一种基于微波扫频的叶尖间隙测量方法

摘要

本发明涉及一种基于微波扫频的叶尖间隙测量方法：压控振荡器VCO输出射频波段线性扫频的两路同频同相的参考信号和发射信号，参考信号与基准信号源输出的基准信号通过混频器混频，混频信号经过低通滤波器滤除高频的和频信号，将差频信号经选频网络选频，选频网络输出信号触发基准时刻鉴别器鉴别基准时刻；另外，发射信号放大后的发射信号经环形器后通过同轴线缆由谐振腔传感器向转子轴方向投射微波，同时环形器接收由叶片端面反射的信号，叶片端面反射的信号经过环形器后被放大，之后在检波网络滤除射频载波信号，触发谐振时刻鉴别器鉴别谐振时刻；计时器将时间差数据输出给CPU。本发明可以实现高温下叶尖间隙高精度测量。

权利要求

1.一种基于微波扫频的叶尖间隙测量方法，所采用的测量系统包括：固定在动叶片附近的谐振腔传感器，同轴线缆，CPU和叶尖间隙电路，其特征在于，所述的叶尖间隙电路包括环形器，压控振荡器VCO，射频功率放大器，基准信号源，混频器，低通滤波器，选频网络，基准时刻鉴别器，射频低噪声放大器，检波网络，谐振时刻鉴别器和计时器，所述的测量方法为：压控振荡器VCO在CPU输出的调制电压信号的控制下输出射频波段线性扫频的两路同频同相的参考信号和发射信号，其中，参考信号与基准信号源输出的基准信号通过混频器混频，混频信号经过低通滤波器滤除高频的和频信号，将差频信号经选频网络选频，当差频与选频网络的谐振频率一致时，选频网络输出信号触发基准时刻鉴别器产生窄脉冲信号，以指示基准时刻；另外，发射信号通过射频功率放大器进行功率放大，放大后的发射信号经环形器后通过同轴线缆由谐振腔传感器向转子轴方向投射微波，同时环形器接收由叶片端面反射的信号，叶片端面反射的信号经过环形器后，在射频低噪声放大器进行放大，之后在检波网络滤除射频载波信号，输出信号触发谐振时刻鉴别器产生窄脉冲信号，以指示谐振时刻；

计时器受基准时刻鉴别器输出的窄脉冲信号触发，记录基准时刻；受谐振时刻鉴别器输出的窄脉冲信号触发，记录谐振时刻，并实时将时间差数据输出给CPU；

CPU通过查询叶尖间隙标定曲线数据表，转化为叶尖间隙数据。

2.根据权利要求1所述的叶尖间隙测量方法，其特征在于，所述的谐振腔传感器包括陶瓷窗片、填充介质和壳体，陶瓷窗片设在壳体的一端并正对叶片，同轴线缆从壳体的另一端穿入填充介质并连接到壳体的侧面上，陶瓷窗片和填充介质选择透微波材料。

3.根据权利要求2所述的叶尖间隙测量方法，其特征在于，壳体选择与机匣相近的镍基高温合金材料；同轴线缆选用半刚性二氧化硅高温射频线缆。

说明书

一种基于微波扫频的叶尖间隙测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于微波扫频的叶尖间隙测量方法。

背景技术

[0002] 航空发动机、燃气涡轮机等大型旋转机械是国防领域飞机、舰船等重大关键设备的“心脏”。动叶片作为其核心做功元件，其状态参数直接影响重大国防设备的运行安全和工作效率。其中，高温、高压及燃气腐蚀环境下，旋转叶片叶尖间隙参数的在线测量是避免叶片与机匣发生碰磨故障，保证发动机安全以及减少发动机耗油率，提高压气机或涡轮机效率的关键环节。其基本原理是将传感器安装在旋转机械机匣上，当动叶片旋转到传感器前方时，通过测量叶片顶端距传感器的距离，从而获得动叶片到机匣的叶尖间隙参数。

