CN112129400B - 一种基于光纤束探头的叶尖定时测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤束探头的叶尖定时测量装置及方法，包括叶片叶尖、光源、光纤束探头、第一光纤合束器、第二光纤合束器、第一光纤损耗器、第二光纤损耗器、光纤耦合器、光电探测器、显示终端；光源发出的光进入光纤束探头的发射光纤，当叶尖扫过光纤束探头时，光经叶片叶尖反射后被第一圈接收光纤和第二圈接收光纤接收，接收的光分别通过第一光纤合束器和第二光纤合束器汇合到分别对应的一根光纤，然后分别经过第一光纤损耗器和第二光纤损耗器调节耦合比，光信号经过光纤耦合器耦合到光电探测器中，将光信号转化为电信号，得到叶尖定时信号。相对于传统的光纤束探头而言，提高了叶尖间隙波动情况下的叶尖定时精度。

Description

一种基于光纤束探头的叶尖定时测量装置及方法

技术领域

本发明属于涡轮叶片的叶尖定时领域，涉及一种叶尖定时测量装置及方法，特别是一种基于光纤束探头的叶尖定时测量装置及方法。

背景技术

作为发动机、汽轮机的关键部件，涡轮叶片的健康状态严重影响机器运转以及操作人员安全。由于激振力、热膨胀等因素导致涡轮叶片会发生损伤甚至断裂的情况，危害涡轮发动机的运行安全，因此需要对涡轮叶片进行实时的健康监测。叶尖定时测量是常用的实时监控测量方法，有电容式、微波式、磁阻式、以及光纤束式等。其中光纤束探头由于精度高、响应速度快、不受电磁干扰等因素，具有很大的应用优势。目前传统的光纤叶尖定时探头是中间一根发射光纤，周围环绕六根接收光纤的结构，这样就可以增加接收光强，提高定时精度，得到对称的叶尖定时信号[Reinhardt R,Lancelle D,Magnor O,et al.Opticalsensor with coaxial arranged receiving fibers to measure blade tip timings onaxial compressors.2017IEEE SENSORS.IEEE,2017.]。而另一种改进型的光纤叶尖定时探头还在第一圈接收光纤外面加了第二圈接收光纤，然后将两圈接收光纤接收到的光信号相除，得到的最终信号在一定叶尖间隙范围内随叶尖间隙几乎呈线性变化，使得可以在进行叶尖定时测量的时候同时测量叶尖间隙[S Z Cao,F J Duan and Y G Zhang.Measurementof Rotating Blade Tip Clearance with Fibre-Optic Probe.Journal of Physics:Conference Series 48(2006)873-877.]。

但是目前的叶尖定时光纤传感器都没有解决叶尖间隙波动导致的叶尖定时误差问题。在进行叶尖定时测量时，接收光功率随叶尖间隙变化比较剧烈，因此叶尖间隙波动导致的叶尖定时误差较大。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种于光纤束探头的叶尖定时测量装置及方法，采用芯径渐增的双圈同轴光纤束排布方式，利用光纤损耗器调节光纤束探头两圈接收光纤接收光功率的耦合比，使得总接收光功率保持局部恒定状态，有效规避叶尖间隙波动对叶尖定时测量的影响。

为解决上述技术问题，本发明的一种基于光纤束探头的叶尖定时测量装置，包括叶片叶尖1、光源2、光纤束探头3、第一光纤合束器4、第二光纤合束器5、第一光纤损耗器6、第二光纤损耗器7、光纤耦合器8、光电探测器9；光纤束探头3是双圈同轴的光纤束探头，光纤束探头3包括发射光纤31、第一圈接收光纤32、第二圈接收光纤33；光源2发出的光进入光纤束探头3的发射光纤31，当叶尖扫过光纤束探头3时，发射光纤31发出的光经叶片叶尖1反射后被第一圈接收光纤32和第二圈接收光纤33接收，第一圈接收光纤32和第二圈接收光纤33接收的光分别通过第一光纤合束器4和第二光纤合束器5汇合到分别对应的一根光纤，然后分别经过第一光纤损耗器6和第二光纤损耗器7调节耦合比，两根光纤的光信号经过光纤耦合器8耦合到光电探测器9中，将光信号转化为电信号，得到叶尖定时信号。

