致的温度漂移与相位抖动；干涉信号到达环形器时会传输至光电二极管。
6.如权利要求1所述的基于菲索共光路结构的转静子轴向间隙在线测量系统，其特征是，光电二极管可采用雪崩光电二极管或PIN二极管；第一个信号调理模块可由跨阻放大电路和滤波电路组成；信号采集模块可采用模拟数字转换模块；耦合器可采用光纤分光器，光纤延迟器选择具光程差的单模光纤或多模光纤，光纤延长器的等效光程差为s，轴向间距等效光程差为s0,则应满足s≤s0。
7.如权利要求1所述的基于菲索共光路结构的转静子轴向间隙在线测量系统，其特征是，平衡接收模块可采用两组光电二极管和跨阻放大电路组成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190802 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |