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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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国产工业光学传感器大致现状 2023 - 03 - 20 介绍工业光电传感器是现代制造业中最常用的检测设备之一,广泛应用于自动化生产线、机械加工、装配、物流搬运等行业。随着国民经济的不断发展,中国的工业光电传感器制造业也不断发展壮大,成为制造业的一支重要力量。本文旨在对中国产的工业光电传感器现状进行描述。发展历史20世纪80年代初期,我国的工业自动化程度比较低,大部分生产线仍采用人力操作,制造业存在高人力成本、低效率、品质难以保证等问题。为了提高制造业的效率和品质,中国开始引入外国的工业自动化设备,其中就包括工业光电传感器。80年代中后期,国内开始试水制造工业光电传感器,并逐步发展壮大。90年代初期,随着国民经济的增长和工业自动化的加速推进,中国的工业光电传感器制造业进入快速发展期。如今,中国的工业光电传感器制造业已经处于全球领先地位,成为世界闻名的光电传感器生产基地之一。产业链分析商业模式中国的工业光电传感器制造业商业模式主要是以生产销售为主,较少采用研发生产销售一体化模式。生产企业主要供应给自动化设备制造商,然后这些自动化设备制造商销售给最终用户,最终用户则使用这些设备来自动化生产线。除此之外,还有一些企业将工业光电传感器产品应用到自己的设备制造中,以提高自己产品的品质和效率,然后再将自己的产品销售给最终用户。在商业模式上,中国的工业光电传感器制造业与欧美等发达国家还存在一定的差距。技术研发中国的工业光电传感器制造业在技术研发方面逐渐...
激光位移传感器如何对薄膜进行测厚? 2023 - 03 - 09 激光位移传感器被广泛应用于各种领域中。其中一个很有用的应用是测量薄膜厚度。这种传感器可以在离表面很近的距离下进行高精度测量,因此非常适合这种应用。本文将介绍激光位移传感器如何用于测量薄膜厚度,包括测量方法、测量原理和市场应用。一、测量方法测量薄膜厚度的基本思路是利用激光位移传感器测量薄膜前后表面的距离差,然后通过几何公式计算出薄膜厚度。在实际操作中,测量方法大致可分为以下几种:1. 手持式测量手持式测量通常用于快速的现场检测。用户只需要将激光位移传感器靠近待测表面,然后通过读取显示屏上的数值判断薄膜厚度是否符合要求。这种方法不需要复杂的设备和步骤,非常易于使用。但是由于人手的震动和误差等因素,手持式测量的精度相对较低,只适用于需求不是特别高的场合。2. 自动化在线测量自动化在线测量一般用于工业生产线上的质量控制。这种方法需要将激光位移传感器与自动化设备相连接,将测量数据传递给计算机进行分析。在这种情况下,测量过程可以完全自动化,精度也可以得到保证。但是相对于手持式测量来说,这种方法需要的设备和技术要求更高,成本也更高。3. 显微镜下测量显微镜下测量常用于对细小薄膜厚度的测量。在这种情况下,用户需要将激光位移传感器与显微镜相结合进行测量。由于显微镜的存在,可以大大增强测量精度。但是相对于其他两种方法,这种方法需要的设备更多,并且技巧要求也更高。二、测量原理激光位移传感器利用的是激光三...
非接触激光测量和接触式测量的优缺点分析及市场应用 2023 - 03 - 08 一、概述随着现代工业的不断发展和进步,精度对于工业生产过程中所需要的各种测试测量技术要求也越来越高。而激光测量技术则是在这种背景下得以应用的,这是利用激光作为工具进行测量分析的一种方法。激光测量可以分为非接触式和接触式两种方式。二、非接触激光测量非接触激光测量技术是指激光束在不与被测物体表面发生接触的情况下,对被测物体进行测量操作。它主要利用激光的高亮度、高单色性、高方向性等特点,将测量对象和激光之间的无线电辐射或光辐射联系起来,通过对测量信号的处理,来获得被测物体的相关参数。可以广泛应用于自动化制造、工业检测、生命科学、质量控制检测等领域。2.1 非接触式测量优点(1)不会对被测物体造成损伤。激光测量技术是无损伤性的,测量过程中不会对被测物体造成任何损伤,也不会影响被测物体的结构、形状和性能。(2)精度高。非接触激光测量技术具有高精密性、高灵敏性和高分辨力,能够以亚微米级的精度获得被测物体的相关参数,减小了人为误差和测量结果的不确定性。(3)高速度。非接触激光测量技术具有快速高效的特点,对于一些需要进行即时在线检测或高频率的质检要求,非接触激光测量技术具有独特的优势。(4)测量安全。由于非接触激光测量技术可以在安全距离的范围内进行,因此保障了测量人员的身体健康和安全。2.2 非接触式测量缺点(1)不适用于暗面测量。非接触激光测量技术无法对于有光线被挡住的部位进行测量,因此适用于透...
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