CN111536887B - 一种基于光学频率梳光谱干涉的发动机叶尖间隙测量*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种基于光学频率梳光谱干涉的发动机叶尖间隙测量***，属于发动机检测领域。本发明包括光学频率梳、保偏光纤隔离器、光纤放大器、色散调节器、保偏环形器、光纤探头、发动机叶片叶尖、光谱仪、上位机。各光纤器件间通过保偏光纤连接，光谱仪与上位机之间通过BNC线连接。本发明采用高重频、高稳定性的光学频率梳作为光源，结合光谱干涉测量技术，测量速率高、精度高，能够实现对高速旋转叶片叶尖间隙的实时测量，并完成单个叶片叶尖的多点测量。本发明具有全保偏光纤测量结构，具有高信噪比、高速率、高精度等特点。本发明光纤探头带有分光镜，使测量***的初始位置与发动机机匣内壁保持一致，简化数据处理流程，提高***易用性。
Description
技术领域
本发明属于发动机检测领域，特别涉及一种基于光学频率梳光谱干涉的发动机叶尖间隙测量***。
背景技术
发动机叶尖间隙是指发动机各级转子叶片叶尖与发动机机匣之间的距离。叶尖间隙过大，使叶尖泄露增大，导致发动机效率下降，甚至会引起发动机喘阵；叶尖间隙过小，会导致叶尖与机匣摩擦，影响发动机运转甚至损坏。由于发动机叶尖间隙变化的影响因素较多且复杂，必须在试验中对叶尖间隙进行测量，找出最佳叶尖间隙，使发动机处于最佳运行状态，同时对发动机叶尖间隙进行实时监测，对可能出现的故障进行诊断并及时告警。
目前，较成熟的叶尖间隙测量技术主要有放电探针测量法、电涡流测量法、微波测量法、超声波测量法、电容测量法、光学测量法。其中，放电探针法属于接触式测量，只适用于低温条件，且只能测量最小叶尖间隙。电涡流法探头尺寸过大，不方便安装，也只适用于低温条件。微波法测量精度易受空间滤波效应的影响，电路要求很高，处理算法复杂。超声波法由于结构复杂，价格昂贵，限制了该技术的发展。电容法不耐电磁干扰，且测量精度易受燃气和流体介电常数的影响。
光学方法测量精度高，不受电磁干扰，是近年来研究的热点。主要的研究方法有激光三角法、多普勒频移法。激光三角法能够实现高温条件下测量，但测量***体积较大，不适合现场应用。多普勒频移法具有实时测量的优点，但抗同频串扰的能力较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光学频率梳光谱干涉的发动机叶尖间隙测量***，具有全保偏光纤的测量结构，具有高信噪比、高速率、高精度的特点，便于工程应用。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的一种基于光学频率梳光谱干涉的发动机叶尖间隙测量***，包括光学频率梳、保偏光纤隔离器、光纤放大器、色散调节器、保偏环形器、光纤探头、发动机叶片叶尖、光谱仪、上位机。
光学频率梳、保偏光纤器、光纤放大器、色散调节器、保偏环形器、光纤探头、光谱仪之间通过保偏光纤连接。光谱仪与上位机之间通过线缆连接。
通过采集光谱干涉信号，精确测量干涉条纹的频率，即相干涉的两个脉冲之间的时间差，从而获得叶尖间隙距离。
所述光学频率梳发出偏振激光，其重复频率和偏移频率经锁相放大器参考到微波原子种，为测量***提供高稳定性、高重复频率的测量光源。
所述光纤探头设有准直透镜、末端有分光镜。所述准直透镜作用是对光纤输出的激光进行准直。所述分光镜的作用是按设计比例将一部分激光原路反射回去，另一部分激光经该分光镜透射。
所述光纤探头安装到发动机机匣壁，光纤探头末端与发动机机匣内壁保持一致，使测量***的零位置与机匣内壁处于相同起点。