[0003] 一方面，动叶片叶尖间隙测量系统根据传感器的工作原理可分为光纤式、电容式、电涡流式和微波式。发动机动叶片工作在高温、高压及燃气腐蚀的恶劣工况环境下，动叶片周围存在静叶片、密封遮挡件等静子件，测量系统需要在极端服役环境及结构受限条件下实现叶尖间隙的测量。光纤式易受油污影响，寿命较短，不适用于高温环境；电容式在高温环境下容易击穿，同时其测量精度易受燃气和流体介电常数的影响；电涡流式耐高温性能差，仅适用于低温(500℃)环境下叶尖间隙的测量，并且易受叶片形状、叶片材料的影响。微波式具有耐高温、耐污染、动态范围宽等优点，可满足航空发动机、燃气涡轮机极端恶劣工作环境下叶尖间隙参数的测量。

[0004] 另一方面，微波式叶尖间隙测量系统类似于近程毫米波雷达，传感器驱动电路通过微波传感器向被测对象发射毫米电磁波，该微波信号被目标反射后，被传感器调理电路接收处理，调理模块的输出信号与传感器和待测目标之间的距离成正比。传统的相位差法微波式叶尖间隙测量系统，通过测量发射信号和回波信号的相位差来确定目标与传感器的待测距离，该方法的无模糊测量距离在半波长以内，测量范围小。基于点频谐振腔传感器微波式叶尖间隙测量系统，通过测量固定频率点电压与间隙的关系实现叶尖间隙的测量，但环境温度变化会引起谐振频点漂移，测量精度受温度影响很大，需要根据环境温度实时调整测量频点。

[0005] 再一方面，航空发动机风扇的工作转速可达15000rpm，对于0.7m直径的整级叶盘，叶片端面最高工作线速度可达500m/s，而叶片端面厚度通常仅为2～3mm，为同时满足同一叶片多点叶尖间隙的测量需要，传感器调理电路的信号处理过程必须在2μs内完成，需要响应时间短、处理速度快的传感器回波信号后续调理电路。

发明内容

[0006] 针对上述问题，本发明提供一种实现高温及受限结构条件下叶尖间隙高精度测量的动叶片叶尖间隙测量方法。本发明利用高速压控振荡器实现快速线性扫频，将参考信号和基准信号混频并选频后的脉冲信号触发计时器产生基准时刻，将回波信号检波后的脉冲信号触发计时器产生谐振时刻，通过比较基准时刻与谐振时刻的时间差，可实现叶尖间隙的高精度测量。本发明所述测量方法适用于高温、高压及燃气腐蚀环境下叶尖间隙的测量，相比于传统的相位差法微波式叶尖间隙测量系统和点频谐振腔传感器微波式叶尖间隙测量系统，测量范围大，可满足高速高精度的叶尖间隙测量需求。本发明的技术方案如下：

[0007] 一种基于微波扫频的叶尖间隙测量方法，所采用的测量系统包括：固定在动叶片附近的谐振腔传感器，同轴线缆，CPU和叶尖间隙电路，其特征在于，所述的叶尖间隙电路包括环形器，压控振荡器VCO，射频功率放大器，基准信号源，混频器，低通滤波器，选频网络，基准时刻鉴别器，射频低噪声放大器，检波网络，谐振时刻鉴别器和计时器，所述的测量方法为：

[0008] 压控振荡器VCO在CPU输出的调制电压信号的控制下输出射频波段线性扫频的两路同频同相的参考信号和发射信号，其中，参考信号与基准信号源输出的基准信号通过混频器混频，混频信号经过低通滤波器滤除高频的和频信号，将差频信号经选频网络选频，当差频与选频网络的谐振频率一致时，选频网络输出信号触发基准时刻鉴别器产生窄脉冲信号，以指示基准时刻；另外，发射信号通过射频功率放大器进行功率放大，放大后的发射信号经环形器后通过同轴线缆由谐振腔传感器向转子轴方向投射微波，同时环形器接收由叶片端面反射的信号，叶片端面反射的信号经过环形器后，在射频低噪声放大器进行放大，之后在检波网络滤除射频载波信号，输出信号触发谐振时刻鉴别器产生窄脉冲信号，以指示谐振时刻；

