CN114354202B - 一种实时监测涡轮叶片振动和温度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种实时监测涡轮叶片振动和温度的装置及方法，涉及发动机领域。实时监测涡轮叶片振动和温度的装置的工作原理：激光发射组件发出的光通过发射光纤传送至涡轮叶片处，每个涡轮叶片在旋转过程中通过传感器探头时产生的散射光和热辐射分别通过散射光接收光纤和热辐射接收光纤进行接收并输出，经过多光纤耦合器将发射光纤、散射光接收光纤和热辐射接收光纤进行分离，散射光接收光纤将接收到的光限号传送到振动光电转换模块中进行处理后送入信号采集与数据处理系统；热辐射接收光纤将接收到的热辐射信号传送至温度光电转换模块中进行处理后送入信号采集与数据处理系统。通过该装置和方法可以实现监测涡轮叶片的振动和温度。

Description

一种实时监测涡轮叶片振动和温度的装置及方法

技术领域

本发明涉及发动机领域，具体而言，涉及一种实时监测涡轮叶片振动和温度的装置及方法。

背景技术

随着航空发动机不断向着高性能，高推重比的方向发展，涡轮叶片的工作环境变得更加极端，高温、高压、高负载以及高转速环境会显著降低涡轮叶片的工作寿命，使得叶片材料强度降低，而伴随着航空发动机运转时产生的叶片振动会导致一些叶片产生裂纹甚至发生疲劳断裂等，高转速下一个叶片的断裂将导致整台发动机的完全损坏，为提高航空发动机运行的可靠性，必须实现航空发动机涡轮叶片工作环境温度以及叶片振动状态的准确测量。

但是，目前现有技术没有可以同时准确测量航空发动机涡轮叶片工作环境温度以及叶片振动状态的装置。

发明内容

本发明的目的一种实时监测涡轮叶片振动和温度的装置及方法，旨在精确地测量航空发动机涡轮叶片工作环境温度以及叶片振动状态。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明提供一种实时监测涡轮叶片振动和温度的装置，包括光纤束式传感器、激光发射组件、温度光电转换模块、振动光电转换模块和信号采集与数据处理系统；

光纤束式传感器包括传感器探头、多光纤耦合器、发射光纤和接收光纤，传感器探头用于安装于涡轮叶片外侧，接收光纤包括散射光接收光纤和热辐射接收光纤，发射光纤用于将激光发射组件发出的光传送至涡轮叶片，接收光纤用于将每个涡轮叶片在旋转过程中通过传感器探头时产生的散射光和热辐射进行接收并输出，多光纤耦合器用于将发射光纤、散射光接收光纤和热辐射接收光纤进行分离；

散射光接收光纤与振动光电转换模块相连，以将接收到的光限号传送到振动光电转换模块中进行处理后送入信号采集与数据处理系统；

热辐射接收光纤与温度光电转换模块相连，以将接收到的热辐射信号传送至温度光电转换模块中进行处理后送入信号采集与数据处理系统。

在可选的实施方式中，还包括滤光片组件，热辐射接收光纤将接收到的热辐射信号分为两路传送，且两路信号均通过滤光片组件进行滤波选择后传送至温度光电转换模块中进行处理。

在可选的实施方式中，滤光片组件包括滤光片本体、第一准直器和第二准直器，第一准直器和第二准直器分别位于滤光片本体的两侧。

在可选的实施方式中，还包括用于安装于涡轮叶片转轴外侧的转速同步传感器，转速同步传感器与信号采集与数据处理系统相连，以同步采集转轴每旋转一周输出的脉冲信号送入信号采集与数据处理系统。

在可选的实施方式中，还包括计算机显示端，信号采集与数据处理系统是采用辐射式比色测温方法和基于间断相位法的叶尖定时原理对多路信号进行分析处理，并将结果传入至计算机显示端进行显示。

在可选的实施方式中，光纤束式传感器还包括保护套和用于与外界设备连接的ST接头，保护套包裹从传感器探头中引出的光纤束和从多光纤耦合器引出的光路。

在可选的实施方式中，光纤束式传感器采用全光纤结构，发射光纤、热辐射接收光纤和散射光接收光纤组成光纤束布置于传感器探头中，发射光纤为一路光纤，热辐射接收光纤和散射光接收光纤均为两路或两路以上的光纤；

