一種葉尖間隙光纖測(cè)量方法及裝置制造方法
【專利摘要】一種葉尖間隙光纖測(cè)量方法，采用多點(diǎn)定位反射補(bǔ)償型光纖測(cè)距，由激光器發(fā)射出工作波段激光經(jīng)過光纖探頭發(fā)射到被測(cè)物表面，經(jīng)被測(cè)物表面反射后回到光纖探頭，然后分別進(jìn)入多路接收光纖，經(jīng)濾光片對(duì)進(jìn)入接收光纖的光進(jìn)行濾光，分別獲得經(jīng)被測(cè)物表面反射后進(jìn)入多路接收光纖的工作波段光能量，再經(jīng)過光電探測(cè)后將光能量轉(zhuǎn)換為弱電流信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大濾波電路將弱電流信號(hào)放大為供采集的電流或電壓信號(hào)，通過對(duì)多路輸出的電流信號(hào)或電壓信號(hào)采集后對(duì)比處理，獲得光纖探頭與被測(cè)物表面之間的距離。本發(fā)明還公開了用于實(shí)現(xiàn)上述方法的測(cè)量裝置。
【專利說明】一種葉尖間隙光纖測(cè)量方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種葉尖間隙光纖測(cè)量方法。
[0002]本發(fā)明還涉及一種用于實(shí)現(xiàn)上述方法的測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0003]渦輪動(dòng)葉葉尖間隙是影響地面燃?xì)廨啓C(jī)或航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的一個(gè)重要參數(shù)，間隙過大則燃?xì)庑孤┝髁吭黾樱瑢?dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)或航空發(fā)動(dòng)機(jī)效率降低，油耗增加；間隙減小則容易導(dǎo)致葉片與機(jī)匣接觸，造成葉片磨損甚至損壞。由于葉尖間隙影響因素相當(dāng)復(fù)雜，單靠計(jì)算分析很難確定，因此必須在試驗(yàn)中對(duì)間隙進(jìn)行測(cè)量，為葉尖間隙控制提供可靠數(shù)據(jù)，也可在燃?xì)廨啓C(jī)或航空發(fā)動(dòng)機(jī)服役過程中，對(duì)葉尖間隙進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行診斷與提前預(yù)警，以免造成嚴(yán)重后果。
[0004]目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于葉尖間隙測(cè)量的技術(shù)主要為放電探針測(cè)量法、超聲波測(cè)量法、X射線測(cè)量法、光導(dǎo)探針測(cè)量法、光纖測(cè)量法、電渦流測(cè)量法、電容法等，其中放電探針測(cè)量法僅能獲得渦輪動(dòng)葉葉尖與機(jī)匣間的最小間隙，且僅適于低溫、低轉(zhuǎn)速條件。
[0005]超聲波測(cè)量法、X射線測(cè)量法、光導(dǎo)探針測(cè)量法由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，且不易用于高溫環(huán)境等，限制了其發(fā)展。
[0006]常用的電容和電渦流測(cè)量法抗電磁干擾差，僅能用在金屬葉片上，中間介質(zhì)的介電特性對(duì)其測(cè)量結(jié)果也有一定影響。
[0007]光纖測(cè)量法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不受電磁干擾，是近幾年來研究的熱點(diǎn)。關(guān)于光纖位移測(cè)量技術(shù)，最早采用的是一路光纖發(fā)射測(cè)量激光，一路光纖接收反射光信號(hào)，該測(cè)量方法容易受發(fā)射光源波動(dòng)、光纖損耗及被測(cè)面反射率的影響，因此測(cè)量精度較差。為了解決以上問題，后來發(fā)展了反射補(bǔ)償型光纖位移測(cè)試技術(shù)，采用了一路信號(hào)光纖和一路參考光纖接收反射光能量，經(jīng)過對(duì)比分析獲得距離信息，但其對(duì)發(fā)射光束與被測(cè)面的垂直度要求較高，較小的被測(cè)面傾角也會(huì)引起較大測(cè)量誤差，且目前采用的發(fā)射光波長(zhǎng)一般在紅外區(qū)，在高溫環(huán)境中容易受葉尖自身輻射光譜干擾，不適用于高溫環(huán)境下距離測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是提供一種渦輪動(dòng)葉葉尖間隙光纖測(cè)量方法。
