一种三光束激光干涉法发动机叶尖间隙测量方法及装置

摘要

本发明公开的一种三光束激光干涉法发动机叶尖间隙测量方法，属于发动机测试和光电测量技术领域。本发明在激光干涉测量技术基础上，将高温高压环境下的涡轮风扇发动机的叶尖间隙内部尺寸测量转化为外部台阶尺寸测量，避免测量探头、传感器工作在高温高压的恶劣环境下工作；使用调频激光相位差进行台阶面的距离测量，抑制发动机旋转叶片的反射导致的激光功率不稳定因素。使用声光调制器实现光频调制，用示波器进行波形测量，以软件算法方式实现FM信号解调，最终通过三束等间距相互平行的光束执行测量，以差分方式的相位差测量原理实现涡轮风扇发动机的叶尖间隙高精度测量，能够抑制发动机的振动、测量光束与测量面的垂直度给测量带来的不利影响。

说明书

技术领域

本发明涉及一种三光束激光干涉法发动机叶尖间隙测量方法及装置，属于发动机测试和光电测量技术领域。

背景技术

涡轮风扇发动机是当今先进发动机的主流技术之一，具有推力大、效率高、能耗低、寿命长等众多特点，成为先进航空发动机的代表。其中，发动机叶片尖端与机匣之间的叶尖间隙控制是其关键技术之一。该间隙既不能过大，也不宜过小，通常会控制在0.3mm～3mm之间；过大则会使得发动机效率降低、推力下降，从而性能下降，而过小则容易导致异常碰摩，造成发动机故障或损毁。因而，叶尖间隙测量成为涡轮风扇发动机性能测试中的主流任务之一。

由于涡轮风扇发动机是一种大功率热机系统，其工作时，通常转速可达每分钟五六千转，甚至上万转；其自身温度非常高，采取了冷却散热措施后，其机匣温度依然可望达到摄氏七八百度以上。在此情况下，由于高温热效应、高压气流作用、离心力作用、柔性连接环节等因素的影响，工作状态下，其叶尖间隙将会与非工作状态时有所不同，并且，其工况条件恶劣，高温、高压气流、强噪声、振动等因素并存，又封闭在狭小的拥有高速转子的高压空间范围内，导致很多测量方法和手段不能使用，成为涡轮风扇发动机测试中的难点之一。

目前，人们主要尝试的测量方式有比较成熟的电容法和尚需完善的微波辐射法等，测量系统的量程范围约为0～6.25mm。电容法是通过叶尖间隙在发动机转动过程中的变化，导致电容极板间距的变化，从而产生电容变化，以此来推断叶尖间隙的变化，并通过数据处理方法推算出叶尖间隙的最小值。而微波辐射法则完全是采用电磁波行程测距方式，寻找出最小距离值作为叶尖间隙测量结果。两者共同的特点是都需要将电容探头或收发天线安装在涡轮风扇发动机的机匣上，承受高温等恶劣环境考验。并接受由于高温环境等造成的性能下降。

为了实现高温环境下的涡轮风扇发动机的叶尖间隙高精度测量，人们一直在寻找和探索新的方法，并试图解决该问题。

发明内容

针对高温高压环境下的涡轮风扇发动机的叶尖间隙高精度测量问题，本发明公开的一种三光束激光干涉法发动机叶尖间隙测量方法及装置的目的是：(1)避免测量探头、传感器等工作在高温高压的恶劣环境下工作；(2)使用调频激光相位差进行台阶面的距离测量，对于发动机旋转叶片的反射导致的激光功率不稳定因素，具有更良好的抑制作用；(3)对发动机的振动、测量光束与测量面的垂直度等给测量带来的影响具有良好的抑制作用。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种三光束激光干涉法发动机叶尖间隙测量方法，在激光干涉测量技术基础上，将高温高压环境下的涡轮风扇发动机的叶尖间隙内部尺寸测量转化为外部台阶尺寸测量，避免测量探头、传感器工作在高温高压的恶劣环境下。

使用调频激光相位差进行台阶面的距离测量，抑制激光功率不稳定因素，所述激光功率不稳定因素为发动机旋转叶片的反射导致的激光功率不稳定因素。

使用声光调制器实现光频调制，用示波器进行波形测量，以软件算法方式实现FM信号解调，最终通过三束等间距相互平行的光束执行测量，以差分方式的相位差测量原理实现涡轮风扇发动机的叶尖间隙高精度测量，能够抑制测量不利影响，所述测量不利影响包括发动机的振动、测量光束与测量面的垂直度给测量带来的影响。

