CN113358205A - 一种同步检测叶片振动和叶尖间隙的测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同步检测叶片振动和叶尖间隙的测量装置及测量方法，测量装置主要由激光器、强度型电光调制器、正交振荡器、光环形器、光纤、光纤自准直测头、光电探测器及信号处理电路等组成，测量方法利用同光束的光强信息与相位信息分别携带叶端定时信息与叶尖间隙信息实现叶片振动和叶尖动态间隙的同步高精度测量。同传统的光纤传感器测量叶片振动、电容传感器测量叶尖间隙的分离式方法相比，本发明具有精度高、集成化、轻量化等优点。
Description
技术领域
本发明属于叶片叶端定时测量技术领域，具体涉及一种同步检测叶片振动和叶尖间隙的测量装置及测量方法。
背景技术
传统叶片振动和叶尖间隙的测量基于两种不同的测量原理，需要两种不同的设备分别测量。光纤式传感器由于其测量精度高，能够实现非接触检测，故常用于叶片振动的测量；电容式传感器由于其动态性能好、功率小、测试叶尖间隙效果较好，故常用于叶尖间隙的测量。光纤式定时测量技术以叶片反射光强信息判别生成叶端定时信号，而光强信息严重受到叶尖间隙变化的影响，制约了叶端定时测量的精度。因此，为了提高叶片振动的测量精度，对叶片多参量测量、系统集成化需求不断增加，实现叶片振动和叶尖间隙的同步测量也成为当前研究热门。
发明内容
为克服现有技术难点，本发明的目的在于提供一种同步检测叶片振动和叶尖间隙的测量装置及测量方法，具有精度高、集成化、轻量化等优点。
为达到上述目的，本发明所述一种同步检测叶片振动和叶尖间隙的测量装置，包括激光器、强度型电光调制器、正交振荡器、光环形器、光纤自准直测头、光电探测器和信号处理电路，所述激光器和强度型电光调制器、光环行器和光纤自准直测头之间通过光纤依次连接，所述正交振荡器的输出端和强度型电光调制器以及信号处理电路连接；所述光环行器的输出端通过光纤与光电探测器的输入端连接，所述光电探测器的输出端和信号处理电路的输入端连接。
进一步的，信号处理电路包括调理放大电路、乘法电路和低通滤波电路，所述调理放大电路的输入端和光电探测器的输出端连接，调理放大电路的输出端和正交振荡器(7)的输出端均与乘法电路的输入端连接，乘法电路的输出端和低通滤波电路的输入端连接。
进一步的，光电探测器为雪崩光电二极管。
进一步的，光纤自准直测头距离叶片端面2mm-5mm。
一种同步检测叶片振动和叶尖间隙的测量方法，包括以下步骤：
步骤1、航空发动机工作时，正交振荡器产生频率相同，相位差为90°的正交信号V1和正交信号V2；
步骤2、将正交信号V1作为强度型电光调制器的外加电场，使激光器发出的连续激光经强度型电光调制器后，形成光强随正交信号V1规律变化的光信号S0，光信号S0经光环形器和光纤自准直测头直射到叶片上；
步骤3、经叶片反射的光信号与入射光信号形成相位差
反射光经光纤自准直测头和光环行器后照射在光电探测器上，光电探测器将光信号转变成电信号S1；
步骤4、电信号S1经调理放大后与正交振荡器产生的正交信号V1和V2分别相乘，得到S1·V1和S1·V2，将S1·V1和S1·V2归一化处理后形成信号U1和信号U2；
步骤5、计算信号U1与信号U2的强度信号U，
将U作为叶端定时信号，用于计算叶片振动角位移y；利用U1与U2信号解调出相位
计算叶尖间隙。
进一步的，步骤4中，对S1·V1和S1·V2进行归一化处理前，先进行滤波。
进一步的，步骤5中，通过下式计算叶片振动角位移y，y＝＝Ω·Δt，Δt为同一叶片在振动和无振动时，叶端定时信号峰值到达光纤自准直测头(2)的时刻差值，Ω为航空发动机工作时的转速。
进一步的，步骤5中，叶尖间隙的计算公式为：
其中，x为叶尖间隙，c为光速，f为正交信号V1和正交信号V2的频率。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明所述的装置，包括激光器、强度型电光调制器、正交振荡器、光环形器、光纤自准直测头、光电探测器和信号处理电路，经强度型电光调制器调制后的激光在叶片表面反射后，由光电探测器转换为电信号，根据此电信号的强度，可解算出定时信号。同时，转换后的光信号与输入光信号相比存在相位差，根据此相位差可解算出叶尖间隙。本发明使用一种装置便可实现叶片振动和叶尖动态间隙的同步测量，相比于使用两种不同设备分别测量，具有集成化和轻量化的优点。