在传感器探头中发射光纤位于光纤束中心，热辐射接收光纤和散射光接收光纤以同心圆的方式分布于发射光纤的周围，两路热辐射接收光纤对称布置。

在可选的实施方式中，传感器探头包括壳体、插入壳体内的探头插芯和插芯紧固螺钉，壳体和探头插芯均设置有与插芯紧固螺钉相配合的螺纹孔；

探头插芯为中空套筒，且探头插芯包括第一插芯段和内径小于第一插芯段的第二插芯段，发射光纤、热辐射接收光纤和散射光接收光纤从第一插芯段插入，并伸入至第二插芯段，且与第二插芯段的端部平齐；

涡轮叶片工作环境为高温环境，传感器探头头部周向溅射高温金属，探头插芯顶端外壁溅镀一层氧化硅保护膜，传感器探头可配套采用中空不锈钢壳体，增加空冷套筒，配套冷却气源，通过引入外部冷却气体进行传感器实时降温。

第二方面，本发明提供一种用于实时监测涡轮叶片振动和温度的方法，其采用前述实施方式中任一项的实时监测涡轮叶片振动和温度的装置，包括：

激光发射组件发出的光通过发射光纤传送至涡轮叶片处，每个涡轮叶片在旋转过程中通过传感器探头时产生的散射光和热辐射分别通过散射光接收光纤和热辐射接收光纤进行接收并输出，经过多光纤耦合器将发射光纤、散射光接收光纤和热辐射接收光纤进行分离；

散射光接收光纤将接收到的光限号传送到振动光电转换模块中进行处理后送入信号采集与数据处理系统；

热辐射接收光纤将接收到的热辐射信号传送至温度光电转换模块中进行处理后送入信号采集与数据处理系统；

优选地，滤波片组件中心波长选择比色测温方法中两个光谱辐射度相近的光谱波长，并与激光发射组件发射的波长不同。

在可选的实施方式中，信号采集与数据处理系统是采用基于间断相位法的叶尖定时原理进行分析处理，以得到涡轮叶片的振动信息；采用辐射式比色测温方法进行分析处理，以得到涡轮叶片的温度信息；

优选地，基于间断相位法的叶尖定时法计算涡轮叶片的振动位移，计算过程如下：

光纤束式传感器与转速同步传感器同步工作，光纤束式传感器采集到的脉冲信号经过振动光电转换模块光电转换、多级放大后输出叶尖定时信号，叶尖定时信号上升沿记录了涡轮叶片顶部旋转经过光纤束式传感器探头的实际时间，转速同步传感器作为参考键相，同步得到转轴每旋转一周输出的一个脉冲信号；

当叶片发生振动时，叶片到达光纤束式传感器探头的时间取决于叶片的振动幅值和频率，为叶片实际到达时间；叶片在旋转第x_bn圈时的振动位移为：

x_bn＝(t_bn-t_Kn)v_Kn-S_b,K (1-1)

其中，

式中，b为涡轮叶片编号，R为叶片旋转半径；

S_b,K表示涡轮叶片编号为b的叶片与转速传感器参考键相之间的弧长；

V_Kn为涡轮叶片叶顶线速度转动角度；

t_Kn、t_Kn+1表示转速传感器参考键相时间点；

t_bn表示涡轮叶片时间点；

Δt_bn表示编号为b的涡轮叶片到达光纤束式传感器探头与参考键相之间的时间差；

优选地，传感器探头直接与涡轮叶片温度场接触，辐射光通过热辐射接收光纤进行收集并传输，经过光纤耦合器分为两路传至两个不同波长的滤光片组件滤波后传入温度光电转换模块进行光电转换和放大，再由信号采集与数据处理系统进行比色处理，最后得到涡轮叶片温度场温度；计算过程如下：