本发明公开的一种三光束激光干涉法发动机叶尖间隙测量装置，主要由激光器、第一λ/2波片、第二λ/2波片、第三λ/2波片、第四λ/2波片、第五λ/2波片、第六λ/2波片、第七λ/2波片、第八λ/2波片、第一λ/4波片、第二λ/4波片、第三λ/4波片、第四λ/4波片、第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片、第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、第三偏振分光镜、第四偏振分光镜、第五偏振分光镜、第六偏振分光镜、第七偏振分光镜、第八偏振分光镜、第九偏振分光镜、透镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第四平面反射镜、声光调制器、FM信号源、正弦信号源、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第一滤波放大器、第二滤波放大器、第三滤波放大器、数字示波器、电子计算机、被测发动机机匣、被测发动机叶片、被测发动机机匣测量孔、被测发动机机匣测量孔封堵透明窗组成。

激光器产生的激光经过第一λ/2波片，到达第一偏振分光镜被一分为二。

第一偏振分光镜分光后的一路被反射后，经过第二λ/2波片，到达第三偏振分光镜继续被分光；一部分穿过第七λ/2波片、第九偏振分光镜，经过第一偏振片，到达第一光电探测器，与测量点B反射回来的测量光干涉；另外一部分穿过第三λ/2波片，到达第四偏振分光镜被继续分光；一束经过第八λ/2波片、第七偏振分光镜，穿过第二偏振片，到达第二光电探测器，与测量点A反射回来的测量光干涉；另一束经过第二平面反射镜、到达第五偏振分光镜，穿过第三偏振片，到达第三光电探测器，与测量点Q反射回来的测量光干涉。

第一偏振分光镜分光后的另外一路经过第二偏振分光镜、第一λ/4波片，到达声光调制器，正弦信号源产生所需的频率为Ω的正弦调制信号，对载波频率设为f

第六偏振分光镜分光后的一路穿过第七偏振分光镜、第三λ/4波片、被测发动机机匣测量孔、被测发动机机匣测量孔封堵透明窗，到达被测发动机叶片上的测量点A，在测量点A被反射后，返回，穿过被测发动机机匣测量孔封堵透明窗、被测发动机机匣测量孔、第三λ/4波片，到达第七偏振分光镜，经第七偏振分光镜反射，穿过第二偏振片，到达第二光电探测器，与第八λ/2波片传来的光产生干涉，干涉后的信号被第二光电探测器接收转换成电信号，该电信号经第二滤波放大器放大，到达数字示波器的通道a；

第六偏振分光镜分光后的另外一路经第四平面反射镜反射后，通过第六λ/2波片，到达第八偏振分光镜被一分为二。

第八偏振分光镜分光后的一路穿过第九偏振分光镜、第四λ/4波片，到达被测发动机机匣上的测量点B，在测量点B被反射后，返回，穿过第四λ/4波片，经第九偏振分光镜反射，穿过第一偏振片，到达第一光电探测器，与第七λ/2波片传来的光产生干涉，干涉后的信号被第一光电探测器接收转换成电信号，该电信号经第一滤波放大器放大，到达数字示波器的通道b。

第八偏振分光镜分光后的另一路经第三平面反射镜反射后，经过第四λ/2波片，穿过第五偏振分光镜、第二λ/4波片，到达被测发动机机匣上的测量点Q，在测量点Q被反射后，返回，穿过第二λ/4波片，经第五偏振分光镜反射，穿过第三偏振片，到达第三光电探测器，与第二平面反射镜传来的光产生干涉，干涉后的信号被第三光电探测器接收转换成电信号，该电信号经第三滤波放大器放大，到达数字示波器的通道q。

用数字示波器对通道a、b、q执行同步测量，分别获得其相应的测量序列{x

电子计算机对{x

本发明公开的一种三光束激光干涉法发动机叶尖间隙测量装置的工作方法为：

步骤一：参数初始化。

三光束激光干涉法发动机叶尖间隙测量装置安装使用之前，需要进行参数初始化工作。首先，令测量光照射到与其垂直的平面上，使得测量点A、B、Q在测量光束的同一垂直平面上。

执行测量，然后用电子计算机进行调频信号解调，获得解调后的瞬时频率序列为{f

对序列{f

对序列{f

则得：

通道a超前通道b的相位差：

通道a超前通道q的相位差：

步骤二：实施测量。

在完成参数初始化，获得两个初始相位差

执行测量，然后用电子计算机进行调频信号解调，获得解调后的瞬时频率序列为{f

对序列{f

对序列{f

则得：

修正后的通道b超前通道a的相位差：

其对应的距离为：

其中，c为光速；w为被测发动机机匣厚度。

用通道a与b数据获得的叶尖间隙值d

修正后的通道q超前通道a的相位差：

其对应的距离为：

用通道a与q数据获得的叶尖间隙值d

两者取平均，获得的涡轮风扇发动机叶尖间隙d为：

上述叶尖间隙测量时，若发动机处于高速旋转的工作状态时，测量点B与测量点Q处于稳定不变状态，故相应通道b和q的拟合正弦波形f

在发动机旋转工作过程中，在不同的位姿状态下，由发动机叶尖间隙测量序列的不同波形段能够获得不同的测量结果d值，选取其最小者作为涡轮风扇发动机叶尖间隙测量结果。

有益效果：

1、本发明公开的一种三光束激光干涉法发动机叶尖间隙测量方法及装置，使用激光干涉台阶测量方法进行测量，将内部的叶尖间隙测量问题转化为外部的台阶测量问题，从而避免在发动机机匣内安装任何传感器或探头、天线等，主测量系统能够远离被测发动机机匣，仅以三束激光照射实施测量，从而能够解决高温高压下的测量难题。

