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基于光谱共焦技术的叶尖间隙测量方法研究

日期: 2022-01-17
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[摘要]基于光谱共焦测量技术搭建了叶尖间隙模拟测试平台,将模拟叶盘安装在气浮主轴上,并应用光谱共焦位移传感器实现了叶尖端面的位移变化量的测量,以表征叶尖间隙的变化,分别模拟了叶尖间隙的单次测量和连续测量过程。实验结果表明,应用光谱共焦位移传感器可以完成发动机转子叶尖间隙的测量,而且能够达到很高的测量效率和精度,可以应用于实际的测量现场。


[关键词]叶尖间隙;非接触;光谱共焦;测量


引言

随着科学技术的长足进步,世界航空工业进入了全新的发展时代。在航空领域中,发动机是推进系统的重要组成部分,为飞机提供持续飞行的拉力或推力。作为飞机的核心部件,发动机对于飞行的安全性、可靠性和经济性等都有着重要影响。当前,航空推进系统日益向着高转速、高效率、高推重比、高可靠性和高涡轮前温度的方向发展,这就对发动机的整体性能提出了更高要求,迫切需要压气机、涡轮等关键部件具备更高的工作效率和更宽的稳定工作范围。而要达到这一目标,就需要着力加强在发动机性能测试方面的研究工作。


一般说来,航空发动机是一种高速旋转的热力机械,能够将燃料的化学能转化为飞机的动能,其各级转子主要由叶片、轮盘和转轴等部分组成。在发动机的运行过程中,压气机和涡轮中的转子以很高的转速做定轴回转运动,其中,各级转子叶片的顶端(叶尖)与机匣内壁之间的径向间距被称为叶尖间隙(Tip Clearance)。叶尖间隙是关系到发动机性能的重要参数之一,间隙过大,会使叶尖泄露增大,导致发动机效率下降,甚至造成发动机喘振;而间隙过小,则有可能导致叶片顶端与机匣内壁之间发生碰撞和摩擦,影响发动机的安全运转,甚至造成发动机损坏,给飞行带来巨大的安全隐患。


因此,采取必要的测试手段对发动机的转子叶尖间隙进行实时有效测量,从而掌握叶尖间隙的变化规律,对于监测发动机的工作状态,进而实现发动机整个运行过程的直接监测和故障诊断,都具有着重要而深远的意义。目前,叶尖间隙的测量方法主要有放电探针测量法、电涡流测量法和电容测量法等。放电探针法适用于导电材质的叶片,而且只能测量旋转叶片的最小叶尖间隙;电涡流法要求叶片材质具有导电性,并且叶尖端面要具有一定的厚度;电容法的频率响应性能较差,而且要求叶片材料必须是铁性材料,应用范围受到一定限制。可见,传统的测量方法存在着诸多局限性,不利于叶尖间隙测量任务的完成。


随着光学、电子学和传感技术等学科的发展与进步,许多光电传感器和测量方法被引入到航空领域中,成功地解决了许多传统测量技术难以或者无法解决的问题。其中,光谱共焦位移传感器是近年来新出现的一种非接触式的高精度光电位移传感器,基于光谱色散原理,能够将位移信息编码到波长信息中,再通过光谱分析技术得出被测位移,系统的分辨率可以达到微纳米量级,响应频率能够达到千赫兹量级。与传统的激光三角反射式位移传感器相比,光谱共焦位移传感器对被测表面的要求更低,允许被测表面有较大的倾斜角度。此外,它还具有精度高、绝对式测量、便于小型化以及对杂散光有较强的鲁棒性等特点,应用前景十分广阔。国内的马小军等提出了基于光谱共焦传感器的金属薄膜厚度测量技术,利用相向对顶安装的传感器组、精密位移平台等实现了对厚度为10~100μm的自支撑金属薄膜的厚度及厚度分布的精确测量。朱万彬等研究了将光谱共焦位移传感器用于测量透明材料平板厚度的可行性,并对其产生的误差进行了详细分析,给出了相应的补偿方法。陈挺等在论述光谱共焦技术原理的基础上,列举了光谱共焦传感器在几何量计量测试中的典型应用,探讨了共焦技术在未来精密测量领域中的进一步应用。