作为本发明的一种优选方案，发射光纤31、第一圈接收光纤32、第二圈接收光纤33的尺寸依次增大，且尺寸满足：确定第一圈接收光纤32的接收光功率极大值对应的叶尖间隙值，确定第二圈接收光纤33的接收光功率极大值对应的叶尖间隙值，使得光纤束探头3输出的总接收光功率在所述两个叶尖间隙值范围内变化平缓。

作为本发明的另一种优选方案，第一光纤合束器4输入端光纤纤芯直径与第一圈接收光纤32的纤芯直径相同，第二光纤合束器5的输入端光纤纤芯直径与第二圈接收光纤33的纤芯直径相同。

作为本发明的再一种优选方案，第一光纤损耗器6输入端光纤纤芯直径与第一光纤合束器4输出端光纤纤芯直径相同，第二光纤损耗器7输入端光纤纤芯直径与第二光纤合束器5输出端光纤纤芯直径相同。

本发明还包括一种测量方法，包括上述基于光纤束探头的叶尖定时测量装置，包括以下步骤：

步骤一：连接光路，打开光源，改变叶尖间隙，得到光纤束探头3的总接收光功率随叶尖间隙的变化曲线；

步骤二：根据步骤一得到的总接收光功率变化曲线，调节第一光纤损耗器6和第二光纤损耗器7，保证光纤束探头3的总接收光功率在一定间隙范围内恒定；

步骤三：在总接收光功率恒定的叶尖间隙区间内，安装固定光纤束探头3；

步骤四：启动电机，叶片旋转，光电探测器9实时采集光信号，得到高精度叶尖定时信号。

本发明的有益效果：本发明针对叶尖间隙波动导致光纤束探头的接收光功率波动较大的问题，提出一种基于光纤束探头的叶尖定时测量装置和方法，采用芯径渐增的双圈同轴光纤束排布方式，利用光纤损耗器调节光纤束探头两圈接收光纤的耦合比，可以在特定的叶尖间隙范围内，来调制总接收光功率的方案，实现光纤束探头的总接收光功率局部恒定，不随叶尖间隙变化而变化，提升叶尖定时测量的稳定性和精确度，有效解决了叶尖间隙波动导致的叶尖定时误差的问题。相对于传统的光纤束探头而言，降低了叶尖间隙波动情况下的叶尖定时误差，提高了叶尖间隙波动情况下的叶尖定时精度。

附图说明

图1为叶尖定时测量具体原理示意图；

图2为基于光纤束探头的叶尖定时测量装置示意图；

图3为光纤束探头排列方式示意图；

图4为单圈光纤束探头的接收光功率随叶尖间隙的变化曲线；

图5为双圈光纤束总接收光功率随叶尖间隙的变化曲线。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明具体实施方式做进一步说明。

对于常见的叶尖定时系统，当叶片在旋转过程中，叶片扫过叶尖定时探头时，叶尖定时探头就会接收到一个叶尖定时信号脉冲，根据这个叶尖定时信号脉冲可以分析得到每个叶片转到探头的时间。而当叶片在振动状态下，每旋转一圈，叶尖经过探头的时间t_actual都会不同，通过分析接收到的叶尖定时信号脉冲的到达时间t_actual与期望的叶尖到达时间t_expected之间的差值Δt_i的变化，可以对叶片的振动状态进行监测，如图1所示，以此来实现对叶片的健康状态进行实时检测。

