CN113108707A - 基于相位式激光测距转静子轴向间隙动态测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于相位式激光测距的转静子轴向间隙动态测量装置，所述测量装置包括射频信号产生模块、信号功率放大模块、光学模块、信号接收和混频模块、信号采集模块和上位机；其中，所述光学模块为基于双波长激光调制共光路的测量方法进行设计的。本发明将相位式激光测距法用于测量航空发动机微小间隙，相比于其他方法具有精度高、抗干扰能力强等优点，并且光纤探头的外径可以做到5mm以内，更适合测量环境狭小的航空发动机内部微小轴向间隙测量。

Description

基于相位式激光测距转静子轴向间隙动态测量装置和方法

技术领域

本发明涉及非接触距离测量领域，尤其涉及一种基于相位式激光测距转静子轴向间隙在线测量装置和方法。

背景技术

航空发动机核心部件工作在极限状态时，其中转静子间的轴向窜动是影响航空发动机性能和安全的重要因素之一。一方面，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。另一方面，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，导致转子和静子之间发生轴向窜动。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，严重情况下会导致发动机损坏，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；有数据表明，叶片间轴向间隙由0.66倍叶片轴向弦长减小到0.23倍叶片轴向弦长时，压气机阶段效率可从1％增加到1.4％。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。

由于转静子工作环境恶劣，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，由此造成的数据损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，而且还能对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。

在传统的航空发动机微小间隙测量方法中，电容法在测量量程10mm时探头端面直径达到60mm，传感器尺寸过大，不适用于航空发动机内部空间十分有限的测量环境；电涡流法仅适用于常温低速的发动机工作环境，不适用于高温下的间隙测量；微波法使用的微波传感器外径同样要达到10mm，并且传感器的波束宽度大，存在空间滤波效应，精度较差。相位式激光测距法是激光测距法的一种，将相位式激光测距法用于测量航空发动机微小间隙，相比于其他方法具有精度高、抗干扰能力强等优点。

结合航空发动机转静子轴向间隙测量环境，现有技术存在以下两个技术问题：

(1)航空发动机内部测量空间狭小和信号引出路径复杂；

(2)在相位式激光测距法中存在信号在电路和光路中传输所产生的附加相位差，同时，在航空发动机这种复杂的测量环境中，使用光纤和光纤器件搭建测量系统，而光纤的长度和纤芯折射率都会随着温度的变化而受到影响，导致调制激光信号在光纤中传输的光程会随着温度变化而发生变化，从而信号在电路和光路中传输所产生的附加相位差会随着温度的变化而发生动态变化，尤其是在温度变化范围比较大的航空发动机内部，其测量环境温度最高达450℃，这种影响显得不可忽略。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于相位式激光测距转静子轴向间隙在线测量装置和方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种基于相位式激光测距转静子轴向间隙在线测量装置，一种基于相位式激光测距的转静子轴向间隙动态测量装置，其特征在于，所述测量装置包括射频信号产生模块、信号功率放大模块、光学模块、信号接收和混频模块、信号采集模块和上位机；其中，所述光学模块为基于双波长激光调制共光路的测量方法进行设计的。

其中，所述光学模块包括激光器、电光调制器、光纤、环形器、光纤探头、待测轴向端面、分光器件和雪崩光电二极管；其中，

所述激光器输出两种不同波长的激光，通过耦合器耦合为一路激光，传输到所述电光调制器接受强度调制；

调制后的双波长激光信号通过光纤传输到环形器，再通过光纤传输到光纤探头，通过反射膜进行分光，分开后的激光信号，一种波长的激光继续传输到所述待测轴向端面后反射回光纤探头用作测量光，另外一种波长的激光通过反射膜反射用作参考光；

两种波长的激光信号反射回环形器，传输到分光器件，分为两路光信号被所述雪崩光电二极管接收。

其中，所述激光器选用半导体蝶形封装激光器，耦合器选用3dB光纤耦合器，光纤选用石英光纤。

其中，所述环形器选用三端口光纤环形器，光纤探头需定制加工到外径5mm以内。

其中，所述分光器件选用波分复用器，雪崩光电二极管选用In GaAs雪崩光电二极管。

其中，所述射频信号产生模块包括时钟基准、微控制器和锁相环；其中，所述时钟基准为系统提供稳定的频率参考，并且用作调制路锁相环和混频路锁相环的时钟基准；所述微控制器控制调制路锁相环和混频路锁相环输出正弦波调制信号和混频信号。