为了实现航空发动机转子叶尖间隙的实时精确测量,本文提出了一种基于光谱共焦技术的叶尖间隙测量方法。搭建了叶尖间隙模拟测试系统,将模拟叶盘零件安装在气浮主轴上,以模拟发动机转子,并将光谱共焦位移传感器固定在刚性支架上,通过支架的调整使传感器处于正确的工作位置。在实验过程中,首先进行单次测试,完成了单个叶片顶端位移变化量的测量;然后进行连续测试,旋转模拟叶盘,完成了该叶盘周向上36个叶片顶端位移变化量的连续测量,从而模拟了在发动机环境中的实际应用效果。实验结果表明,本文选用的光谱共焦位移传感器具有很高的测量精度和响应频率,并且体积小、便于安装,能够满足发动机叶尖间隙的测量需求。


1光谱共焦位移传感器的基本原理

光谱共焦测量技术最早由Molesini等人提出,并成功应用于表面轮廓仪。随后,许多科研人员都对基于光谱共焦原理的测量技术开展了深入研究,并在宏观和微观测量领域衍生出了许多应用实例。目前,国外的工业级光谱共焦位移传感器的测量精度已达到亚微米级,响应频率已达到几千赫兹。

基于光谱共焦技术的叶尖间隙测量方法研究

1光谱共焦位移传感器的工作原理


光谱共焦位移传感器是在共焦显微镜的基础上发展起来的,其原理类似于共焦显微镜,但又有所不同。如图1所示,传感器主要由探头和光谱分析仪两部分组成,二者可通过光纤连接进行信号传输。其中,探头主要由光源和光学透镜组等构成。光源采用宽光谱的复色点光源(呈白光),其出射光束经过前置透镜组后变为多色平行光;然后通过后面的色散透镜组进行光谱分光,形成一系列波长不同的单色光,并将其进行同轴聚焦。由此产生光谱色散,将不同波长的光的焦点分散在光轴上的不同位置,从而在有效量程范围内形成了一系列焦点,每个焦点处的单色光波长都对应一个轴向位置,由此将位移信息转换为波长信息。最后,聚焦于被测物体表面的单色光被反射回来,通过分光镜进入成像透镜组并最终成像在针孔像面上。在此过程中,对应被测表面位置并满足共焦条件的单色光将进入针孔到达光谱分析仪,以进行后续处理;而离焦反射的其它光谱则被针孔遮挡,不能进入光谱分析仪。


进入针孔的单色光到达光谱分析仪后,可以根据光信号确定出此单色光的波长。由于每个波长都对应着一个距离值,因而根据波长就可以推算出相应的位移量,实现位移的精确分辨。光谱分析仪得到的光谱响应曲线如图2所示,横坐标表示波长λ,纵坐标表示对比度I。对于得到的光谱响应曲线,其峰值波长在555nm处,如果被测物体发生微小位移,那么在光谱分析仪上就可以得到另外一条光谱响应曲线,从而获得另一个峰值,这两个峰值之差所代表的位移可以根据色散和波长的关系得出。

基于光谱共焦技术的叶尖间隙测量方法研究

2光谱响应曲线(长波/nm


正是基于这种独特原理,使得光谱共焦位移传感器在位移测量上能够达到很高的分辨率和精度。对于单层和多层的透明物体,除了能准确测量该物体位移之外,还可以对其厚度进行单方向测量。如在测量薄玻璃片时,其前后表面都会反射特定波长的光,在光谱分析仪上能够获得具有两个峰值的光谱曲线,通过这两个峰值就可以推算出玻璃的厚度,这在检测一些很薄的物体时非常有效,如检测玻璃纸的厚度等。如果将光谱共焦位移传感器配置在二维扫描装置上,还可以用于测量物体的表面形貌,而普通的共焦显微镜则需要三维扫描装置才能够实现物体形貌的测量。


2叶尖间隙模拟测试系统

由于压气机的工作温度不是很高,而且光学环境较好,因此特别适合采用光电传感器对叶尖间隙进行测量。在测量过程中,将传感器固定在静子机匣的内壁上,通过传感器可以获得叶尖与传感器之间径向距离d1,再与传感器到机匣内壁之间的距离d2相加,即可得到待测的叶尖间隙d的值,即d=d1+d2,如图3所示。而在实际使用过程中,由于传感器与静子机匣的相对位置固定,因而d2的数值不会发生变化,因此叶尖间隙的变化量可以通过d1来表征。