[0009]本發(fā)明的又一目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)上述方法的測(cè)量裝置。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的葉尖間隙光纖測(cè)量方法，采用多點(diǎn)定位反射補(bǔ)償型光纖測(cè)距，由激光器發(fā)射出工作波段激光經(jīng)過光纖探頭發(fā)射到被測(cè)物表面，經(jīng)被測(cè)物表面反射后回到光纖探頭，然后分別進(jìn)入多路接收光纖，經(jīng)濾光片對(duì)進(jìn)入接收光纖的光進(jìn)行濾光，分別獲得經(jīng)被測(cè)物表面反射后進(jìn)入多路接收光纖的工作波段光能量，再經(jīng)過光電探測(cè)后將光能量轉(zhuǎn)換為弱電流信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大濾波電路將弱電流信號(hào)放大為供采集的電流或電壓信號(hào)，通過對(duì)多路輸出的電流信號(hào)或電壓信號(hào)采集后對(duì)比處理，獲得光纖探頭與被測(cè)物表面之間的距離。[0011]所述的葉尖間隙光纖測(cè)量方法中，多路接收光纖為三路接收光纖。
[0012]所述的葉尖間隙光纖測(cè)量方法中，光電探測(cè)轉(zhuǎn)換的弱電流經(jīng)過信號(hào)放大濾波處理獲得供采集的電流或電壓信號(hào)。
[0013]本發(fā)明提供的用于實(shí)現(xiàn)上述方法的測(cè)量裝置，其包括:
[0014]一光纖探頭，包括一路發(fā)射光纖和多路接收光纖，多路接收光纖環(huán)繞于發(fā)射光纖的周圍；
[0015]發(fā)射光纖連接激光器，多路接收光纖分別各自連接一光電探測(cè)器；
[0016]光纖探頭固定在帶冷卻結(jié)構(gòu)的探頭安裝座上，探頭安裝座固定在機(jī)匣上；
[0017]所述冷卻結(jié)構(gòu)是在第一筒壁內(nèi)安裝有第二筒壁，第二筒壁內(nèi)安裝有第三筒壁，光纖探頭安裝在第三筒壁內(nèi)，在第一筒壁和第二筒壁之間設(shè)有第一環(huán)隙通道，在第二筒壁和第三筒壁之間設(shè)有第二環(huán)隙通道，在光纖探頭和第三筒壁之間設(shè)有第三環(huán)隙通道；
[0018]第一筒壁上設(shè)有高壓氣體入口，第二筒壁設(shè)有低壓冷氣出口，第三筒壁設(shè)有低壓冷氣入口 ；
[0019]第二筒壁的頂端開設(shè)有玻璃視窗。
[0020]所述的葉尖間隙光纖測(cè)量裝置中，發(fā)射光纖自帶端面球透鏡，以增加測(cè)距范圍。
[0021]所述的葉尖間隙光纖測(cè)量裝置中，多路接收光纖為等夾角的環(huán)繞于發(fā)射光纖的周圍。
[0022]所述的葉尖間隙光纖測(cè)量裝置中，多路接收光纖與發(fā)射光纖之間的距離分別為rl> r2> r3> …、rN,且 rl Φ.r2 Φ.r3…古 rN。
[0023]所述的葉尖間隙光纖測(cè)量裝置中，帶有冷卻結(jié)構(gòu)的探頭安裝座是通過安裝法蘭固定在機(jī)匣上。
[0024]所述的葉尖間隙光纖測(cè)量裝置中，多路接收光纖分別各自連接的光電探測(cè)器經(jīng)信號(hào)放大濾波電路后連接高頻數(shù)據(jù)采集儀。
[0025]所述的葉尖間隙光纖測(cè)量裝置中，高頻數(shù)據(jù)采集儀通過網(wǎng)絡(luò)連接至遠(yuǎn)端監(jiān)視設(shè)備。
[0026]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0027]I)本發(fā)明可以用于高溫環(huán)境下的葉尖間隙測(cè)量；