[0009] 计时器受基准时刻鉴别器输出的窄脉冲信号触发，记录基准时刻；受谐振时刻鉴别器输出的窄脉冲信号触发，记录谐振时刻，并实时将时间差数据输出给CPU；

[0010] CPU通过查询叶尖间隙标定曲线数据表，转化为叶尖间隙数据。

[0011] 优选地，所述的谐振腔传感器包括陶瓷窗片、填充介质、壳体和同轴线缆，陶瓷窗片设在壳体的一端并正对叶片，同轴线缆从壳体的另一端穿入填充介质并连接到壳体的侧面上，陶瓷窗片和填充介质选择透微波材料。

[0012] 壳体选择与机匣相近的镍基高温合金材料；同轴线缆选用半刚性二氧化硅高温射频线缆。

[0013] 本发明针对高温、高压及燃气腐蚀环境下旋转叶片叶尖间隙大量程、高速、高精度的测量需求，与现有技术相比具有以下优点：

[0014] (1)克服现有的光纤式、电容式、电涡流式等动叶片叶尖间隙测量系统不能实现极端服役工作环境及结构受限条件下叶尖间隙测量的缺点，提出一种微波式动叶片叶尖间隙测量方法，利用微波式测量系统耐高温、耐污染、动态范围宽等优点，实现高温及受限结构条件下叶尖间隙高精度测量。

[0015] (2)克服传统的相位差法叶尖间隙测量系统，测距无模糊范围在射频信号半波长以内、测量量程有限的缺点以及点频谐振腔传感器微波式叶尖间隙测量系统的谐振频点随温度漂移、测量频点需要实时调整的缺点，提出一种基于扫频谐振腔原理的叶尖间隙测量方法，通过比较基准时刻和谐振时刻的时间差，消除压控振荡器引入的共模误差，实现较大量程范围内叶尖间隙高精度测量，同时利用高速压控振荡器、高速信号处理电路和高精度时间差测量电路，可满足薄叶片、高叶片端面线速度条件下叶尖间隙的高速测量需求。

附图说明

[0016] 图1示出本发明的基于微波扫频的动叶片叶尖间隙测量方案图。

[0017] 图2示出本发明的谐振腔式传感器示意图。

[0018] 图3示出本发明的谐振腔式传感器反射系数随叶尖间隙变化示意图。

[0019] 图中标号说明：：1为谐振腔传感器，2为同轴线缆，3为环形器，4为中央处理器(CPU)，5为压控振荡器(VCO)，6为射频功率放大器，7为基准信号源，8为混频器，9为低通滤波器，10为选频网络，11为基准时刻鉴别器，12为射频低噪声放大器，13为检波网络，14为谐振时刻鉴别器，15为计时器，16为陶瓷窗片，17为填充介质，18为壳体，19为耦合结构，20为叶尖间隙0.5mm的传感器反射系数曲线，21为叶尖间隙1mm的传感器反射系数曲线，22为叶尖间隙1.5mm的传感器反射系数曲线，23为叶尖间隙2mm的传感器反射系数曲线，24为叶尖间隙2.5mm的传感器反射系数曲线，25为叶尖间隙3mm的传感器反射系数曲线。

具体实施方式

[0020] 下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

[0021] 本发明提出一种基于微波扫频工作方式的动叶片叶尖间隙测量系统，如图1所示，包括：谐振腔传感器1，同轴线缆2，环形器3，中央处理器(CPU)4，压控振荡器(VCO)5，射频功率放大器6，基准信号源7，混频器8，低通滤波器9，选频网络10，基准时刻鉴别器11，射频低噪声放大器12，检波网络13，谐振时刻鉴别器14，计时器15。

