基于PMAC卡的航空发动机篦齿间隙测量系统的研究

航空动力学

电子科技大学

硕士学位论文

基于PMAC卡的航空发动机篦齿间隙测量系统的研究

姓名：王培铭

申请学位级别：硕士

专业：精密仪器及机械

指导教师：秦东兴

20080501

航空动力学

擒要

摘要

发动机篦齿密封技术是航空发动机广泛使用的一种非接触式密封技术，一台靛空发动机的篦齿密封间隙是否合理关系到航空发动枫是否能够完全展示其性能。所以，在航空发动机研发、改进、制造以及维护的过程中，准确测量发动机篦齿间隙是十分必要也是必需的。目前，国内在航空发动机篦齿间隙测量的研究上还处于刚起步阶段。因此，本文研究设计了一种使用于航空发动机篦齿间隙测量的基于ＰＭＡＣ自动控制卡的精密测量系统。

本文的研究工作主要有：在分析了各种测量方法的基础上，根据航空发动概篦齿密封的特点，选用了最适合的测量方法一反射式光强测量法，并且设计了满足系统测量精度的光纾位移传感器以及配套的数据测量系统，包括ＰＣＩ高速数据采集卡、放大器、Ａ／１）转化等硬件。确定了系统的硬件结构。系统是以眦Ｃ运动控制卡为核心，ＰＭＡＣ与ＩＰＣ组成上下位枫的双ＣＰＵ机构，以及与ＢＡＹＳＩＤＥ公司的ＮＡＮＯＭＯＴＩＯＮ纳米电机组成的精密运动控制系统；根据试验数据以及系统的硬件结构特点确定了篦拨测量系统自动标定的原理和方法，详细的提出了关于ＰＭＡＣ自动控制卡的ＰＩＤ控制原理，以及在该系统中ＰＭＡＣ的ＰＩＤ参数设置；最后编写了整个系统的软件部分，包括上位机非实时性软件和下位机实时性软件部分。上位机软件利用科６．０开发，包括了ＰＭＡＣ参数设置、Ｉ＇ＭＡＣ运动控割、实时运动部分的程序。

静态试验和分析结果表明，本文研究设计的基于ＰＭＡＣ自动控制卡的航空发系统自动标定以及篦齿间隙数据采集和信息处理。下位机软件主要利用ＰＭＡＣ控制卡自带的函数库在ｖＣ州＋０环境下完成编写，同时利用了ＰＬＣ程序语言编写了动机光强式篦齿间隙测量系统原理清晰明了，结构简单，满足航空发动机篦齿间隙测量的精度要求。关键词：篦齿间隙，ＰＭＡＣ，光纤位移传感器，ＰＩＤ

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Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

１１ｈｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｌａｂｙｒｉｎｔｈｓｅａｌｉｓｌｔｔｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔｓｅａｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，

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ｖａｒｉｏｕｓｍｅｔｈｏｄａｎｄｌａｂｙｒｉｎｔｈｓｅａｌｏｆａｅｒｏｅｎｇｉｎｅｔａｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ，ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇｌｉｇｈｔｉｎｔｅｎｓｉｔｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＷｉｌｌｓｓｅｌｅｃｔｅｄ．Ａｆｉｂｅｒ－ｏｐｔｉｃｓｅｎｓｏｒｗｈｉｃｈｓａｔｉｓｆｉｅｄｔｈｅｍｅａｓｕｒｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍｏｆｄａｔａｍｅａｓｕｒ锄ａｅｎｔｓｙｓｔｅｍ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇＰＣＩｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｅａｒ，ｔ，ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，Ａ／Ｄｅｏｎｖｅｎｓｉｏｎａｎｄ

ＴｈｅｈａｒｄｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍＳＯｏｎ，ｗｅｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ．ｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ’ｓｗ鹬ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．ＷｉｍＰＭＡＣ

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ｏｆｄｕａｌＣＰＵａｐｒｅｃｉｓｅｍｏｔｉｏｎｅｏｎｔｒｏｌｌ＇ｓｓｙｓｔｅｍｗｈｉｃｈＷａＳｃｏｎｓｉｓｔｆｌａｍｅ砸ｍＰＭＡＣａｎｄＩＰＣ笛ｔｈｅ

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ｓｙｓｔｅｍｗａｓｃｌｅａｒａｎｄｔｈｅ

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独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获褥电子科技大学或其它教育机构的学位或证书丽使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