当使用光纤束探头作为叶尖定时探头时，叶尖扫过探头，光纤束探头会接收到在叶尖上反射回来的光信号，即叶尖定时信号脉冲。随着光纤束探头距离待测叶片之间的距离间隙，即叶尖间隙改变的时候，光纤束探头的接收光功率与叶尖间隙的变化关系会先增大后减小，函数曲线的变化趋势类似高斯分布曲线，如图4所示，图中横轴h即为叶尖间隙的大小，纵轴P即为接收光功率值。在接收光功率变化曲线前半部分，随着叶尖间隙的增大，光纤束探头接收光功率逐渐增强，此时叶尖定时误差会逐渐减小；在接收光功率变化曲线后半部分，随着叶尖间隙的增大，光纤束探头接收光功率逐渐减小，此时叶尖定时误差逐渐增大；在接收光功率变化曲线极大值附近，叶尖定时误差最小。因此改进光纤束探头的结构，使得在接收光功率极大值对应的叶尖间隙，即叶尖间隙极值点附近范围，接收光功率恒定，就可以实现在该叶尖间隙附近时，光纤束探头的接收光功率不随叶尖间隙变化，同时叶尖定时误差最小，因此就可以避免叶尖间隙波动的影响，如图5中虚线c所示，a，b分别为第一圈接收光纤与第二圈接收光纤对应曲线。

为了得到在一定叶尖间隙范围内恒定的接收光功率，需要一种双圈同轴的光纤束探头，由于发射光纤周围第一圈接收光纤与第二圈接收光纤距离发射光纤的距离不同，因此两圈接收光纤接收到的光功率随叶尖间隙的变化曲线会相互错开一段叶尖间隙。通过调整发射光纤、第一圈接收光纤、第二圈接收光纤的尺寸参数，可以控制两圈接收光纤的接收光功率错开的叶尖间隙，使错开的叶尖间隙适中，既不会让两个接收光功率变化曲线叠加起来的总接收光功率曲线只有一个峰值，也不会让总接收光功率曲线有两个尖锐的峰值。

由于当光纤束探头的接收光纤不变时，发射光纤纤芯直径越小，叶尖定时信号上升沿就越陡峭，叶尖定时误差就最小，因此需要选择小芯径的发射光纤。由于接收光纤的纤芯直径越大，接收到的反射回来的光功率就越多，因此应该选择大纤芯直径的接收光纤。同时接收光纤的纤芯直径越大，距离发射光纤的距离越远，接收光功率随叶尖间隙的变化曲线的极大值点对应的叶尖间隙越大，因此发射光纤、第一圈接收光纤、第二圈接收光纤的纤芯直径应该依次增大，如图3所示。

确定光纤束探头的结构参数之后，对于确定光纤束探头两圈接收光纤的输出光功率耦合比例的过程，可以在接收光纤后端接上光纤合束器之后，利用光纤损耗器调整两圈接收光纤输出光功率的耦合比例，然后在光纤损耗器后端连接光纤耦合器和光电探测器，观测接收光纤不同输出光功率耦合比例时，光电探测器输出的总接收光功率随叶尖间隙的变化曲线，得到一个最优的接收光功率耦合比例，如图2所示。

结合图2，一种基于光纤束探头的叶尖定时测量装置，具体实施方式如下：

测量装置包括叶片叶尖1、光源2、光纤束探头3、光纤合束器4、光纤合束器5、光纤损耗器6、光纤损耗器7、光纤耦合器8、光电探测器9、显示终端10。

其中光源2可选择普通宽谱光源。光纤束探头3是双圈同轴的光纤束探头，发射光纤31、第一圈接收光纤32、第二圈接收光纤33纤芯直径依次增大。光纤合束器4、光纤合束器5都是多模光纤合束器，输入端光纤的纤芯直径分别与第一圈接收光纤32、第二圈接收光纤33的纤芯直径相同。光纤损耗器6、光纤损耗器7是多模光纤损耗器，输入端光纤的纤芯直径分别与光纤合束器4、光纤合束器5的输出端光纤纤芯直径相同。光纤耦合器8是耦合比为1:1的多模2*2光纤耦合器，两个输入端光纤纤芯直径分别与光纤损耗器6、光纤损耗器7的输出端光纤纤芯直径相同，光纤耦合器8的两个输入端分别与光纤损耗器6、光纤损耗器7的输出光纤纤芯直径相同。