[0028]2)本發(fā)明可以用于高壓環(huán)境下的葉尖間隙測(cè)量；
[0029]3)本發(fā)明可以用于高速旋轉(zhuǎn)部件的間隙測(cè)量；
[0030]4)本發(fā)明不易受材料自身發(fā)射光譜干擾；
[0031]5)本發(fā)明不易受光源波動(dòng)影響；
[0032]6)本發(fā)明不易受光纖傳輸損耗影響；
[0033]7)本發(fā)明不易受被測(cè)面材料反射率變化影響；
[0034]8)本發(fā)明不易受被測(cè)面小角度傾斜影響；
[0035]9)本發(fā)明可以用于其他工業(yè)應(yīng)用中常規(guī)距離精確測(cè)量；
[0036]10)本發(fā)明采用了光纖技術(shù)，靈敏度高、抗電磁干擾。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的測(cè)量裝置的光纖測(cè)距光路電路原理圖。[0038]圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的測(cè)量裝置中光纖探頭排布示意圖。
[0039]圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的測(cè)量裝置的工作原理圖。
[0040]附圖中主要組件符號(hào)說明:
[0041]被測(cè)表面I，光纖探頭2，發(fā)射光纖3，自控溫型激光器4，接收光纖5、6和7，濾光片8，光電探測(cè)器9，信號(hào)放大濾波電路10，渦輪葉片11，安裝法蘭13，高壓氣體入口 14，低壓冷氣入口 15，玻璃視窗16，第一筒壁12，第二筒壁17，第三筒壁18，低壓冷氣出口 19，鎖緊裝置20，光纖束21，電路盒22，數(shù)據(jù)采集儀23，遠(yuǎn)端監(jiān)視設(shè)備24。
【具體實(shí)施方式】
[0042]本發(fā)明可以在高溫下對(duì)高速旋轉(zhuǎn)動(dòng)葉葉尖間隙進(jìn)行測(cè)量，具有被測(cè)面小傾角補(bǔ)償功能，為地面燃?xì)廨啓C(jī)或航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙主動(dòng)控制提供詳細(xì)可靠數(shù)據(jù)。
[0043]以下結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作詳細(xì)描述。
[0044]請(qǐng)結(jié)合圖1-圖3。
[0045]圖1為本發(fā)明的多點(diǎn)定位反射補(bǔ)償型光纖測(cè)距原理圖(本實(shí)施例以三個(gè)為例)，自控溫型激光器4發(fā)射出工作波段在300-450nm之間的某一工作波長(zhǎng)激光，耦合進(jìn)入發(fā)射光纖3，經(jīng)過光纖探頭2發(fā)射到被測(cè)表面1，經(jīng)被測(cè)表面I反射后回到光纖探頭2，然后分別進(jìn)入三路接收光纖5、6和7，經(jīng)過濾光片8對(duì)進(jìn)入接收光纖5、6和7的光進(jìn)行濾光，分別獲得經(jīng)被測(cè)表面I反射后進(jìn)入三路接收光纖5、6和7的工作波段光能量，經(jīng)過光電探測(cè)器9后將光能量轉(zhuǎn)換為弱電流信號(hào)，然后經(jīng)過信號(hào)放大濾波電路10后獲的三路接收光纖5、6和7內(nèi)光能量對(duì)應(yīng)的可以采集處理的電壓(或電流)信號(hào)，通過對(duì)三路輸出電壓(或電流)信號(hào)的采集后對(duì)比處理及強(qiáng)度調(diào)制，最終獲得探頭與被測(cè)面之間的距離。
[0046]圖2為本發(fā)明的光纖探頭2的光纖排布原理圖，本發(fā)明的光纖探2中為一路發(fā)出測(cè)量光束的發(fā)射光纖3和三路接收光纖5、6和7，發(fā)射光纖3自帶端面球透鏡以增加測(cè)距范圍。接收光纖5、6和7分別環(huán)繞于發(fā)射光纖3的周圍，接收光纖5、6和7與發(fā)射光纖3之間的距離分別為rl、r2和r3，接收光纖5、6和7與發(fā)射光纖3形成的夾角分別為al、a2和a3。其中間距rl古r2古r3為最優(yōu)，若其中有兩個(gè)間距相等也可以，但不能三個(gè)間距均相等，夾角al=a2=a3=120°C為最佳角度,三個(gè)夾角不相等也可。