2、本发明公开的一种三光束激光干涉法发动机叶尖间隙测量方法及装置，使用调频激光进行距离测量，对于发动机旋转叶片的反射导致的激光功率不稳定因素，具有更良好的抑制作用。

3、本发明公开的一种三光束激光干涉法发动机叶尖间隙测量方法及装置，使用声光调制器实现光频调制，用示波器进行波形测量，以软件算法方式实现FM信号解调，最终通过三束等间距相互平行的光束执行测量，以差分方式的相位差测量原理实现涡轮风扇发动机的叶尖间隙高精度测量，对于测量过程中发动机振动、测量光与被测面不垂直等带来的误差影响具有良好的抑制作用，可以获得高精度测量结果。

附图说明

图1为本发明公开的一种三光束激光干涉法发动机叶尖间隙测量装置的结构示意图。

其中：1—激光器、2—第一λ/2波片、11—第二λ/2波片、13—第三λ/2波片、17—第四λ/2波片、20—第五λ/2波片、25—第六λ/2波片、29—第七λ/2波片、35—第八λ/2波片、5—第一λ/4波片、19—第二λ/4波片、23—第三λ/4波片、28—第四λ/4波片、30—第一偏振片、36—第二偏振片、39—第三偏振片、3—第一偏振分光镜、4—第二偏振分光镜、12—第三偏振分光镜、14—第四偏振分光镜、18—第五偏振分光镜、21—第六偏振分光镜、22—第七偏振分光镜、26—第八偏振分光镜、27—第九偏振分光镜、9—透镜、10—第一平面反射镜、15—第二平面反射镜、16—第三平面反射镜、24—第四平面反射镜、6—声光调制器、7—FM信号源、8—正弦信号源、31—第一光电探测器、37—第二光电探测器、40—第三光电探测器、32—第一滤波放大器、38—第二滤波放大器、41—第三滤波放大器、33—数字示波器、34—电子计算机、42—被测发动机机匣、43—被测发动机叶片、44—被测发动机机匣测量孔、45—被测发动机机匣测量孔封堵透明窗。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步详细说明，但本发明并不局限于具体实施例。

如图1所示，本实施例公开的一种三光束激光干涉法发动机叶尖间隙测量方法，在激光干涉测量技术基础上，将高温高压环境下的涡轮风扇发动机的叶尖间隙内部尺寸测量转化为外部台阶尺寸测量，避免测量探头、传感器工作在高温高压的恶劣环境下。

使用调频激光相位差进行台阶面的距离测量，抑制激光功率不稳定因素，所述激光功率不稳定因素为发动机旋转叶片的反射导致的激光功率不稳定因素。

使用声光调制器实现光频调制，用示波器进行波形测量，以软件算法方式实现FM信号解调，最终通过三束等间距相互平行的光束执行测量，以差分方式的相位差测量原理实现涡轮风扇发动机的叶尖间隙高精度测量，能够抑制测量不利影响，所述测量不利影响包括发动机的振动、测量光束与测量面的垂直度给测量带来的影响。

本实施例公开的一种三光束激光干涉法发动机叶尖间隙测量装置，主要由激光器1、第一λ/2波片2、第二λ/2波片11、第三λ/2波片13、第四λ/2波片17、第五λ/2波片20、第六λ/2波片25、第七λ/2波片29、第八λ/2波片35、第一λ/4波片5、第二λ/4波片19、第三λ/4波片23、第四λ/4波片28、第一偏振片30、第二偏振片36、第三偏振片39、第一偏振分光镜3、第二偏振分光镜4、第三偏振分光镜12、第四偏振分光镜14、第五偏振分光镜18、第六偏振分光镜21、第七偏振分光镜22、第八偏振分光镜26、第九偏振分光镜27、透镜9、第一平面反射镜10、第二平面反射镜15、第三平面反射镜16、第四平面反射镜24、声光调制器6、FM信号源7、正弦信号源8、第一光电探测器31、第二光电探测器37、第三光电探测器40、第一滤波放大器32、第二滤波放大器38、第三滤波放大器41、数字示波器33、电子计算机34、被测发动机机匣42、被测发动机叶片43、被测发动机机匣测量孔44、被测发动机机匣测量孔封堵透明窗45组成。