其中，所述时钟基准选用频率稳定度高的温度补偿晶体振荡器作为时钟基准；所述微控制器选用STM32系列单片机；所述锁相环选用模拟锁相环或数字锁相环。

其中，所述信号功率放大模块包括功率放大器和中等功率放大器；

所述信号接收和混频模块包括参考路信号放大和混频器件、测量路信号放大和混频器件和带通滤波器。

作为本发明的另一方面，提供了一种基于相位式激光测距转静子轴向间隙在线测量方法，包括以下步骤：

射频信号产生模块产生的射频信号经过信号功率放大模块进行功率放大，调制信号和混频信号分别通过功率放大器和中等功率放大器进行功率放大；

经过功率放大器放大后的调制信号被输送到电光调制器，用作电光调制器的调制驱动信号；其中，电光调制器选用铌酸锂马赫-曾德尔型强度调制器；

两个激光器输出两种不同波长的激光，通过耦合器耦合到一路激光，传输到电光调制器接受强度调制；其中，激光器选用半导体蝶形封装激光器，耦合器选用3dB光纤耦合器，光纤选用石英光纤；

调制后的双波长激光信号通过光纤传输到环形器，再通过光纤传输到光纤探头，通过反射膜进行分光，分开后的激光信号，一种波长的激光继续传输到待测轴向端面后反射回光纤探头用作测量光，另外一种波长的激光通过反射膜反射用作参考光；其中，环形器选用三端口光纤环形器，光纤探头需定制加工到外径5mm以内；

两种波长的激光信号反射回环形器，传输到分光器件，分为两路光信号被雪崩光电二极管接收；其中，分光器件选用波分复用器，雪崩光电二极管选用In GaAs雪崩光电二极管；

参考信号和测量信号分别进入各自的放大、混频部分进行放大和混频，然后通过带通滤波器进行滤波；其中，放大器使用低噪声放大器，混频器选用ADI公司的混频器芯片，设计带通滤波器的选频带宽为100kHz；

下变频之后的中频测距信号和中频参考信号被信号采集模块采集，并将信号传输到上位机；其中，信号采集模块包括模拟数字转换电路、FPGA和USB3.0模块；

传输到上位机的信号，经过算法处理，得到待测的轴向间隙。

本发明还提供了一种如上所述的测量装置的应用，所述测量装置应用于航空发动机的转静子轴向间隙在线测量。

基于上述技术方案可知，本发明的基于相位式激光测距转静子轴向间隙在线测量装置和方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：

(1)为克服国内外现有轴向间隙测量技术的不足，本发明提供一种基于相位式激光测距的转静子轴向间隙动态测量方法和装置。将相位式激光测距法用于测量航空发动机微小间隙，相比于其他方法具有精度高、抗干扰能力强等优点，并且光纤探头的外径可以做到5mm以内，更适合测量环境狭小的航空发动机内部微小轴向间隙测量。

(2)在本发明对光学模块的设计中提出一种基于双波长激光调制共光路的航空发动机轴向间隙测量方法。首先，在技术方案中已做分析，本发明提出的基于双波长激光调制共光路可以抑制温度对航空发动机轴向间隙测量精度的影响，并能很好的适应航空发动机这类内部温度变化范围较大的测量环境。其次，使用一路光纤传输两种波长的激光，并引出测距信号和参考信号，可以更好地适应航空发动机内部信号引出路径复杂的环境。

附图说明

图1为本发明设计的基于相位式激光测距的转静子轴向间隙动态测量装置示意图；

图2为本发明中的光学模块的结构示意图。

上述附图中，附图标记含义如下：

101、时钟基准；102、微控制器；103、锁相环；104、功率放大器；

105、中等功率放大器；106、激光器；107、电光调制器；108、光纤；

109、环形器；110、光纤探头；111、待测轴向端面；112、分光器件；

113、雪崩光电二极管；114、参考路信号放大和混频模块；

115、测量路信号放大和混频模块；116、带通滤波器；

117、信号采集模块；118、上位机；119、射频信号产生模块；

120、信号功率放大模块；121、光学模块；

122、信号接收和混频模块；

201、激光器；202、耦合器；203、电光调制器；204、环形器；

205、光纤探头；206、分光部件；207、雪崩光电二极管。

具体实施方式

本发明提供一种基于相位式激光测距的转静子轴向间隙动态测量方法和装置，通过此方法和装置，能实现在测量空间有限和信号引出路径复杂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；