根据经典普朗克黑体辐射定律可知温度为T的单位面积元的绝对黑体在半球方向辐射波长为λ时的辐射出射度M₀(λ,T)为：

式中，h为普朗克常数，大小为6.6261×10^-34J·s；

c为电磁波在真空中的传播速度，大小为2.9979×10⁸m/s；

K为玻尔兹曼常数，大小为1.3807×10^-23J/K；

将式(2-1)进行简化，可得：

式中，C₁为第一辐射常数，大小为3.7418×10^-16W·m²；

C₂为第二辐射常数，大小为1.4388×10^-2m·K；

由于现实中不存在黑体，物体辐射率均随波长变化而变，对公式(2-2)进行修正：

式中，M(λ,T)为单位面积元的实际物体在半球方向辐射波长为λ时的辐射出射度；

ε(λ,T)为实际物体在波长下的λ光谱辐射率，大小在0-1之间；

根据维恩公式，当λT 1时，物体辐射出射度为：

物体辐射亮度可用辐射出射度表示：

被测物体两个波长λ₁和λ₂辐射亮度：

由比色温度定义可知：

把式(2-2)代入式(2-8)可得：

则比色温度T_c与物体温度T的相对误差为：

整理得：

式中，假设ε(λ,T)＝ε(λ)ε(T)。

本发明实施例的有益效果：激光发射组件发出的光通过发射光纤传送至涡轮叶片处，每个涡轮叶片在旋转过程中通过传感器探头时产生的散射光和热辐射分别通过散射光接收光纤和热辐射接收光纤进行接收并输出，经过多光纤耦合器将发射光纤、散射光接收光纤和热辐射接收光纤进行分离，散射光接收光纤将接收到的光限号传送到振动光电转换模块中进行处理后送入信号采集与数据处理系统；热辐射接收光纤将接收到的热辐射信号传送至温度光电转换模块中进行处理后送入信号采集与数据处理系统。通过本发明实施例提供的装置和方法可以实现监测涡轮叶片的振动和温度，具有非常好的市场应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种实时监测涡轮叶片振动和温度的装置结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的光纤束式传感器结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的光纤束式传感器内部光纤束布置结构示意图；

图4为本发明实施例所提供的光纤束式传感器探头结构示意图；

图5为本发明实施例计算涡轮叶片振动位移的叶尖定时原理。

图标：1-光纤束式传感器；2-激光发射组件；3-滤光片组件；4-转速同步传感器；5-温度光电转换模块；6-振动光电转换模块；7-信号采集与数据处理系统；8-计算机显示端；11-传感器探头；12-保护套；13-多光纤耦合器；14-ST接头；15-发射光纤；16-热辐射接收光纤；17-散射光接收光纤；111-壳体；112-探头插芯；113-插芯紧固螺钉；114-探头紧固螺母。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

由于航空发动机结构复杂，内部工作环境多变，要实现发动机工作状态下内部多种参数的实时监测具有较大难度，并且监测位置和环境的变化也会导致采集到的数据准确度不够理想。本申请实施例基于光纤传感器可以光作为敏感信息的载体实现多种物理参数的测量，并具有体积小、耐高温、抗干扰性强、易于布置等一系列独特的优点，提出了一种实时监测涡轮叶片振动和温度的装置，采用全光纤束式结构将光纤测振传感器与光纤温度传感器进行结合形成光纤束式传感器1，基于间断相位法的叶尖定时原理以及辐射式测温方法中的比色测温方法实现对涡轮叶片振动和温度的非接触实时监测，有效减小了传感器的安装数量和难度，并可为航空发动机涡轮叶片振动和温度耦合关系研究提供精确的测量数据。

请参照图1，本发明实施例提供一种实时监测涡轮叶片振动和温度的装置，包括光纤束式传感器1、激光发射组件2、滤光片组件3、转速同步传感器4、温度光电转换模块5、振动光电转换模块6、信号采集与数据处理系统7、计算机显示端8。

光纤束式传感器1安装于涡轮机匣壳体上，用于传输光纤信号，涡轮机匣壳体内具有多个叶片，通过激光发射组件2、滤光片组件3、转速同步传感器4、温度光电转换模块5、振动光电转换模块6和信号采集与数据处理系统7的配合可以实现叶片振动和温度的实时检测，并在显示端8上进行显示。

具体地，请参照图1和图2，光纤束式传感器1包括传感器探头11、多光纤耦合器13、发射光纤15和接收光纤，传感器探头11用于安装于涡轮叶片外侧，接收光纤包括散射光接收光纤17和热辐射接收光纤16，发射光纤15用于将激光发射组件2发出的光传送至涡轮叶片，接收光纤用于将每个涡轮叶片在旋转过程中通过传感器探头11时产生的散射光和热辐射进行接收并输出，多光纤耦合器13用于将发射光纤15、散射光接收光纤17和热辐射接收光纤16进行分离；散射光接收光纤17与振动光电转换模块6相连，以将接收到的光限号传送到振动光电转换模块6中进行处理后送入信号采集与数据处理系统7；热辐射接收光纤16与温度光电转换模块5相连，以将接收到的热辐射信号传送至温度光电转换模块5中进行处理后送入信号采集与数据处理系统7。