激光器1产生的激光经过第一λ/2波片2，到达第一偏振分光镜3被一分为二。

第一偏振分光镜3分光后的一路被反射后，经过第二λ/2波片11，到达第三偏振分光镜12继续被分光；一部分穿过第七λ/2波片29、第九偏振分光镜27，经过第一偏振片30，到达第一光电探测器31，与测量点B反射回来的测量光干涉；另外一部分穿过第三λ/2波片13，到达第四偏振分光镜14被继续分光；一束经过第八λ/2波片35、第七偏振分光镜22，穿过第二偏振片36，到达第二光电探测器37，与测量点A反射回来的测量光干涉；另一束经过第二平面反射镜15、到达第五偏振分光镜18，穿过第三偏振片39，到达第三光电探测器40，与测量点Q反射回来的测量光干涉；

第一偏振分光镜3分光后的另外一路经过第二偏振分光镜4、第一λ/4波片5，到达声光调制器6，正弦信号源8产生所需的频率为Ω的正弦调制信号，对载波频率设为f

第六偏振分光镜21分光后的一路穿过第七偏振分光镜22、第三λ/4波片23、被测发动机机匣测量孔44、被测发动机机匣测量孔封堵透明窗45，到达被测发动机叶片43上的测量点A，在测量点A被反射后，返回，穿过被测发动机机匣测量孔封堵透明窗45、被测发动机机匣测量孔44、第三λ/4波片23，到达第七偏振分光镜22，经第七偏振分光镜22反射，穿过第二偏振片36，到达第二光电探测器37，与第八λ/2波片35传来的光产生干涉，干涉后的信号被第二光电探测器37接收转换成电信号，该电信号经第二滤波放大器38放大，到达数字示波器33的通道a；

第六偏振分光镜21分光后的另外一路经第四平面反射镜24反射后，经过第六λ/2波片25，到达第八偏振分光镜26被一分为二。

第八偏振分光镜26分光后的一路穿过第九偏振分光镜27、第四λ/4波片28，到达被测发动机机匣42上的测量点B，在测量点B被反射后，返回，穿过第四λ/4波片28，经第九偏振分光镜27反射，穿过第一偏振片30，到达第一光电探测器31，与第七λ/2波片29传来的光产生干涉，干涉后的信号被第一光电探测器31接收转换成电信号，该电信号经第一滤波放大器32放大，到达数字示波器33的通道b。

第八偏振分光镜26分光后的另一路经第三平面反射镜16反射后，经过第四λ/2波片17，穿过第五偏振分光镜18、第二λ/4波片19，到达被测发动机机匣42上的测量点Q，在测量点Q被反射后，返回，穿过第二λ/4波片19，经第五偏振分光镜18反射，穿过第三偏振片39，到达第三光电探测器40，与第二平面反射镜15传来的光产生干涉，干涉后的信号被第三光电探测器40接收转换成电信号，该电信号经第三滤波放大器41放大，到达数字示波器33的通道q。

用数字示波器33对通道a、b、q执行同步测量，分别获得其相应的测量序列{x

电子计算机34对{x

本实施例公开的一种三光束激光干涉法发动机叶尖间隙测量装置的工作方法为：

步骤一：参数初始化。

三光束激光干涉法发动机叶尖间隙测量装置安装使用之前，需要进行参数初始化工作。首先，令测量光照射到与其垂直的平面上，使得测量点A、B、Q在测量光束的同一垂直平面上。

执行测量，然后用电子计算机34进行调频信号解调，获得解调后的瞬时频率序列为{f

对序列{f

对序列{f

则得：

通道a超前通道b的相位差：

通道a超前通道q的相位差：

步骤二：实施测量。

在完成参数初始化，获得两个初始相位差

执行测量，然后用电子计算机34进行调频信号解调，获得解调后的瞬时频率序列为{f

对序列{f

对序列{f

则得：

修正后的通道b超前通道a的相位差：

其对应的距离为：

其中，c为光速；w为被测发动机机匣厚度。

用通道a与b数据获得的叶尖间隙值d

修正后的通道q超前通道a的相位差：

其对应的距离为：

用通道a与q数据获得的叶尖间隙值d

两者取平均，获得的涡轮风扇发动机叶尖间隙d为：

上述叶尖间隙测量时，若发动机处于高速旋转的工作状态时，测量点B与测量点Q处于稳定不变状态，故相应通道b和q的拟合正弦波形f

在发动机旋转工作过程中，在不同的位姿状态下，由发动机叶尖间隙测量序列的不同波形段能够获得不同的测量结果d值，选取其最小者作为涡轮风扇发动机叶尖间隙测量结果。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，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。