[0022] 中央处理器(CPU)4产生锯齿波或三角波调制的电压信号控制压控振荡器(VCO)5实现线性快速扫频，压控振荡器(VCO)5为高速压控振荡器，响应时间在皮秒级，输出射频波段线性扫频的两路同频同相的参考信号和发射信号，其中，参考信号与基准信号源7输出的基准信号通过混频器8混频，混频信号经过低通滤波器9滤除高频的和频信号，将差频信号经高Q值的选频网络10选频，当差频与选频网络10的谐振频率一致时，选频网络10输出信号触发基准时刻鉴别器11产生窄脉冲信号，以指示基准时刻；另外，发射信号通过射频功率放大器6进行功率放大，放大后的发射信号经环形器3后通过同轴线缆2由安装在机匣上的微波谐振腔传感器1向转子轴方向投射微波，同时环形器3接收由叶片端面反射的信号，叶片端面反射的信号经过环形器3后，在射频低噪声放大器12进行放大，之后在检波网络13滤除射频载波信号，输出信号触发谐振时刻鉴别器14产生窄脉冲信号，以指示谐振时刻；中央处理器(CPU)4控制计时器15记录基准时刻和谐振时刻，计时器15受基准时刻鉴别器11输出的窄脉冲信号触发，记录基准时刻，同时受谐振时刻鉴别器14输出的窄脉冲信号触发，记录谐振时刻，计算基准时刻与谐振时刻的时间差，实时将时间差数据输出给中央处理器(CPU)4，中央处理器(CPU)4通过查询叶尖间隙标定曲线数据表，实时转化为叶尖间隙数据；

[0023] 计时器15采用时间数字转换技术(TDC)，例如游标法、插值法、抽头延迟线法或差分延迟线法等，将开始计时标志点和停止计时标志点之间的时间间隔转换为数字量的时间间隔数据输出，时间间隔测量精度在皮秒级，满足叶尖间隙高速高精度测量要求。

[0024] 压控振荡器(VCO)5受温度影响在相同控制电压下射频信号频率发生漂移，通过计算基准时刻和谐振时刻的时间差，可消除该频率漂移引入的共模误差。

[0025] 如图2所示，谐振腔传感器1的结构包括陶瓷窗片16、填充介质17、壳体18、耦合结构19和同轴线缆2。陶瓷窗片16和填充介质17选择透微波材料，如氧化铝、氮化硅、二氧化硅等；壳体18选择与发动机机匣相近的镍基高温合金材料，如Inconel718镍基高温合金(线膨胀系数为11.8×10-6/℃)，GH600高温合金等；耦合结构19可以为磁耦合结构或电耦合结构形式；同轴线缆2选用半刚性二氧化硅高温射频线缆，耐温可达600℃。谐振腔传感器1的探头与其开放端口正对的金属材料被测目标构成谐振腔，叶尖间隙变化会引起谐振腔的谐振频率点变化。

[0026] 如图3所示，当压控振荡器(VCO)5的发射信号扫频到谐振频点时，环形器3接收的叶片端面反射信号较强，当压控振荡器(VCO)5的发射信号扫频到非谐振频点时，环形器3接收不到的叶片端面反射信号。

[0027] 例如，基准信号源7设定为23.5GHz，中央处理器(CPU)4控制压控振荡器5从23GHz-25Hz扫频，压控振荡器5输出两路同频同相的参考信号和发射信号，参考信号与基准信号源
7输出的23.5GHz信号通过混频器8混频，混频出来的信号是和频信号和差频信号两者的和，低通滤波器9可滤除高频的和频信号，而差频信号经高Q值的选频网络10选频，当扫频到
23.5GHz时，选频网络10输出信号触发基准时刻鉴别器11产生窄脉冲信号，输入到计时器；
另外，发射信号通过射频功率放大器6功率放大后，经环形器3后通过同轴线缆2由安装在机匣上的微波谐振腔传感器1向转子轴方向投射微波，假设当前叶尖间隙为3mm，由图3，当扫频到23.75GHz时，环形器3可接收到由叶片端面反射的信号，经射频低噪声放大器12放大，检波网络13滤除射频载波23.75GHz信号，输出信号触发谐振时刻鉴别器14产生窄脉冲信号，同样输入到计时器15，计时器15在中央处理器(CPU)4控制下，计算基准时刻与谐振时刻的时间差，传回给中央处理器(CPU)4，中央处理器(CPU)4通过查表，实时转化为叶尖间隙值。