具体地，传感器探头11可以布置于涡轮叶片顶部，但在其他实施例中，传感器探头11也可以安装在其他位置。每一个涡轮叶片旋转一周都会经过一次传感器探头11产生的散射光，涡轮叶片工作环境中的热辐射也会同时输出。

激光发射组件2可以为激光器与光隔离器的形式，采用带尾纤结构，使得系统具有较为稳定的光输出功率，并方便传感器系统的联接。光隔离器防止发射光纤产生的端面反射对激光器造成损害。

滤光片组件3包括滤光片本体、第一准直器和第二准直器(图未示)，第一准直器和第二准直器分别位于滤光片本体的两侧。具体地，准直器用于将光纤传出的发散光通过前置类似凸透镜的结构变成平行光；滤光片用来选取所需辐射波段，通过滤波输出比色法所选的特征波长辐射光谱。

热辐射接收光纤16输出的光信号通过第一准直器聚焦为一点后，通过滤光片本体进行滤波选择输出杂散光之后，经第二准直器聚焦后将光信号传输至温度光电转换模块5。滤光片组件3的具体结构可以参照现有技术，在此不做过多赘述。

在一些实施例中，滤光片组件3的中心波长选择比色测温法中两个光谱辐射度相近的光谱波长，滤光片组件3中心波长在涡轮叶片辐射波长范围之内，并与激光发射组件2发射波长具有较大差异，防止激光器光源产生的散射光对测量结果产生影响。

转速同步传感器4与信号采集与数据处理系统7相连，以同步采集转轴每旋转一周输出的脉冲信号送入信号采集与数据处理系统7。

进一步地，温度光电转换模块5包含光探测器和多级放大电路，其具体工作原理可以参见现有技术。其中，光电探测器根据光谱波长范围可从多种光电二极管或者光电倍增管中进行选择，如Si-PIN光电二极管，Si-PIN光电二极管采用带尾纤结构与滤光片组件3输出的光纤进行联接，光信号经由光纤直接耦合输入转换为电流信号；多级放大电路将电流信号转换为电压信号并多级放大后输入信号采集与数据处理系统7。

进一步地，振动光电转换模块6包含光探测器和多级放大电路。其具体工作原理可以参见现有技术。其中，光电探测器根据激光器光源波长范围选择光电二极管或者光电倍增管；如Si-PIN光电二极管，Si-PIN光电二极管采用带尾纤结构与光纤束式传感器1进行联接，光信号经由光纤直接耦合输入转换为电流信号；多级放大电路将电流信号转换为电压信号并多级放大后输入信号采集与数据处理系统7。

进一步地，光纤束式传感器1与滤光片组件3、温度光电转换模块5以及振动光电转换模块6之间可通过直接耦合、透镜耦合和光纤全息耦合三种方式进行耦合，可以采用其中的一种或几种方式进行耦合，在此不做具体限定。

信号采集与数据处理系统7用于执行间断相位法的叶尖定时原理以及辐射式比色测温方法进行涡轮叶片振动和温度实时监测，并将结果传入至计算机显示端8进行显示。信号采集与数据处理系统7包括数据采集卡、储存器和处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，处理器执行计算机程序将数据采集卡采集的多路电压信号进行计算分析涡轮叶片振动和温度的实时监测。

具体地，数据采集卡、存储器和处理器能够为通用的数据采集卡、存储器和处理器，这里不做具体限定，当处理器运行存储器存储的计算机程序时，能够将数据采集卡采集的多路电压信号进行计算分析实现涡轮叶片振动和温度的实时监测。

需要说明的是，热辐射接收光纤16将接受到的热辐射信号分两路经过滤光片组件3进行滤波选择后传送到温度光电转换模块5中进行处理后送入传感器信号采集与数据处理系统7。转速同步传感器4安装于涡轮叶片转轴外侧，同步采集转轴每旋转一周输出的脉冲信号送入信号采集与数据处理系统7。信号采集与数据处理系统7基于间断相位法的叶尖定时原理以及辐射式比色测温方法对多路信号进行分析处理，得到涡轮叶片振动和温度信息，结果传入计算机显示端8进行显示。