本发明所述的方法，以正交振荡器频率f为10GHz计算，可实现可测的叶尖间隙最大量程xmax＝15mm；以相对精度为万分之一计算，可得测量精度为1.5um。若采用更高频率的振荡器可进一步提高测量精度。因此，本发明提出的基于光纤传感器的叶尖间隙测量方法，相比于传统电容式间隙传感器，具有精度高的优点。
进一步的，步骤4中，对S1·V1和S1·V2进行归一化处理前，先进行滤波，提高相位测量精度。
附图说明
图1为本发明的测量装置示意图。
附图中：1-叶片；2-光纤自准直测头；3-光纤；4-光环形器；5-强度型电光调制器；6-激光器；7-正交振荡器；8-低频正弦信号；9-叶尖间隙；10-叶端定时信号；11-低频余弦信号；12-光电探测器。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，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，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1，一种同步检测叶片振动和叶尖间隙的测量装置，包括激光器6、强度型电光调制器5、正交振荡器7、光环形器4、光纤3、光纤自准直测头2、光电探测器12和信号处理电路等。信号处理电路包括调理放大电路、乘法电路和低通滤波电路等。
其中，激光器6和强度型电光调制器5、光环行器4和光纤自准直测头2之间通过光纤依次连接，正交振荡器7的输出端和强度型电光调制器5以及乘法电路的输入端连接。光环行器4的输出端通过光纤与光电探测器12的输入端连接，光电探测器12的输出端和调理放大电路的输入端连接，调理放大电路的输出端和正交振荡器的输出端均与乘法电路的输入端连接，乘法电路的输出端和低通滤波电路的输入端连接。光纤自准直测头2距离叶片1端面2-15毫米，一般取3mm。
调理放大电路对光电探测器转换成的微弱电信号进行噪声抑制和信号放大等操作；乘法电路将调理放大后的电信号与正交振荡器产生的两个信号分别相乘；低通滤波器滤除相乘信号的高频部分，留下低频部分。
所述激光器6用于产生线偏振激光；所述强度型电光调制器5用于调制激光器6发出激光的强度，使激光光强随调制信号规律变化；所述正交振荡器7可以同时输出相互正交的正弦波和余弦波，作为强度型电光调制器5的输入信号和光电探测器输出信号的调制信号；所述光环器4可以完成正、反向传输光的分离任务，实现激光的单向传播；光纤3作为激光传播的载体；所述自准直测头2将光束准直后出射到叶片上，自准直测头2用于使激光直射向叶片1端面，保证激光顺利往返于测量系统和叶片1之间。所述光电探测器将光信号转换成电信号，用于检测光强信息；所述信号处理电路对光电转换成的电信号进行处理，提取出叶片振动角位移和叶尖间隙。
实施例2
本发明的一种同步检测叶片振动和叶尖间隙的测量方法，具体的实施方式包括以下步骤：
1)航空发动机工作时，以角速度Ω转动；正交振荡器7产生频率为f，相位差为90°的正交信号V1＝sin(2πft)和V2＝cos(2πft)，正交振荡器所产生的频率f可达10GHz，t表示时间；
2)正交振荡器7所产生的其中一路正交信号V1作为强度型电光调制器5的外加电场，使激光器6发出的连续激光经强度型电光调制器5后，形成光强随正交信号V1规律变化的光信号S0，S0＝sin(2πft)，频率f由正交振荡器7决定，调制后的光信号经光环形器4进入光纤自准直测头2后，直射到叶片1表面；
3)光纤自准直测头2和叶片1之间的距离记为叶尖间隙，光在此距离上传播需要时间，故经叶片1反射的光信号与入射信号形成相位差
反射光经光纤自准直测头2、光环行器4后照射在光电探测器12的光敏面上。光电探测器12将光强信号转变成电信号S1，
光电探测器12采用雪崩光电二极管APD；
4)电信号S1经调理放大后与正交振荡器7产生的正交信号V1和V2分别相乘，得到S1·V1和S1·V2。其中，
其中，
和
为高频信号，经低通滤波滤掉，提高相位测量精度。两相乘信号经低通滤波和归一化处理后形成低频的信号
和信号
5)利用信号处理电路计算出U1与U2的强度信号