所述的光谱仪采集光谱干涉信号，并将采集到的光谱干涉信号送入上位机，经过滤波、傅里叶变换得到光谱干涉信号的频率，进而得到测量光与参考光的飞行时间差，光谱干涉条纹的周期与时间差呈线性关系，即干涉条纹的疏密变化反映叶尖间隙距离变化，从而获得叶尖间隙距离。
作为优选，光谱仪与上位机之间通过BNC线缆连接。
本发明公开的一种基于光学频率梳光谱干涉的发动机叶尖间隙测量***的工作方法为：光学频率梳发出的偏振脉冲激光通过保偏光纤进入保偏光纤隔离器，经保偏光纤隔离器输出的光通过保偏光纤进入光纤放大器进行能量放大，放大后的光通过保偏光纤进入色散调节器调节光的色散，之后通过保偏光纤进入保偏环形器的第一端口，由保偏光纤环形器第二端口输出的光，通过保偏光纤进入光纤探头，其中一部分光原路返回，作为参考光，另一部分光入射到叶尖表面，作为测量光，光纤探头回收被叶尖反射回的测量光，参考光和测量光经保偏光纤回到光纤环形器，由光纤环形器第三端口输出进入光谱仪，光谱仪采集光谱干涉信号，通过BNC线缆送入上位机处理光谱干涉信号，并将采集到的光谱干涉信号送入上位机，经过滤波、傅里叶变换得到光谱干涉信号的频率，进而得到测量光与参考光的飞行时间差，测算叶尖间隙距离。
作为优选，叶尖间隙距离测算方法如下：
参考光强度Er(υ)、测量光强度Et(υ)分别表示为：
Er(v)＝αE(v)，Et(v)＝βE(v)exp(-i2πvΔt) (1)
其中：E(υ)为进入光纤探头之前脉冲激光光强；α、β分别为参考光、测量光的光场信号强度比例；Δt为测量光与参考光飞行时间差，即参考脉冲和测量脉冲之间的时间延迟。
光谱仪采集的光谱干涉信号I(v)表示为:
I(v)＝(Er(v)+Et(v))2 (2)
将公式(1)代入公式(2)得：
I(v)＝E2(v)(α2+β2)+E2(v)·2αβcos(2πvΔt) (3)
由公式(3)知，光谱干涉信号I(v)包含两部分：E2(υ)(α2+β2)直流项，2αβcos(2πυΔt)干涉项。光谱干涉信号I(v)的强度变化由干涉项2αβcos(2πυΔt)引起的，从干涉项2αβcos(2πυΔt)中分析知，干涉条纹的频率f是参考脉冲和测量脉冲之间的时间延迟Δt，则被测叶尖间隙距离L表示为：
其中，c为光速，n为折射率。在上位机处完成数据处理，所测得的被测叶尖间隙距离L为发动机叶尖间隙。
有益效果：
1.本发明公开的一种基于光学频率梳光谱干涉的发动机叶尖间隙测量***，采用高重频、高稳定性的光学频率梳作为光源，结合光谱干涉测量技术，具有高测量速率、高测量精度的优势，能够实现对所有高速旋转叶片叶尖间隙的实时测量，并且能够完成单个叶片叶尖的多点测量。
2.本发明公开的一种基于光学频率梳光谱干涉的发动机叶尖间隙测量***，为全保偏光纤结构，能够保证光谱干涉信号的高信噪比，***结构简单，稳定性高，便于工程应用。
3.本发明公开的一种基于光学频率梳光谱干涉的发动机叶尖间隙测量***，光纤探头带有分光镜，使测量***的初始位置与发动机机匣内壁保持一致，简化数据处理流程，提高该***易用性。
附图说明
图1表示基于光学频率梳光谱干涉的发动机叶尖间隙测量***图；
其中，1-光学频率梳、2-光纤隔离器、3-光纤放大器、4-色散调节器、5-光纤环形器、6-光纤探头、7-光谱仪、8-上位机、9-发动机叶片。
图2表示光纤探头结构及安装方式示意图。
其中：10-光纤探头外壳、11-准直透镜、12-分光镜、13-机匣内壁、14-叶片叶尖。
图3表示光谱干涉叶尖间隙测量信号图
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的一种基于光学频率梳光谱干涉的发动机叶尖间隙测量***，包括光学频率梳1、保偏光纤隔离器2、光纤放大器3、色散调节器4、保偏环形器5、光纤探头6、光谱仪7、上位机8、发动机叶片叶尖9。