在一些实施例中，光纤束式传感器1还包括保护套12和用于与外界设备连接的ST接头14，保护套12包裹从传感器探头11中引出的光纤束和从多光纤耦合器13引出的光路，起到保护作用。保护套12的材质不限，可以为铠装不锈钢材质。

在一些实施例中，热辐射接收光纤16将接收到的热辐射信号分为两路传送，且两路信号均通过滤光片组件3进行滤波选择后传送至温度光电转换模块5中进行处理。

在一些实施例中，请结合图2和图3，光纤束式传感器1采用全光纤结构，发射光纤15、热辐射接收光纤16和散射光接收光纤17组成光纤束布置于传感器探头11中，通过多光纤耦合器13实现光路完全分离。发射光纤15为一路光纤，热辐射接收光纤16和散射光接收光纤17均为两路或两路以上的光纤。如发射光纤15为一路光纤，热辐射接收光纤16为两路光纤，散射光接收光纤17为四路光纤；在传感器探头11中发射光纤15位于光纤束中心，热辐射接收光纤16和散射光接收光纤17以同心圆的方式分布于发射光纤15的周围，两路热辐射接收光纤16对称布置。

也就是说，本实施例中包含七路光纤，发射光纤15包含一路光纤，热辐射接收光纤16包含两路光纤，散射光接收光纤17包含四路光纤。光纤束式传感器1探头11可以通过涡轮叶片机匣安装于涡轮叶片外侧。

在一些实施例中，发射光纤15、热辐射接收光纤16和散射光接收光纤17均为多模光纤，光纤头部溅射高温金属起到保护光纤的作用。具体地，光纤束式传感器1光纤束经由光纤束式传感器1探头11引出通过多光纤耦合器13分为四路：一路为发射光纤15，包含一路光纤；两路为热辐射接收光纤16，包含一路光纤；一路为散射光接收光纤17，包含四路光纤。各路光纤完全分离，消除了背景光的影响，提高了信噪比。

为增加光纤束式传感器1接收散射光的能力，可增加散射光接收光纤17的数量。具体地，热辐射接收光纤16和散射光接收光纤17总数可选择为6n(为自然数)根，以保证空间布局的紧凑型。热辐射接收光纤16对称布置，减小误差。

请结合图4，传感器探头11包括壳体111、插入壳体111内的探头插芯112和插芯紧固螺钉113，壳体111和探头插芯112均设置有与插芯紧固螺钉113相配合的螺纹孔；探头插芯112为中空套筒，且探头插芯112包括第一插芯段和内径小于第一插芯段的第二插芯段，发射光纤15、热辐射接收光纤16和散射光接收光纤17从第一插芯段插入，并伸入至第二插芯段，且与第二插芯段的端部平齐。也就是说，发射光纤15、热辐射接收光纤16和散射光接收光纤17均由探头插芯112大孔径端伸入，经由导向槽伸入小孔径与探头插芯112端部平齐，之间填充高温密封胶固定实现端部光纤束的固定。

具体地，壳体111的材质不限，可以为不锈钢材质。探头插芯112为一带导向槽的中空套筒，外表面与壳体111端部小圆柱面的阶梯螺纹孔对应位置开有一孔径稍大于螺纹孔径的沉孔。插芯紧固螺钉113通过不锈钢壳体111端部小圆柱面的阶梯螺纹孔拧入探头插芯112相应配合位置的沉孔，实现探头插芯112轴向位移的限制。将探头表面螺纹拧入壳体111中，再拧紧探头紧固螺母114实现固定。

在一些实施例中，光纤束式传感器探头11为带外螺纹的中空不锈钢壳体，顶端外壁蒸镀一层氧化硅保护膜防止金属高温环境挥发。光纤束式传感器探头11的中空不锈钢壳体上可增加空冷套筒，配套冷却气源，通过引入外部冷却气体进行传感器实时降温。

本发明实施例提供一种用于实时监测涡轮叶片振动和温度的方法，其采用前述实施方式中任一项的实时监测涡轮叶片振动和温度的装置。

具体地，激光发射组件2发出的光通过发射光纤15传送至涡轮叶片处，每个涡轮叶片在旋转过程中通过传感器探头11时产生的散射光和热辐射分别通过散射光接收光纤17和热辐射接收光纤16进行接收并输出，经过多光纤耦合器13将发射光纤15、散射光接收光纤17和热辐射接收光纤16进行分离；散射光接收光纤17将接收到的光限号传送到振动光电转换模块6中进行处理后送入信号采集与数据处理系统7；热辐射接收光纤16将接收到的热辐射信号传送至温度光电转换模块5中进行处理后送入信号采集与数据处理系统7。