在本发明的装置中创新性地提出一种基于双波长激光调制共光路的测量方法，以解决在相位式激光测距法中存在信号在电路和光路中传输所产生的附加相位差并且此相位差会随温度漂移的问题。

本发明提出一种基于相位式激光测距的转静子轴向间隙动态测量装置，其特征在于，所述测量装置包括射频信号产生模块、信号功率放大模块、光学模块、信号接收和混频模块、信号采集模块和上位机；其中，所述光学模块为基于双波长激光调制共光路的测量方法进行设计的。

根据本发明进一步的实施例，所述光学模块包括激光器、电光调制器、光纤、环形器、光纤探头、待测轴向端面、分光器件和雪崩光电二极管；其中，

所述激光器输出两种不同波长的激光，通过耦合器耦合为一路激光，传输到所述电光调制器接受强度调制；

调制后的双波长激光信号通过光纤传输到环形豁，再通过光纤传输到光纤探头，通过反射膜进行分光，分开后的激光信号，一种波长的激光继续传输到所述待测轴向端面后反射回光纤探头用作测量光，另外一种波长的激光通过反射膜反射用作参考光；

两种波长的激光信号反射回环形器，传输到分光器件，分为两路光信号被所述雪崩光电二极管接收。

根据本发明进一步的实施例，所述激光器选用半导体蝶形封装激光器，耦合器选用3dB光纤耦合器，光纤选用石英光纤。

根据本发明进一步的实施例，所述环形器选用三端口光纤环形器，光纤探头需定制加工到外径5mm以内。

根据本发明进一步的实施例，所述分光器件选用波分复用器，雪崩光电二极管选用In GaAs雪崩光电二极管。

根据本发明进一步的实施例，所述射频信号产生模块包括时钟基准、微控制器和锁相环；其中，所述时钟基准为系统提供稳定的频率参考，并且用作调制路锁相环和混频路锁相环的时钟基准；所述微控制器控制调制路锁相环和混频路锁相环输出正弦波调制信号和混频信号。

根据本发明进一步的实施例，所述时钟基准选用频率稳定度高的温度补偿晶体振荡器作为时钟基准；所述微控制器选用STM32系列单片机；所述锁相环选用模拟锁相环或数字锁相环。

根据本发明进一步的实施例，所述信号功率放大模块包括功率放大器和中等功率放大器；

所述信号接收和混频模块包括参考路信号放大和混频器件、测量路信号放大和混频器件和带通滤波器。

本发明还提供了一种使用如上所述的测量装置所进行的基于相位式激光测距的转静子轴向间隙动态测量方法，包括以下步骤：

射频信号产生模块产生的射频信号经过信号功率放大模块进行功率放大，调制信号和混频信号分别通过功率放大器和中等功率放大器进行功率放大；

经过功率放大器放大后的调制信号被输送到电光调制器，用作电光调制器的调制驱动信号；其中，电光调制器选用铌酸锂马赫-曾德尔型强度调制器；

两个激光器输出两种不同波长的激光，通过耦合器耦合到一路激光，传输到电光调制器107接受强度调制；其中，激光器选用半导体蝶形封装激光器，耦合器选用3dB光纤耦合器，光纤选用石英光纤；

调制后的双波长激光信号通过光纤传输到环形器，再通过光纤传输到光纤探头，通过反射膜进行分光，分开后的激光信号，一种波长的激光继续传输到待测轴向端面后反射回光纤探头用作测量光，另外一种波长的激光通过反射膜反射用作参考光；其中，环形器选用三端口光纤环形器，光纤探头110需定制加工到外径5mm以内；

两种波长的激光信号反射回环形器，传输到分光器件，分为两路光信号被雪崩光电二极管接收；其中，分光器件选用波分复用器，雪崩光电二极管选用In GaAs雪崩光电二极管；