测量装置中光路具体传输过程：如图2所示，光源2发出的光进入光纤束探头3的发射光纤31，发射光纤31发出的光照射到叶片叶尖1上，反射回来的光信号被光纤束探头3的第一圈接收光纤32与第二圈接收光纤33接收到，通过光纤合束器4、光纤合束器5汇合到光纤损耗器7、光纤损耗器8中，然后耦合进入光纤耦合器8，最后进行光电探测器9中将光信号转化为电信号，在显示终端10上得到叶尖定时信号。

一种基于光纤束探头的叶尖定时测量装置配套的叶尖定时测量方法，具体实施方式如下：

步骤一：如图3所示，确认光纤束探头3的结构参数，选择发射光纤31、第一圈接收光纤32、第二圈接收光纤33的尺寸参数，使得三者的纤芯直径依次增大，得到第一圈接收光纤32的接收光功率随叶尖间隙的变化曲线的叶尖间隙极大值点，得到第二圈接收光纤33的接收光功率变化曲线的叶尖间隙极大值点，使得两个叶尖间隙极大值点分开的距离适中，使得光纤束探头3输出的总接收光功率在两个叶尖间隙极大值点范围内变化平缓，即使得光纤束探头3输出的总接收光功率在两个叶尖间隙极大值点范围内保持不变或变化幅度小于给定阈值，例如10％，既不会让总接收光功率变化曲线只有一个峰值，也不会让总接收光功率变化曲线有两个尖锐的峰值，如图5中的虚线c；

如图2所示，连接光路，打开光源2，将叶片叶尖旋转到光纤束探头3正前方，使得叶尖表面的法线与光纤束探头的中心轴线平行，保持叶片不动。从小到大改变光纤束探头3与叶片叶尖1之间的叶尖间隙，观察光电探测器9输出的总接收光功率随叶尖间隙的变化关系，确认总接收光功率变化曲线的平缓区域。

步骤二：调节光纤损耗器6、光纤损耗器7，确认进入光纤耦合器中光功率的最优耦合比例，保证光纤束探头3的总接收光功率在一定间隙范围内恒定，并保持光纤损耗器6、光纤损耗器7不变，调节后的总接收光功率变化曲线如图5中的d线所示；

步骤三：在此时的总接收光功率变化曲线保持局部恒定的叶尖间隙范围内选择一个叶尖间隙，在进行叶尖定时测量时将其作为安装光纤束探头3的叶尖间隙；

步骤四：启动电机，使叶片旋转，利用基于光纤束探头的叶尖定时测量装置，得到高精度的叶尖定时信号。

本发明具体实施方式还包括：

本发明的一种基于光纤束探头的叶尖定时测量装置，包括叶片叶尖1、光源2、光纤束探头3、光纤合束器4、光纤合束器5、光纤损耗器6、光纤损耗器7、光纤耦合器8、光电探测器9、显示终端10。

光纤束探头3是双圈同轴的光纤束探头，其发射光纤31、第一圈接收光纤32、第二圈接收光纤33的尺寸依次增大；

光纤合束器4输入端光纤纤芯直径与第一圈接收光纤32的纤芯直径相同，光纤合束器5的输入端光纤纤芯直径与第二圈接收光纤33的纤芯直径相同；

光纤损耗器6输入端光纤纤芯直径与光纤合束器4输出端光纤纤芯直径相同，光纤损耗器7输入端光纤纤芯直径与光纤合束器5输出端光纤纤芯直径相同，

光源2发出的光进入光纤束探头3的发射光纤31，发射光纤31发出的光照射到叶片叶尖1上，反射回来的光信号被光纤束探头3的第一圈接收光纤32和第二圈接收光纤33接收到，通过光纤合束器4、光纤合束器5分别汇合到一根光纤，随后经过光纤损耗器6、光纤损耗器7调节耦合比，再经过光纤耦合器8耦合到光电探测器9中，将光信号转化为电信号，将电信号送入显示终端10，得到叶尖定时信号。