[0047]圖3是為本發(fā)明測(cè)量裝置的工作原理圖，渦輪葉片11工作在高溫高壓燃?xì)鈼l件下，而光纖探頭2耐溫較低，因此需要對(duì)其進(jìn)行冷卻。光纖探頭2通過鎖緊裝置20固定在帶冷卻結(jié)構(gòu)的探頭安裝座上。為了保持光纖探頭的清潔，并工作在安全溫度下，該冷卻結(jié)構(gòu)為多環(huán)道冷卻結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)是是在第一筒壁12內(nèi)安裝有第二筒壁17，在第二筒壁17內(nèi)安裝有第三筒壁18。光纖探頭2安裝在第三筒壁18內(nèi)，在第一筒壁12和第二筒壁17之間設(shè)有第一環(huán)隙通道，在第二筒壁17和第三筒壁18之間設(shè)有第二環(huán)隙通道，在光纖探頭2和第三筒壁18之間設(shè)有第三環(huán)隙通道。冷卻結(jié)構(gòu)的探頭安裝座通過安裝法蘭13連接在機(jī)匣上。光纖探頭2通過安裝在第二筒壁17上的高溫玻璃視窗16與高溫高壓燃?xì)飧艚^，為了防止玻璃視窗受高溫燃?xì)馕廴?，將從壓氣機(jī)高壓級(jí)引出的高溫高壓清潔空氣從高壓氣體入口 14引入第一筒壁12與第二筒壁17之間的第一環(huán)隙流道，從玻璃窗口 16前流出后，阻止高溫高壓燃?xì)馀c玻璃窗口 16接觸，并對(duì)其進(jìn)行冷卻。將從壓氣機(jī)低壓級(jí)引出的低溫低壓清潔空氣通過低壓冷氣入口 15引入光纖探頭2與第三筒壁18之間的第三環(huán)隙通道，對(duì)光纖探頭2進(jìn)行冷卻，然后由第二筒壁17與第三筒壁18之間的第二環(huán)隙流道返回，經(jīng)低壓冷氣出口 19流出。光纖探頭2通過光纖束21與電路盒22連接，電路盒22內(nèi)集成了激光器、光電探測(cè)器以信號(hào)放大濾波電路等，三路接收光纖獲得的光能量對(duì)應(yīng)的電壓(或電流)信號(hào)通過高頻數(shù)據(jù)采集儀23進(jìn)行采集、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)處理分析，獲得光纖探頭與被測(cè)面之間的距離，然后將數(shù)據(jù)處理結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)端監(jiān)視設(shè)備24對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行顯示，數(shù)據(jù)處理結(jié)果也可以通過高頻數(shù)據(jù)采集儀23進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)顯示。
[0048]由于測(cè)距工作波段選在300_450nm之間，該波段在高溫葉片自身熱輻射光譜中所占能量非常小，在測(cè)試過程中葉片在該波段的自身輻射對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響可以忽略。本發(fā)明采用了三路接收光路接收被測(cè)面反射光強(qiáng)度，經(jīng)過強(qiáng)度調(diào)制后，測(cè)量過程中對(duì)三路接收光纖獲得的光能量對(duì)應(yīng)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比運(yùn)算，可精確獲得被測(cè)面與光纖探頭之間的距離，由于采用了三點(diǎn)定位補(bǔ)償方法，不但可以補(bǔ)償光源功率波動(dòng)、光纖損耗以及被測(cè)面發(fā)射率對(duì)測(cè)量精度的影響，而且補(bǔ)償了被測(cè)面小角度傾斜對(duì)測(cè)量精度的影響。光纖探頭安裝座由于采用了多層冷卻結(jié)構(gòu)，可以較好地分配冷卻氣體，在保證光纖探頭安全工作的條件下，盡量減少了引氣對(duì)系統(tǒng)性能的影響，且易于實(shí)現(xiàn)該光纖測(cè)量系統(tǒng)的在線維護(hù)更換。
【權(quán)利要求】