进一步地，滤波片组件中心波长选择比色测温方法中两个光谱辐射度相近的光谱波长，并与激光发射组件2发射的波长不同。信号采集与数据处理系统7是采用基于间断相位法的叶尖定时原理进行分析处理，以得到涡轮叶片的振动信息；采用辐射式比色测温方法进行分析处理，以得到涡轮叶片的温度信息。

具体地，基于间断相位法的叶尖定时法计算涡轮叶片的振动位移，图5示出了涡轮叶片振动位移计算的叶尖定时原理。光纤束式传感器1与转速同步传感器4同步工作，光纤束式传感器1采集到的脉冲信号经过振动光电转换模块6光电转换、多级放大后输出叶尖定时信号，叶尖定时信号上升沿记录了涡轮叶片顶部旋转经过光纤束式传感器1探头的实际时间，转速同步传感器4作为参考键相，同步得到转轴每旋转一周输出的一个脉冲信号。计算过程如下：

当涡轮叶片没有振动的情况下，叶片顶部到达光纤束式传感器1探头的时间仅取决于转轴旋转速度，为叶片理论到达时间；当叶片发生振动时，叶片到达光纤束式传感器1探头的时间取决于叶片的振动幅值和频率，为叶片实际到达时间；通过这些数据可求得叶片在旋转第x_bn圈时的振动位移为：

x_bn＝(t_bn-t_Kn)v_Kn-S_b,K (1-1)

其中，

式中，b为涡轮叶片编号，R为叶片旋转半径；

S_b,K表示涡轮叶片编号为b的叶片与转速传感器参考键相之间的弧长；

V_Kn为涡轮叶片叶顶线速度转动角度；

t_Kn、t_Kn+1表示转速传感器参考键相时间点；

t_bn表示涡轮叶片时间点；

Δt_bn表示编号为b的涡轮叶片到达光纤束式传感器1探头与参考键相之间的时间差。

进一步地，本发明实施例中涡轮叶片温度测量基于辐射测温法中的比色测温法。传感器探头11直接与涡轮叶片温度场接触，辐射光通过热辐射接收光纤16进行收集并传输，经过多光纤耦合器13分为两路传至两个不同波长的滤光片组件3滤波后传入温度光电转换模块5进行光电转换和放大，再由信号采集与数据处理系统7进行比色处理，最后得到涡轮叶片温度场温度；计算过程如下：

任何温度在绝对零度以上的物体都会以电磁波的形式向外辐射能量，同时也能吸收其他物体产生的辐射能量。根据经典普朗克黑体辐射定律可知温度为T的单位面积元的绝对黑体在半球方向辐射波长为λ时的辐射出射度M₀(λ,T)为：

式中，h为普朗克常数，大小为6.6261×10^-34J·s；

c为电磁波在真空中的传播速度，大小为2.9979×10⁸m/s；

K为玻尔兹曼常数，大小为1.3807×10^-23J/K；

将式(2-1)进行简化，可得：

式中，C₁为第一辐射常数，大小为3.7418×10^-16W·m²；

C₂为第二辐射常数，大小为1.4388×10^-2m·K；

由黑体辐射特性可知任意波长λ下黑体辐射率均为1。由于现实中不存在黑体，绝大多数物体辐射率均随波长变化而变，对公式(2-2)进行修正：

式中，M(λ,T)为单位面积元的实际物体在半球方向辐射波长为λ时的辐射出射度；

ε(λ,T)为实际物体在波长下的λ光谱辐射率，大小在0-1之间；

由于物体辐射率与物体材料、结构、组成等因素有关，并且是关于辐射波长和物体温度的函数，很难通过测量获得，因此采用比色式测温方法，通过计算物体在相邻两个波长下的辐射能量的比值，来消除物体光谱辐射度ε(λ,T)对测温精度的影响。比色温度表示温度为T的物体，其在波长λ₁、λ₂下的辐射亮度比值和温度为T_c的黑体的同波长下两个辐射亮度比值相等。