光学频率梳1、保偏光纤隔离器2、光纤放大器3、色散调节器4、保偏环形器5、光纤探头6、光谱仪7之间通过保偏光纤连接。光谱仪7与上位机8之间通过BNC线连接。
通过采集光谱干涉信号，精确测量干涉条纹的频率，即相干涉的两个脉冲之间的时间差，从而获得叶尖间隙距离。
所述光学频率梳发出偏振激光，其重复频率和偏移频率经锁相放大器参考到微波原子种，为测量***提供高稳定性、高重复频率的测量光源。
图2为光纤探头6的结构和安装方式。如图2所示，所述光纤探头设有准直透镜、末端有分光镜。所述准直透镜作用是对光纤输出的激光进行准直。所述分光镜的作用是按设计比例将一部分激光原路反射回去，另一部分激光经该分光镜透射。
所述光纤探头安装到发动机机匣壁，光纤探头末端与发动机机匣内壁保持一致，使测量***的零位置与机匣内壁处于相同起点。
所述的光谱仪采集光谱干涉信号，并将采集到的光谱干涉信号送入上位机，经过滤波、傅里叶变换得到光谱干涉信号的频率，进而得到测量光与参考光的飞行时间差，光谱干涉条纹的周期与时间差呈线性关系，即干涉条纹的疏密变化反映叶尖间隙距离变化，从而获得叶尖间隙距离。
本实施例公开的一种基于光学频率梳光谱干涉的发动机叶尖间隙测量***的工作方法为：
光学频率梳1发出脉冲激光，光谱半高宽为30nm，脉冲激光重复频率250MHz；经过保偏光纤隔离器2进入光纤放大器3进行能量放大，此时脉冲激光可表示为E(υ)，υ为激光频率；通过保偏光纤进入色散调节器4调节脉冲激光色散，之后进入保偏光纤环形器5的第一端口，从保偏环形器5的第二端口输出经保偏光纤进入光纤探头6。色散调节器4、保偏光纤环形器5为理想器件，不考虑其损耗，进入光纤探头6之前脉冲激光表示为E(υ)。
如图2所示，光纤探头6末端装有分光镜，将一部分脉冲激光作为参考光，参考光原路反射回去，另一部分脉冲激光作为测量光，测量光经该分光镜透射。光纤探头6末端与发动机机匣内壁保持一致。测量光发射到发动机叶片9，被反射的测量光由光纤探头6回收。返回的参考光、测量光经保偏光纤回到保偏环形器5，此时参考光、测量光的光场信号强度比例设为α、β，参考光强度Er(υ)、测量光强度Et(υ)分别表示为：
Er(v)＝αE(v)，Et(v)＝βE(v)exp(-i2πvΔt) (1)
其中，Δt为测量光与参考光飞行时间差。
参考光、测量光经保偏环形器5的第三端口输出，通过保偏光纤传输到光谱仪7，光谱仪7采集的光谱干涉信号表示为：
I(v)＝(Er(v)+Et(v))2 (2)
将公式(1)代入公式(2)得：
I(v)＝E2(v)(α2+β2)+E2(v)·2αβcos(2πvΔt) (3)
由公式(3)可知，光谱干涉信号包含两部分：E2(υ)(α2+β2)直流项，2αβcos(2πυΔt)干涉项。如图3所示，为光谱干涉叶尖间隙测量信号图。光谱干涉信号的强度变化由干涉项引起的，从干涉项中可以看出，干涉条纹的频率f实际上是参考脉冲和测量脉冲之间的时间延迟Δt，则被测叶尖间隙距离L表示为：
其中，c为光速，n为折射率。在上位机处，对图3所示的测量信号进行数据处理，结果是时间延迟Δt为1.2325×10-12s，所测得的叶尖间隙距离L为184.797μm。
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。
Claims (4)
1.一种基于光学频率梳光谱干涉的发动机叶尖间隙测量***，其特征在于：包括光学频率梳(1)、保偏光纤隔离器(2)、光纤放大器(3)、色散调节器(4)、保偏环形器(5)、光纤探头(6)、光谱仪(7)、上位机(8)、发动机叶片叶尖(9)；