1.一種葉尖間隙光纖測(cè)量方法，采用多點(diǎn)定位反射補(bǔ)償型光纖測(cè)距，由激光器發(fā)射出工作波段激光經(jīng)過光纖探頭發(fā)射到被測(cè)物表面，經(jīng)被測(cè)物表面反射后回到光纖探頭，然后分別進(jìn)入多路接收光纖，經(jīng)濾光片對(duì)進(jìn)入接收光纖的光進(jìn)行濾光，分別獲得經(jīng)被測(cè)物表面反射后進(jìn)入多路接收光纖的工作波段光能量，再經(jīng)過光電探測(cè)后將光能量轉(zhuǎn)換為弱電流信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大濾波電路將弱電流信號(hào)放大為供采集的電流或電壓信號(hào)，通過對(duì)多路輸出的電流信號(hào)或電壓信號(hào)采集后對(duì)比處理，獲得光纖探頭與被測(cè)物表面之間的距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉尖間隙光纖測(cè)量方法，其中，多路接收光纖為三路接收光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉尖間隙光纖測(cè)量方法，其中，光電探測(cè)轉(zhuǎn)換的弱電流信號(hào)經(jīng)過信號(hào)放大濾波處理獲得供采集的電流或電壓信號(hào)。
4.一種葉尖間隙光纖測(cè)量裝置，其包括: 一光纖探頭，包括一路發(fā)射光纖和多路接收光纖，多路接收光纖環(huán)繞于發(fā)射光纖的周圍； 發(fā)射光纖連接激光器，多路接收光纖分別各自連接一光電探測(cè)器； 光纖探頭固定在帶冷卻結(jié)構(gòu)的探頭安裝座上，探頭安裝座固定在機(jī)匣上； 所述冷卻結(jié)構(gòu)是在第一筒壁內(nèi)安裝有第二筒壁，第二筒壁內(nèi)安裝有第三筒壁，光纖探頭安裝在第三筒壁內(nèi)，在第一筒壁和第二筒壁之間設(shè)有第一環(huán)隙通道，在第二筒壁和第三筒壁之間設(shè)有第二環(huán)隙通道，在光纖探頭和第三筒壁之間設(shè)有第三環(huán)隙通道； 第一筒壁上設(shè)有高壓氣體入 口，第二筒壁設(shè)有低壓冷氣出口，第三筒壁設(shè)有低壓冷氣入口 ； 第二筒壁的頂端開設(shè)有玻璃視窗。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的葉尖間隙光纖測(cè)量裝置，其中，發(fā)射光纖束自帶端面球透鏡，以增加測(cè)距范圍。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的葉尖間隙光纖測(cè)量裝置，其中，多路接收光纖為等夾角的環(huán)繞于發(fā)射光纖的周圍。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的葉尖間隙光纖測(cè)量裝置，其中，多路接收光纖與發(fā)射光纖之間的距離分別為rl、r2、r3、…、rN,且rl古r2古r3…古rN。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的葉尖間隙光纖測(cè)量裝置，其中，帶有冷卻結(jié)構(gòu)的探頭安裝座是通過安裝法蘭固定在機(jī)匣上。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的葉尖間隙光纖測(cè)量裝置，其中，多路接收光纖分別各自連接的光電探測(cè)器經(jīng)信號(hào)放大濾波電路后連接高頻數(shù)據(jù)采集儀。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的葉尖間隙光纖測(cè)量裝置，其中，高頻數(shù)據(jù)采集儀通過網(wǎng)絡(luò)連接至遠(yuǎn)端監(jiān)視設(shè)備。
【文檔編號(hào)】G01B11/14GK103438814SQ201310383059
【公開日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月29日
【發(fā)明者】李勛鋒, 淮秀蘭, 成克用, 周小明, 蔡軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所