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3叶尖间隙的计算示意图


为模拟实际的测量现场,本文搭建了叶尖间隙模拟测试系统,如图4所示,主要包括光谱共焦位移传感器、刚性支架、模拟叶盘、气浮主轴、减振底座以及工控机等。首先,将刚性支架和气浮主轴固定在减振底座上,并调整它们之间的相互位置。其次,应用工装夹具将光谱共焦传感器安装在刚性支架上,由于该传感器采用侧向出光方式,其位移测量的方向与自身轴线垂直,因此应通过微调机构调整其空间方位,使传感器的轴线与气浮主轴的轴线平行。然后,将模拟叶盘安装在气浮主轴上,由于发动机转子的转速很高,因而整个气浮主轴系统在使用前需要经过动平衡调节,以使其在高速状态下稳定运转,不发生危险。最后,调整光谱共焦传感器的轴向位置,使其测量光束能够照射到模拟叶盘零件的叶尖上,在叶尖端面上形成测量点,并处于量程范围内。另外,在气浮主轴上还安装有转速同步器,以用于监测主轴的转速和转角位置,并将其作为光谱共焦传感器的同步信号。

基于光谱共焦技术的叶尖间隙测量方法研究

4叶尖间隙模拟测试系统的结构简图


在间隙传感器方面,如图5所示,主要由控制器和探头组成,它们由一根光纤连接,控制器通过光纤向探头提供光源,探头再通过光纤将光信号传输到控制器中进行光谱分析。该测量系统可以对漫反射或镜面反射物体进行高精度的位移测量,还可以对透明物体的厚度进行测量。

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5光谱共焦测量系统


控制器具有优异的信噪比,能够满足高精度测量的需求,测量速率可以达到10kHz,并且具有快速表面补光功能,可以通过控制曝光时间来达到较高的信号稳定性。数据输出可以通过EthernetEtherCATRS422或模拟量输出来实现。探头为光谱共焦式复合探头,采用无磨损透镜系统设计,可以进行径向测量,还能用于有防爆要求的工作领域与真空环境。该探头应用梯度指数透镜与光纤的复合技术,具有更大的数值孔径,因此可有效增大安全距离并加大安装倾斜角度。


3     实验验证

本文选取的光谱共焦位移传感器具有较小的尺寸结构和较高的响应频率,非常适合于航空发动机内狭小而恶劣的工作环境,因此在叶尖间隙测量方面具有很大的应用潜力。为了验证该型传感器在发动机叶尖间隙测量中的应用效果,本文在所搭建的叶尖间隙模拟测试系统上进行了单次和连续的测试实验,完成了传感器应用效果的综合验证。


3.1   单次测试

在本文搭建的模拟测试系统中,没有设计发动机机匣的模拟零件,因此间隙传感器通过刚性支架来模拟在机匣内壁上的安装状态。在叶片划过测量区域的过程中,传感器的输出为叶尖端面与传感器之间位移值,即d1。由于叶尖端面的厚度很小,因而叶尖间隙值可通过单个叶片划过时传感器的输出量的平均值来表征,实验现场如图6所示。

基于光谱共焦技术的叶尖间隙测量方法研究

6单次测量实验现场


通过变频器控制气浮主轴的转速,使其以缓慢速度带动模拟叶盘匀速转动。当叶片顶端进入光谱共焦传感器的测量范围内时,触发传感器开始数据采集;当叶片顶端转出传感器的测量范围时,传感器停止数据采集。在叶片顶端划过传感器测量范围的过程中,传感器采集到的测量数据如图7所示。

基于光谱共焦技术的叶尖间隙测量方法研究

7单个叶尖间隙的测量数据


从图7中可以看出,传感器在被测叶片顶端划过的过程中共采集到580个数据点,被测叶片顶端的位移变化量的范围为0.8311~0.8411mm,变化量的均值为0.8374mm,方差为0.0020mm。实验结果表明,应用光谱共焦位移传感器能够满足单个叶片叶尖间隙的测量,可以达到较高的测量精度。


3.2   连续测试

通过控制变频器调节气浮主轴的转速,使其带动模拟叶盘以1000r/min的速度回转。应用光谱共焦位移传感器进行模拟叶盘周向上的36个叶片的叶片顶端位移变化量的数据采集,并以平均值作为每个叶片最终的叶尖间隙值,动态测试的实验现场如图8所示。