采用本发明测量装置的测量方法，步骤如下：

步骤一：连接光路，打开光源，改变叶尖间隙，得到光纤束探头3的总接收光功率随叶尖间隙的变化曲线；

步骤二：根据步骤一得到的总接收光功率变化曲线，调节光纤损耗器，确定最优的耦合比例，保证光纤束探头3的总接收光功率在一定间隙范围内恒定；

步骤三：在总接收光功率局部恒定的叶尖间隙区间内，安装固定光纤束探头3；

步骤四：启动电机，叶片旋转，光电探测器9实时采集光信号，得到高精度叶尖定时信号。

在测量装置中采用芯径渐增的双圈同轴光纤束排布方式，并使用了光纤损耗器，对光纤束探头的两圈接收光纤的输出光功率耦合比例进行调整，使得光纤束探头的总接收光功率在一定叶尖间隙范围内局部恒定。当进行叶尖定时测量时，在该叶尖间隙范围内，叶尖定时信号不随叶尖间隙的变化而变化，解决了在叶尖间隙波动情况下叶尖定时误差的问题，实现了在叶尖间隙波动条件下进行高精度的叶尖定时测量。

Claims (5)

1.一种基于光纤束探头的叶尖定时测量装置，其特征在于：包括叶片叶尖(1)、光源(2)、光纤束探头(3)、第一光纤合束器(4)、第二光纤合束器(5)、第一光纤损耗器(6)、第二光纤损耗器(7)、光纤耦合器(8)、光电探测器(9)；所述光纤束探头(3)是双圈同轴的光纤束探头，光纤束探头(3)包括发射光纤(31)、第一圈接收光纤(32)、第二圈接收光纤(33)；光源(2)发出的光进入光纤束探头(3)的发射光纤(31)，当叶尖扫过光纤束探头(3)时，发射光纤(31)发出的光经叶片叶尖(1)反射后被第一圈接收光纤(32)和第二圈接收光纤(33)接收，第一圈接收光纤(32)和第二圈接收光纤(33)接收的光分别通过第一光纤合束器(4)和第二光纤合束器(5)汇合到分别对应的一根光纤，根据总接收光功率随叶尖间隙的变化曲线，分别经过第一光纤损耗器(6)和第二光纤损耗器(7)调节耦合比，保证光纤束探头(3)的总接收光功率在一定间隙范围内恒定，两根光纤的光信号经过光纤耦合器(8)耦合到光电探测器(9)中，将光信号转化为电信号，得到叶尖定时信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤束探头的叶尖定时测量装置，其特征在于：所述发射光纤(31)、第一圈接收光纤(32)、第二圈接收光纤(33)的尺寸依次增大，且尺寸满足：确定第一圈接收光纤(32)的接收光功率极大值对应的叶尖间隙值，确定第二圈接收光纤(33)的接收光功率极大值对应的叶尖间隙值，使得光纤束探头(3)输出的总接收光功率在两个所述 叶尖间隙值范围内变化平缓。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤束探头的叶尖定时测量装置，其特征在于：第一光纤合束器(4)输入端光纤纤芯直径与第一圈接收光纤(32)的纤芯直径相同，第二光纤合束器(5)的输入端光纤纤芯直径与第二圈接收光纤(33)的纤芯直径相同。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤束探头的叶尖定时测量装置，其特征在于：第一光纤损耗器(6)输入端光纤纤芯直径与第一光纤合束器(4)输出端光纤纤芯直径相同，第二光纤损耗器(7)输入端光纤纤芯直径与第二光纤合束器(5)输出端光纤纤芯直径相同。

5.一种测量方法，包括权利要求1或2所述一种基于光纤束探头的叶尖定时测量装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：连接光路，打开光源，改变叶尖间隙，得到光纤束探头(3)的总接收光功率随叶尖间隙的变化曲线；

步骤二：根据步骤一得到的总接收光功率变化曲线，调节第一光纤损耗器(6)和第二光纤损耗器(7)，保证光纤束探头(3)的总接收光功率在一定间隙范围内恒定；

步骤三：在总接收光功率恒定的叶尖间隙区间内，安装固定光纤束探头(3)；

步骤四：启动电机，叶片旋转，光电探测器(9)实时采集光信号，得到高精度叶尖定时信号。

Images