参考信号和测量信号分别进入各自的放大、混频部分进行放大和混频，然后通过带通滤波器进行滤波；其中，放大器使用低噪声放大器，混频器选用ADI公司的混频器芯片，设计带通滤波器的选频带宽为100kHz；

下变频之后的中频测距信号和中频参考信号被信号采集模块采集，并将信号传输到上位机；其中，信号采集模块包括模拟数字转换电路、FPGA和USB3.0模块；

传输到上位机的信号，经过算法处理，得到待测的轴向间隙。

本发明还公开了一种如上所述的测量装置的应用，所述测量装置应用于航空发动机的转静子轴向间隙在线测量。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明设计的基于相位式激光测距的转静子轴向间隙动态测量装置主要包括：射频信号产生模块119、信号功率放大模块120、光学模块121、信号接收和混频模块122、信号采集模块117和上位机118。

其中，射频信号产生模块119主要包括：时钟基准(温补晶振)101、微控制器102、锁相环103；

信号功率放大模块120主要包括：功率放大器104、中等功率放大器105；

光学模块121主要包括：激光器106、电光调制器107、光纤108、环形器109、光纤探头110、待测轴向端面111、分光器件112、雪崩光电二极管113；

信号接收和混频模块122主要包括：参考信号放大和混频器件114、测量信号放大和混频器件115、带通滤波器116。

基于相位式激光测距的转静子轴向间隙动态测量方法如下：

第一步，时钟基准101为系统提供稳定的频率参考，并且用作调制路锁相环和混频路锁相环的时钟基准，一般选用温度补偿晶体振荡器作为时钟基准；

进一步，微控制器102设置调制路锁相环工作在频率ω_M模式下，使得调制路锁相环能够输出频率为ω_M的正弦波调制信号S_M；同时，微控制器102设置混频路锁相环工作在频率ω_R模式下，使得混频路锁相环能够输出频率为ω_R的正弦波混频信号S_R。至此，射频信号产生模块119分别可以产生调制频率为ω_M的调制信号S_M和混频频率为ω_R的混频信号S_R。

进一步，由射频信号产生模块119产生的调制频率为ω_M的调制信号S_M和混频频率为ω_R的混频信号S_R通过信号功率放大模块120进行功率放大。其中，由于调制信号S_M要作为驱动信号对电光调制器进行调制，通过功率放大器(PA)对其进行功率放大；混频信号S_R直接进入信号放大、混频部分，通过中等功率放大器(MPA)对其进行功率放大。放大后的混频信号S_R分成两路，S_R1和S_R2，这两路信号用作后续的测量信号混频器和参考信号混频器的混频信号。

进一步，经过功率放大器(PA)放大后的调制信号S_M被输送到电光调制器(EOM)，用作电光调制器的调制驱动信号。

进一步，输出激光波长分别为λ₁和λ₂的两个激光器201分别输出波长为λ₁和λ₂的两束激光，通过耦合器202耦合到一路激光。

进一步，包含有波长为λ₁和λ₂的激光的一路激光输入到电光调制器203(EOM)被调制信号S_M进行强度调制。至此，可以产生波长为λ₁和λ₂的受到调制信号S_M强度调制的调制激光信号S_λ1和S_λ2。

进一步，图1中的光学模块的结构在图2中示出，调制激光信号S_λ1和S_λ2通过同一路光纤进入环形器204，然后又通过同一路光纤到达光纤探头205。

进一步，光纤探头镀有一层反射膜，这层反射膜对波长为λ₁的激光全透射，对波长为λ₂的激光全反射。因此，波长为λ₁的调制激光信号S_λ1到达光纤探头后透过膜，并照射到待测轴向端面上，经过端面漫反射后，被光纤探头接收，并沿着原光纤路径到达环形器；波长为λ₂的调制激光信号S_λ2到达光纤探头后被反射膜反射，并沿着原光纤路径到达环形器。