基于光谱共焦技术的叶尖间隙测量方法研究

8连续测量实验现场


计算得到的模拟叶盘周向上的36个叶片的叶尖间隙的实验数据如表1所示,同时为了便于观察叶尖间隙的变化趋势,将这些数据显示在同一坐标系中,如图9所示。可以看出,在本文所搭建的叶尖间隙模拟测试系统中,应用光谱共焦位移传感器可以完成对模拟叶盘全部叶片的叶尖间隙的测量。传感器能够达到很高的测量精度和响应频率。从表1和图9中可以看出,该模拟叶盘上36个叶片的叶尖间隙值的变化范围为0.7137~0.8438mm,并且呈现为近似正弦曲线的形状,这主要是由于在将模拟叶盘安装在气浮主轴上时,存在一定的偏心误差造成的。由此可以看出,发动机转子不同轴会对叶尖间隙造成影响,因而在发动机的装配过程中,应控制转子系统的不同轴误差在允许的范围内。

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9连线测量的实验数据(叶片序号)


136个叶片的叶尖间隙的实验数据

基于光谱共焦技术的叶尖间隙测量方法研究


4     结论

针对航空发动机转子叶尖间隙的测量问题,本文探索了光谱共焦位移传感器在此方面的应用效果。光谱共焦位移传感器基于光谱色散原理,探头体积小、安装方便,并且能够达到很高的测量精度和响应频率,能够满足叶尖间隙的测量需求。本文搭建了叶尖间隙模拟测试系统,应用光谱共焦位移传感器对安装在气浮主轴上的模拟叶盘进行测量,采集叶片顶端位移变化量的数据。在实验验证过程中,本文既通过单次测量完成了单个叶片逐个检测,又通过连续测量完成了旋转状态下的每个叶片叶尖间隙的数据采集,系统具有良好的应用性能。实验结果表明,光谱共焦位移传感器可以用于发动机转子叶尖间隙的测量,从而为我国航空发动机技术的进步提供了一项测试技术支持。