U作为叶端定时信号10，用于测量叶片振动；叶端定时信号10峰值所对应的时间为叶片1到达光纤自准直测头2的时间，通过解算叶端定时信号相对于没有振动时定时信号的超前或者滞后，即可获取叶片振动角位移y，y＝＝Ω·Δt，Δt为叶片工作时与无振动时，叶片叶端定时信号10峰值到达时刻的差值，Ω为航空发动机工作时的转速；
6)利用U1与U2信号解调出相位
进而得出叶尖间隙
其中c为光速，叶尖间隙用于对叶片振动角位移y进行修正。
本发明公开了一种同步检测叶片振动和叶尖间隙的高精度测量装置及测量方法，利用同光束的光强信息与相位信息分别携带叶端定时信息与叶尖间隔信息的方法实现叶片振动和叶尖间隙的同步高精度测量。和传统的光纤传感器测量叶片振动、电容传感器测量叶尖间隙的分离式方法相比，本发明具有精度高、集成化、轻量化等优点。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种同步检测叶片振动和叶尖间隙的测量装置，其特征在于，包括激光器(6)、强度型电光调制器(5)、正交振荡器(7)、光环形器(4)、光纤自准直测头(2)、光电探测器(12)和信号处理电路，所述激光器(6)和强度型电光调制器(5)、光环行器(4)和光纤自准直测头(2)之间通过光纤依次连接，所述正交振荡器(7)的输出端和强度型电光调制器(5)以及信号处理电路连接；所述光环行器(4)的输出端通过光纤与光电探测器(12)的输入端连接，所述光电探测器(12)的输出端和信号处理电路的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种同步检测叶片振动和叶尖间隙的测量装置，其特征在于，所述信号处理电路包括调理放大电路、乘法电路和低通滤波电路，所述调理放大电路的输入端和光电探测器(12)的输出端连接，调理放大电路的输出端和正交振荡器(7)的输出端均与乘法电路的输入端连接，乘法电路的输出端和低通滤波电路的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的一种同步检测叶片振动和叶尖间隙的测量装置，其特征在于，所述光电探测器(12)为雪崩光电二极管。
4.根据权利要求1所述的一种同步检测叶片振动和叶尖间隙的测量装置，其特征在于，所述光纤自准直测头(2)距离叶片(1)端面2mm-5mm。
5.一种同步检测叶片振动和叶尖间隙的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、航空发动机工作时，正交振荡器(7)产生频率相同，相位差为90°的正交信号V1和正交信号V2；
步骤2、将正交信号V1作为强度型电光调制器(5)的外加电场，使激光器(6)发出的连续激光经强度型电光调制器(5)后，形成光强随正交信号V1规律变化的光信号S0，光信号S0经光环形器(4)和光纤自准直测头(2)直射到叶片(1)上；
步骤3、经叶片(1)反射的光信号与入射光信号形成相位差
反射光经光纤自准直测头(2)、光环行器(4)后照射在光电探测器(12)上，光电探测器(12)将光信号转变成电信号S1；
步骤4、电信号S1经调理放大后与正交振荡器(7)产生的正交信号V1和V2分别相乘，得到S1·V1和S1·V2，将S1·V1和S1·V2归一化处理后形成信号U1和信号U2；
步骤5、计算信号U1与信号U2的强度信号U，
将U作为叶端定时信号，用于计算叶片振动角位移y；利用U1与U2信号解调出相位
计算叶尖间隙。
6.根据权利要求5所述的一种同步检测叶片振动和叶尖间隙的测量方法，其特征在于，所述步骤4中，对S1·V1和S1·V2进行归一化处理前，先进行滤波。
7.根据权利要求5所述的一种同步检测叶片振动和叶尖间隙的测量方法，其特征在于，所述步骤5中，通过下式计算叶片振动角位移y＝＝Ω·△t，△t为同一叶片在振动和无振动时，叶端定时信号峰值时刻差值，Ω为航空发动机工作时的转速。
8.根据权利要求5所述的一种同步检测叶片振动和叶尖间隙的测量方法，其特征在于，所述步骤5中，叶尖间隙的计算公式为：
其中，x为叶尖间隙，c为光速，f为正交信号V1和正交信号V2的频率。
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