进一步，重新到达环形器的波长为λ₁和λ₂的调制激光信号S_λ1和S_λ2，再经由同一路光纤到达分光器件，分光器件可以将不同波长的激光分开。因此，调制激光信号S_λ1和S_λ2通过分光部件206之后，分为两路激光信号，S_λ1由一路光纤传输到一个雪崩光电二极管207(APD)，称此一路为测量路，S_λ2由另一路等长光纤传输到另一个APD，称此一路为参考路。

进一步，传输到APD的两路光信号S_λ1和S_λ2通过跨阻放大器分别被转化为电信号S_M1和S_M2。其中，S_M1相比于初始调制信号S_M的相位变化包含两部分：信号在待测距离往返引起的相位差

信号在电路和光学元件中传输时产生的附加相位差

S_M2相比于初始调制信号S_M的相位变化只包含信号在电路和光学元件中传输时产生的附加相位差

在后续的步骤中，需要通过对信号S_M1和S_M2进行比相，而后才能得到信号S_M1中所包含的在待测距离往返引起的相位延迟

可以将S_M1称为测距信号，S_M2称为参考信号。

在某一时刻由调制路锁相环产生的初始调制信号S_M可以用式1表示：

式中，A_M表示初始调制信号S_M的振幅，ω_M表示初始调制信号S_M的调制频率，

表示初始调制信号S_M的初始相位。

则测距信号S_M1和参考信号S_M2可以用式2和式3表示：

式中，A_M1和A_M2分别表示测距信号S_M1和参考信号S_M2的振幅，

为信号在待测距离往返引起的相位差，

为光信号S_λ1在电路和光学元件中传输时产生的附加相位差，

为光信号S_λ2在电路和光学元件中传输时产生的附加相位差。

进一步，测距信号S_M1进入测量信号放大、混频部分，与混频信号S_R1进行混频；参考信号S_M2进入参考信号放大、混频部分，与混频信号S_R2进行混频。混频的目的是下变频，即将频率为ω_M的射频信号S_M1和S_M2变为频率为ω_IF＝ω_M-ω_R的中频信号，便于后续的信号处理和采集。

某一时刻由混频路锁相环产生的初始混频信号S_R可以用式4表示：

式中，A_R表示初始混频信号S_R的振幅，ω_R表示初始混频信号S_R的混频频率，

表示初始混频信号S_R的初始相位。

混频信号S_R1和S_R2可以用式5和式6表示：

式中，A_R1和A_R2分别表示混频信号S_R1和S_R2的振幅。

由于产生调制信号和混频信号所使用的是同一时钟基准，则其初始相位相同，可令

则在混频之后，测量路和参考路得到的信号为：

进一步，反相并经过带通滤波器滤除信号中夹杂的低频干扰和ω_M+ω_R的频率成分后，得到测量路和参考路中频信号：

可将S_IF1和S_IF2用式12和13表示

其中，

ω_IF＝ω_M-ω_R。

进一步，通过信号采集模块，将两路信号采集到上位机进行处理。

进一步，将两路中频信号S_IF1和S_IF2采集到上位机之后，采用相关函数分析法对两路信号进行比相。

两路信号被采样后的序列为：

两个序列各自时间滞后为0的自相关分别记为R_IF1和R_IF2，表示为：

两个序列时间滞后为0的互相关记为R_IF，表示为：

在整周期采样的条件下，有：

R_IF1＝0.5A_IF1 ² (19)

R_IF2＝0.5A_IF2 ² (20)

R_IF＝0.5A_IF2·A_IF2 (21)

按下式可以计算出相位差

其中，

不随待测转静子轴向间隙变化，可以通过标定得到这一常数值。

至此，可以求出信号在待测距离往返引起的相位差

进一步，由相位式激光测距法的原理，有如下待测距离d与信号在待测距离往返引起的相位差

关系：

式中，d为待测轴向间隙，c为光速，ω_M为调制频率。

至此，可以求出待测轴向间隙d。

进一步，本发明中提出的测量方法配合如图2所示的光学模块的结构可以适应航空发动机这类内部温度变化范围较大的测量环境。

在航空发动机内部这种温度变化范围比较大的测量环境中，当温度发生较大变化时，传输激光的光纤长度和纤芯折射率都会发生变化。从而引起光信号S_λ1和S_λ2在光纤中的传输光程发生变化，引起前述的附加相位差