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    2020 - 03 - 23
    当前,世界上主要的工业大国都在进行产业升级,而现代工业的升级与激光技术密不可分。除了在生产加工方面发挥着巨大作用外,激光技术还在精确实时测量方面有着重要应用,为电子产品尺寸、透明元器件曲率、汽车飞机等大型三维物体的振动频谱、轴承同心度、偏心度及振动等提供精准测量,从而提高了产品产量和生产效率。要实现激光精确实时测量在工业领域的具体应用,各类激光传感器的研发和推广有着重大的作用。众所周知,现代制造业已经是一个传感器驱动的世界,几乎在所有的制造过程中,精确的实时测量在很大程度上依赖于传感器。在引入光学技术后,传感器朝着更快速、更精确、更可靠的方向发展。与传统测量方式相比,光学测量传感器,尤其是激光测量传感器因其非接触且快速测量的能力在工业中得到广泛的应用。其中最典型的应用例子就是高精度的激光位移传感器。激光位移传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量,在探伤和大气污染物的监测也做出了贡献。通过激光位移传感器测量金属薄片(薄板)的厚度变化,可以帮助发现皱纹、小洞或者重叠,避免机器发生故障;而在微小零件的位置识别、传送带上有无零件的监测、机械手位置(工具中心位置)的控制等方面的应用,则可以确保设备、产线的高效运转;在灌装产品线上,可利用激光束反射表面的扩展程序来精确的识别灌装产品填充是否合格,在监测数量的同时也能保证灌装质量。此外,在绝对距离测量、相对位移测量、远程振动测量或...
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激光测距传感器‍的工作原理是怎样的 2020 - 10 - 26 激光测距传感器‍可以做到不接触测量快速出结果,在实际的测量过程当中有许多物体会出现间歇性的位移变化,一些变化并不是匀速变化,同时变化也不具有规律性,所以传感器需要快速的捕捉变化的情况对被测物体进行移动速度的测量,在不允许接触的情况下仍可对其实行重点监控,那么长距激光测距传感器‍的工作原理是怎样的呢?1、收光激光三角反射式的测量原理基于简单的几何关系,来自激光二极管的激光束照射在被测量物表面。 由激光测距传感器反射的光线通过一组透镜投影到受光元件矩阵上,受光元件可以是CCD/CMOS或PSD元件。反射光线的强度取决于被测物体的表面特性。为此模拟元件PSD的敏感度需要进行调节,而对数字元件CCD传感器,使用激光测距传感器‍实时表面补光技术可以瞬时改变接收光强。2、分析解读小量程激光测距传感器‍探头到被测物体的距离可以由三角计算法则精准得到,采用这种方法能够得到微米级的分辨率。根据不同型号,测量得到的数据会由外置或内置控制器通过多种接口进行评估。点激光传感器投射到被测物体上形成一个可见光斑,通过这个光斑可以非常简便的安装调试探头,因此激光测距传感器‍被应用到非常多的领域,成为精密距离测量的热门选择。根据不同设计,光学测量允许测量距离较宽。根据测量任务的需要,可以选择非常小的量程,但是具有极高测量精度。或者选择大量程激光测距传感器‍,但是测量精度会有所下降。在激光测距传感器‍工作过程当中会...
激光位移传感器的问题介绍 2020 - 10 - 23 关于激光位移传感器有诸多那单元和细节,比如它可以分为内部处理单元、发射回传单元、激光接收器的接收单元和分析单元等,由于它可以在单位时间内发出大量的激光脉冲,因此需要同样快速的接收脉冲返回到接收器当中,近些年来为了大幅缩减激光位移传感器的处理时间,在传感器接收器上做了多重优化,使其在长距离检测时也可以短时间内完成。1、为什么用激光位移传感器激光位移传感器发展趋势‍极快,为了维持玻璃的平坦性,必须在更宽广的范围内进行精准的控制温度,这是因为如果在玻璃基板内产生温度差,那么将会产生残留应力,而造成为弯曲等玻璃变形的,或者在切割时让玻璃出现变形,影响了玻璃基板的稳定性,并且还有可能因为残留应力的结果,在制程中贴付偏光板之后,会产生光的相位差,造成LCD模组出现漏光的现象。国产激光位移传感器‍厂家称应力作用会造成于玻璃表面的伤痕,也会让基板产生破损的结果。2、使用激光位移传感器有什么技术优势通过使用激光位移传感器可以成功测量透明材质的平坦度,从而弥补了传统激光位移传感器在透明材质或镜面反射测量上的不足,增加了激光位移传感器新的应用领域。全息传感器基于独特的锥光全息专利技术,优于现有各种工业应用的标准距离测量方法。该传感器可靠、准确,不包含运动部件。与标准的三角法相比,在测量系统中有共线性和低电子噪声依赖性两大优势。非接触式距离传感器用于激光打标、焊接、钻孔和切割系统的自动对焦。另外关于激光位...
激光位移传感器的作用有哪些 2020 - 10 - 22 激光位移传感器可在生产线上进行灌装水平的检测,在制造过程中当灌装产品通过传感器时可以检测是否灌装完毕,当生产线与传感器的安装线平行时,传感器测得的距离差越大物体的直线度越差,该传感器利用激光束反射面的扩展程序,可以准确识别灌装产品的灌装是否合格以及产品的数量是否正确。1、尺寸测定机关位移传感器在进行尺寸测量的时候采用振动分析,可以对汽车等高等级产品进行相关的测试和实验,另外对于一些工业产品可以实现实时的动态监测,另外一些中高等级的器件状态与产品的性价比和价位息息相关,激光位移传感器可以与机械手或其他的工业附加品相互配合形成一整套的监控系统,既可以对生产器械进行监控来避免其发生故障,又可以对产品进行质量检验避免厚度或长度等参数异常。2、均匀度的检查激光位移传感器的使用方法相对来说要更加简单,尤其在测量工件运动的倾斜方向时可以一次性测量多个运动工件,另外它可以迅速甚至实时的将测量值进行输出,另外它使用软件计算出的度量值误差相对来说较小,并可以根据数据输出情况实时的优化和调整数据的结果以保证结果的长期稳定,除此之外激光位移传感器还可以与各类扫描仪相互配合使用,一个负责读出数据另外一个可以及时的对其他的原件尺寸和完整性及精准度进行测试。这对于同类的位移传感器来说均不可能实现,然而激光位移传感器除了可以测量单组数据外,甚至多组数据共同测量时也可以保证精准性。激光位移传感器还可测量物体的直线度...
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