根据维恩公式，当λT 1时，物体辐射出射度为：

物体辐射亮度可用辐射出射度表示：

被测物体两个波长λ₁和λ₂辐射亮度：

由比色温度定义可知：

把式(2-2)代入式(2-8)可得：

则比色温度T_c与物体温度T的相对误差为：

由上式可知，当两个波长的光谱辐射度相近时，比色温度T_c与物体温度T之间的相对误差基本为0，因此选取适当的λ₁、λ₂，使得光谱辐射度近似相等，可求得物体表面温度T，整理得：

式中，假设ε(λ,T)＝ε(λ)ε(T)。

进一步地，比色法测温法中所选择的两个光谱辐射度相近的波长应与激光器发射波长具有较大差异，防止激光器光源产生的散射光对测量结果产生影响。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种实时监测涡轮叶片振动和温度的装置，其特征在于，包括光纤束式传感器、激光发射组件、温度光电转换模块、振动光电转换模块和信号采集与数据处理系统；

所述光纤束式传感器包括传感器探头、多光纤耦合器、发射光纤和接收光纤，所述传感器探头用于安装于涡轮叶片外侧，所述接收光纤包括散射光接收光纤和热辐射接收光纤，所述发射光纤用于将所述激光发射组件发出的光传送至涡轮叶片，所述接收光纤用于将每个所述涡轮叶片在旋转过程中通过所述传感器探头时产生的散射光和热辐射进行接收并输出，所述多光纤耦合器用于将所述发射光纤、所述散射光接收光纤和所述热辐射接收光纤进行分离；

所述散射光接收光纤与所述振动光电转换模块相连，以将接收到的光限号传送到所述振动光电转换模块中进行处理后送入所述信号采集与数据处理系统；

所述热辐射接收光纤与所述温度光电转换模块相连，以将接收到的热辐射信号传送至所述温度光电转换模块中进行处理后送入所述信号采集与数据处理系统；

所述传感器探头包括壳体、插入所述壳体内的探头插芯和插芯紧固螺钉，所述壳体和所述探头插芯均设置有与所述插芯紧固螺钉相配合的螺纹孔；

所述探头插芯为中空套筒，且所述探头插芯包括第一插芯段和内径小于所述第一插芯段的第二插芯段，所述发射光纤、所述热辐射接收光纤和所述散射光接收光纤从所述第一插芯段插入，并伸入至所述第二插芯段，且与所述第二插芯段的端部平齐；

所述传感器探头头部周向溅射高温金属，所述探头插芯顶端外壁溅镀一层氧化硅保护膜，所述传感器探头采用中空不锈钢壳体，增加空冷套筒，配套冷却气源。

2.根据权利要求1所述的实时监测涡轮叶片振动和温度的装置，其特征在于，还包括滤光片组件，所述热辐射接收光纤将接收到的热辐射信号分为两路传送，且两路信号均通过所述滤光片组件进行滤波选择后传送至所述温度光电转换模块中进行处理。

3.根据权利要求2所述的实时监测涡轮叶片振动和温度的装置，其特征在于，所述滤光片组件包括滤光片本体、第一准直器和第二准直器，所述第一准直器和所述第二准直器分别位于所述滤光片本体的两侧。

4.根据权利要求1所述的实时监测涡轮叶片振动和温度的装置，其特征在于，还包括用于安装于涡轮叶片转轴外侧的转速同步传感器，所述转速同步传感器与所述信号采集与数据处理系统相连，以同步采集转轴每旋转一周输出的脉冲信号送入所述信号采集与数据处理系统。

5.根据权利要求1或4所述的实时监测涡轮叶片振动和温度的装置，其特征在于，还包括计算机显示端，所述信号采集与数据处理系统是采用辐射式比色测温方法和基于间断相位法的叶尖定时原理对多路信号进行分析处理，并将结果传入至所述计算机显示端进行显示。

6.根据权利要求1所述的实时监测涡轮叶片振动和温度的装置，其特征在于，所述光纤束式传感器还包括保护套和用于与外界设备连接的ST接头，所述保护套包裹从所述传感器探头中引出的光纤束和从所述多光纤耦合器引出的光路。

7.根据权利要求6所述的实时监测涡轮叶片振动和温度的装置，其特征在于，所述光纤束式传感器采用全光纤结构，所述发射光纤、所述热辐射接收光纤和所述散射光接收光纤组成光纤束布置于所述传感器探头中，所述发射光纤为一路光纤，所述热辐射接收光纤和所述散射光接收光纤均为两路或两路以上的光纤；