发生变化，公式2和公式3表示的测距信号S_M1和参考信号S_M2发生变化。变化后的信号S_M1′和S_M2′表示为：

和

表示变化后的附加相位差，可以表示为：

式中，

和

为温度引起的附加相位差的变化。

由

其中，

可以由标定得到，

由温度变化引起。

温度对S_λ1和S_λ2在光纤中的传输引起附加相位差的差值

的影响即

由温度对S_λ1和S_λ2传输光程的差值(Δ_λ1-Δ_λ2)的影响引起，而温度对传输光程差值(Δλ1-Δλ2)的影响即是温度对测距误差的影响，以下对温度对光信号S_λ1和S_λ2在光纤中的传输光程差值的影响作简要分析，并借此说明本发明提出的测量方法可以适应航空发动机这类内部温度变化范围较大的测量环境。

在本发明中，两种波长的激光信号S_λ1和S_λ2在航空发动机内部通过同一路光纤进行传输。

两种波长的激光在光纤中传输各自引起的附加相位差所对应的光程分别为：

Δ_λ1＝n_λ1l (29)

Δ_λ2＝n_λ2l (30)

式中Δ_λ1和Δ_λ2表示S_λ1和S_λ2在光纤中的传输光程，n_λ1和n_λ2为波长为λ₁和λ₂的激光在光纤中的折射率，l为光纤的长度。

温度对S_λ1和S_λ2传输光程的差值Δ_λ1-Δ_λ2的影响包括两方面：一方面，温度的变化会使光纤长度变化，从而引起不同波长激光在光纤中的传输光程发生不同变化；另一方面，由于不同波长激光在光纤中的纤芯折射率温度系数不同，温度变化会使不同波长激光在光纤中的折射率发生不同变化，从而引起不同波长激光在光纤中的传输光程发生不同变化。以下对这两方面的影响分别做分析。

当温度发生变化时，光纤的长度会发生变化δl，由此，S_λ1和S_λ2在光纤中的传输光程变为：

Δ_λ1′＝n_λ1l+n_λ1δl (31)

Δ_λ2′＝n_λ2l+n_λ2δl (32)

因此，温度引起光纤长度变化所对应的S_λ1和S_λ2光程差值的变化为：

Δ_tl＝(n_λ1-n_λ2)δl＝(n_λ1-n_λ2)(α_t·δt·l) (33)

式中，α_t为光纤的热膨胀系数，δt为温度变化量。

光纤的热膨胀系数典型值为α_t＝5×10^-7/℃^[1]；适当选取两种激光器的波长，两种激光在石英光纤中的折射率差值n_λ1-n_λ2可在0.001以内^[2]；取温度变化100℃，光纤的长度为1m。

代入式33计算可得，温度引起光纤长度变化所对应的S_λ1和S_λ2光程差值的变化Δ_tl＝0.05μm，轴向间隙的测量精度一般要求为100μm，则使用本发明的测量方法，温度引起光纤长度变化所对应的S_λ1和S_λ2光程差值的变化对于测距精度的影响可以忽略。

当温度发生变化时，激光在光纤中的折射率发生变化，由此，S_λ1和S_λ2在光纤中的传输光程变为：

Δ_λ1″＝n_λ1l+(α_n1·δt)l (34)

Δ_λ2″＝n_λ2l+(α_n2·δt)l (35)

式中，δn_λ1为波长为λ₁的激光的纤芯折射率变化量，δn_λ2为波长为λ₂的激光的纤芯折射率变化量，α_n1为波长为λ₁的激光折射率温度系数，α_n2为波长为λ₂的激光折射率温度系数。

因此，温度引起折射率变化所对应的S_λ1和S_λ2光程差值的变化为：

Δ_tn＝(α_n1-α_n2)δt·l (36)

式中，α_n1-α_n2为两种波长激光折射率温度系数的差值。

适当选取两种激光的波长为，两种波长激光折射率温度系数差值可在1×10^-8/℃以内^[3]，仍取温度变化量为100℃，光纤的长度为1m。

代入式36计算可得，温度引起纤芯折射率变化所对应的S_λ1和S_λ2光程差值的变化Δ_tn＝1μm，则使用本发明的测量方法，温度引起纤芯折射率变化所对应的S_λ1和S_λ2光程差值的变化对于测距精度的影响可以忽略。