光学频率梳(1)、保偏光纤隔离器(2)、光纤放大器(3)、色散调节器(4)、保偏环形器(5)、光纤探头(6)、光谱仪(7)之间通过保偏光纤连接；光谱仪(7)与上位机(8)之间通过线缆连接；
所述光纤探头(6)设有准直透镜、末端有分光镜；
通过采集光谱干涉信号，精确测量干涉条纹的频率，即相干涉的两个脉冲之间的时间差，从而获得叶尖间隙距离；
叶尖间隙距离的具体测算方法如下，
参考光强度Er(υ)、测量光强度Et(υ)分别表示为：
Er(v)＝αE(v)，Et(v)＝βE(v)exp(-i2πvΔt) (1)
其中：E(υ)为进入光纤探头(6)之前脉冲激光光强；α、β分别为参考光、测量光的光场信号强度比例；Δt为测量光与参考光飞行时间差，即参考脉冲和测量脉冲之间的时间延迟；
光谱仪(7)采集的光谱干涉信号I(v)表示为:
I(v)＝(Er(v)+Et(v))2 (2)
将公式(1)代入公式(2)得：
I(v)＝E2(v)(α2+β2)+E2(v)·2αβcos(2πvΔt) (3)
由公式(3)知，光谱干涉信号I(v)包含两部分：E2(υ)(α2+β2)直流项，2αβcos(2πυΔt)干涉项；光谱干涉信号I(v)的强度变化由干涉项2αβcos(2πυΔt)引起的，从干涉项2αβcos(2πυΔt)中分析知，干涉条纹的频率f是参考脉冲和测量脉冲之间的时间延迟Δt，则被测叶尖间隙距离L表示为：
其中，c为光速，n为折射率；在上位机(8)处完成数据处理，所测得的被测叶尖间隙距离L为发动机叶尖间隙。
2.如权利要求1所述的一种基于光学频率梳光谱干涉的发动机叶尖间隙测量***，其特征在于：所述光学频率梳(1)发出偏振激光，其重复频率和偏移频率经锁相放大器参考到微波原子种，为测量***提供高稳定性、高重复频率的测量光源；
所述准直透镜作用是对光纤输出的激光进行准直；所述分光镜的作用是按设计比例将一部分激光原路反射回去，另一部分激光经该分光镜透射；
所述光纤探头(6)安装到发动机机匣壁，光纤探头(6)末端与发动机机匣内壁保持一致，使测量***的零位置与机匣内壁处于相同起点；
所述的光谱仪(7)采集光谱干涉信号，并将采集到的光谱干涉信号送入上位机(8)，经过滤波、傅里叶变换得到光谱干涉信号的频率，进而得到测量光与参考光的飞行时间差，光谱干涉条纹的周期与时间差呈线性关系，即干涉条纹的疏密变化反映叶尖间隙距离变化，从而获得叶尖间隙距离。
3.如权利要求1或2所述的一种基于光学频率梳光谱干涉的发动机叶尖间隙测量***，其特征在于：光谱仪(7)与上位机(8)之间通过BNC线缆连接。
4.如权利要求3所述的一种基于光学频率梳(1)光谱干涉的发动机叶尖间隙测量***，其特征在于：工作方法为，光学频率梳(1)发出的偏振脉冲激光通过保偏光纤进入保偏光纤隔离器(2)，经保偏光纤隔离器(2)输出的光通过保偏光纤进入光纤放大器(3)进行能量放大，放大后的光通过保偏光纤进入色散调节器(4)调节光的色散，之后通过保偏光纤进入保偏环形器(5)的第一端口，由保偏光纤环形器第二端口输出的光，通过保偏光纤进入光纤探头(6)，其中一部分光原路返回，作为参考光，另一部分光入射到叶尖表面，作为测量光，光纤探头(6)回收被叶尖反射回的测量光，参考光和测量光经保偏光纤回到光纤环形器，由光纤环形器第三端口输出进入光谱仪(7)，光谱仪(7)采集光谱干涉信号，通过BNC线缆送入上位机(8)处理光谱干涉信号，并将采集到的光谱干涉信号送入上位机(8)，经过滤波、傅里叶变换得到光谱干涉信号的频率，进而得到测量光与参考光的飞行时间差，测算叶尖间隙距离。
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