在所述传感器探头中所述发射光纤位于光纤束中心，所述热辐射接收光纤和所述散射光接收光纤以同心圆的方式分布于所述发射光纤的周围，两路所述热辐射接收光纤对称布置。

8.一种用于实时监测涡轮叶片振动和温度的方法，其特征在于，其采用权利要求1-7中任一项所述的实时监测涡轮叶片振动和温度的装置，包括：

激光发射组件发出的光通过发射光纤传送至涡轮叶片处，每个所述涡轮叶片在旋转过程中通过所述传感器探头时产生的散射光和热辐射分别通过散射光接收光纤和热辐射接收光纤进行接收并输出，经过多光纤耦合器将所述发射光纤、所述散射光接收光纤和所述热辐射接收光纤进行分离；

所述散射光接收光纤将接收到的光限号传送到所述振动光电转换模块中进行处理后送入所述信号采集与数据处理系统；

所述热辐射接收光纤将接收到的热辐射信号传送至所述温度光电转换模块中进行处理后送入所述信号采集与数据处理系统；

滤波片组件中心波长选择比色测温方法中两个光谱辐射度相近的光谱波长，并与所述激光发射组件发射的波长不同。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述信号采集与数据处理系统是采用基于间断相位法的叶尖定时原理进行分析处理，以得到涡轮叶片的振动信息；采用辐射式比色测温方法进行分析处理，以得到涡轮叶片的温度信息。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，基于间断相位法的叶尖定时法计算涡轮叶片的振动位移，计算过程如下：

光纤束式传感器与转速同步传感器同步工作，光纤束式传感器采集到的脉冲信号经过振动光电转换模块光电转换、多级放大后输出叶尖定时信号，叶尖定时信号上升沿记录了涡轮叶片顶部旋转经过光纤束式传感器探头的实际时间，转速同步传感器作为参考键相，同步得到转轴每旋转一周输出的一个脉冲信号；

当叶片发生振动时，叶片到达光纤束式传感器探头的时间取决于叶片的振动幅值和频率，为叶片实际到达时间；叶片在旋转第n圈时的振动位移x _bn 为：

其中，

（1-2）

式中，b为涡轮叶片编号，R为叶片旋转半径；

S _b,k 表示涡轮叶片编号为b的叶片与转速传感器参考键相之间的弧长；

V _kn 为涡轮叶片叶顶线速度转动角度；

t _kn 、t _kn+1 表示转速传感器参考键相时间点；

t _bn 表示涡轮叶片时间点；

Δt _bn 表示编号为b的涡轮叶片到达光纤束式传感器探头与参考键相之间的时间差。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，传感器探头直接与涡轮叶片温度场接触，辐射光通过所述热辐射接收光纤进行收集并传输，经过所述光纤耦合器分为两路传至两个不同波长的滤光片组件滤波后传入所述温度光电转换模块进行光电转换和放大，再由所述信号采集与数据处理系统进行比色处理，最后得到涡轮叶片温度场温度；计算过程如下：

根据经典普朗克黑体辐射定律得知温度为T的单位面积元的绝对黑体在半球方向辐射波长为λ时的辐射出射度M ₀ (λ,T)为：

式中，h为普朗克常数，大小为

；

c为电磁波在真空中的传播速度，大小为

；

K为玻尔兹曼常数，大小为

；

将式（2-1）进行简化，得：

式中， C ₁ 为第一辐射常数，大小为

；

C ₂ 为第二辐射常数，大小为

；

由于现实中不存在黑体，物体辐射率均随波长变化而变，对公式（2-2）进行修正：

式中，M(λ,T)为单位面积元的实际物体在半球方向辐射波长为λ时的辐射出射度；

ε(λ,T)为实际物体在波长下的λ光谱辐射率，大小在0-1之间；

根据维恩公式，当λ,T =1时，物体辐射出射度为：

物体辐射亮度用辐射出射度表示：

被测物体两个波长λ ₁ 和λ ₂ 辐射亮度：

由比色温度定义得知：

把式（2-2）代入式（2-8）得：

则比色温度T _c 与物体温度T的相对误差为：

整理得：

式中，假设ε(λ,T) =ε(λ) ε(T)。

Images