至此可以说明，本发明提出的基于相位式激光测距的转静子轴向间隙动态测量方法可以适用于航空发动机内部的转静子轴向间隙测量。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于相位式激光测距的转静子轴向间隙动态测量装置，其特征在于，所述测量装置包括射频信号产生模块、信号功率放大模块、光学模块、信号接收和混频模块、信号采集模块和上位机；其中，所述光学模块为基于双波长激光调制共光路的测量方法进行设计的。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述光学模块包括激光器、电光调制器、光纤、环形器、光纤探头、待测轴向端面、分光器件和雪崩光电二极管；其中，

所述激光器输出两种不同波长的激光，通过耦合器耦合为一路激光，传输到所述电光调制器接受强度调制；

调制后的双波长激光信号通过光纤传输到环形器，再通过光纤传输到光纤探头，通过反射膜进行分光，分开后的激光信号，一种波长的激光继续传输到所述待测轴向端面后反射回光纤探头用作测量光，另外一种波长的激光通过反射膜反射用作参考光；

两种波长的激光信号反射回环形器，传输到分光器件，分为两路光信号被所述雪崩光电二极管接收。

3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述激光器选用半导体蝶形封装激光器，耦合器选用3dB光纤耦合器，光纤选用石英光纤。

4.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述环形器选用三端口光纤环形器，光纤探头需定制加工到外径5mm以内。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述分光器件选用波分复用器，雪崩光电二极管选用In GaAs雪崩光电二极管。

6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述射频信号产生模块包括时钟基准、微控制器和锁相环；其中，所述时钟基准为系统提供稳定的频率参考，并且用作调制路锁相环和混频路锁相环的时钟基准；所述微控制器控制调制路锁相环和混频路锁相环输出正弦波调制信号和混频信号。

7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述时钟基准选用频率稳定度高的温度补偿晶体振荡器作为时钟基准；所述微控制器选用STM32系列单片机；所述锁相环选用模拟锁相环或数字锁相环。

8.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述信号功率放大模块包括功率放大器和中等功率放大器；

所述信号接收和混频模块包括参考路信号放大和混频器件、测量路信号放大和混频器件和带通滤波器。

9.一种使用如权利要求1-8任一项所述的测量装置所进行的基于相位式激光测距的转静子轴向间隙动态测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

射频信号产生模块产生的射频信号经过信号功率放大模块进行功率放大，调制信号和混频信号分别通过功率放大器和中等功率放大器进行功率放大；

经过功率放大器放大后的调制信号被输送到电光调制器，用作电光调制器的调制驱动信号；其中，电光调制器选用铌酸锂马赫-曾德尔型强度调制器；

两个激光器输出两种不同波长的激光，通过耦合器耦合到一路激光，传输到电光调制器接受强度调制；其中，激光器选用半导体蝶形封装激光器，耦合器选用3dB光纤耦合器，光纤选用石英光纤；

调制后的双波长激光信号通过光纤传输到环形器，再通过光纤传输到光纤探头，通过反射膜进行分光，分开后的激光信号，一种波长的激光继续传输到待测轴向端面后反射回光纤探头用作测量光，另外一种波长的激光通过反射膜反射用作参考光；其中，环形器选用三端口光纤环形器，光纤探头需定制加工到外径5mm以内；

两种波长的激光信号反射回环形器，传输到分光器件，分为两路光信号被雪崩光电二极管接收；其中，分光器件选用波分复用器，雪崩光电二极管选用In GaAs雪崩光电二极管；

参考信号和测量信号分别进入各自的放大、混频部分进行放大和混频，然后通过带通滤波器进行滤波；其中，放大器使用低噪声放大器，混频器选用ADI公司的混频器芯片，设计带通滤波器的选频带宽为100kHz；

下变频之后的中频测距信号和中频参考信号被信号采集模块采集，并将信号传输到上位机；其中，信号采集模块包括模拟数字转换电路、FPGA和USB3.0模块；

传输到上位机的信号，经过算法处理，得到待测的轴向间隙。

10.一种如权利要求1-8任一项所述的测量装置的应用，其特征在于，所述测量装置应用于航空发动机的转静子轴向间隙在线测量。

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