签名：趔重丝日期：２。。占年钿７／日

关于论文使用授权的说明

本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文

（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）嗍稚６月／／日

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第一章绪论

第一章绪论

１．１篦齿间隙测量的意义

１９８８年，美国空军首先发起制订并实施了高性能涡轮发动机技术（ＩＨＰＴＥＴ）计划【１１，美国空军，海军，陆军，国防预研局，ＮＡＳＡ和七家主要的发动机制造商都参与了这个计划。在这个计划中，发动祝被分为压气机系统、燃烧室／加力燃烧室、涡轮机、喷管、操作系统和机械系统六大部分。机械系统传动效率高，百年来从活塞式发动机开始采用，一直延续至今。燃气涡轮机是当今采用的主要的发动机类型。随着增压比、涡轮进口燃气温度和转子转速的不断提高，燃气涡轮发动机内流系统的温度和压力相应提高，给传动机械带来了日益苛刻的工作条件。人们一直在努力研究新的机械元件、新的润滑材料、新的密封技术等，以适应发动机技术的不断发展。

航空燃气发动机自诞生之日起，气体和液体的密封就成为主要闯题之一，对产品的性能、可靠性、寿命和维护性具有重要的影响。由于密封问题而导致发动机故障和事故的情况时有发生。随着航空燃气涡轮发动机性能的提高，循环参数（莲力、温度）的提高，转子转速的加大，结构刚度的降低，使得密封的工作条件日趋恶劣，密封所导致的闯题日益突出。由于密封所导致的问题主要有以下凡类：

（１）发动机性能的恶化，即发动机随着使用时间延长而性能逐渐降低，促使燃油消耗增大，排气温度升高。

《２）燃气发动机不匹配和压气机失速。

（３）结构故障增多。

航空燃气发动机采用的密封类型繁多，篦齿密封是航空发动机广泛使用的一种有效的、长寿命的非接触式密封结构，如图１．１所示为小直径直齿模件。篦齿密封的原理是密封时动静闻不相互接触，而是通过密封组件对被密封流体所产生的压力降来实现密封。优点是无摩擦热，无磨损。篦齿密封泄漏量大，一般推荐篦泼密封空气和润滑油的压差为０．０７６＂＇０．２３ＭＰａ，眶差小于０００７６ＭＰａ时容易漏油，大于０．２３ＭＰａ时空气泄漏量过大，容易导致润滑油消耗量增加【罐３ｌ。篦齿间隙是指转子篦齿叶尖顶面和机匣间的径向间隙，理论泄漏与间隙成正比，为减少密封泄漏，往往采用小间隙设计。一般焉言，篦齿闻隙越大，转子运转安全性越离，时

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失泄漏的高能气体损失越大，部件效率下降越多。而过小的间隙容易引起转子叶片和叶匣的碰撞，使运转安全性下降。

降∥：

图Ｉ－Ｉ小直径直齿模件

因此，篦齿ｆｑ隙控制足篦齿密封的主要设计准则：对于稳态工作期间的选择应该考虑在最＿人和巡航两种状态下问隙都尽町能的小。如何设计控制间隙使其最为合适，对提高发动机性能，保证飞行安全非常需要。而合理的设计间隙．或进行主动ｆＥＩＪ隙控制，关键在于搞清楚间隙的实际变化情况，掌握它的变化规律［４】。因此，对间隙进行实测，给出间隙随着不同转速及状态的变化规律，验证理论计算的合理性，在发动机研制过程中对优化设计，保证试车试验安全，具有实际的安全工程应用价值。

１．２研究现状和发展趋势

近半个世纪以来，英、美、俄等一些先进的航空发动机公司投入了大量人力物力，不断开发完善间隙测量测试技术和测试手段．比较成熟的有探针测量法、电涡流法、电容法、高能ｘ射线等间隙测量方法吼这些方法都有其不同的特点。而光纤法是目前采用的比较频繁，测量效果比较好的一种方法。也是未来非接触式间隙测量的发展趋势。

１．２．１探针测量法

探针法ｊ芒用的是叶尖放电的方式，即依靠使外加直流电压的探针沿径向移动，当探针移向叶尖至发生放电为止．探针的行程与扔始安装间隙（静态时探针到机匣内表面的距离）之差即为叶尖问隙。英国的ＲＣＭＳ４间隙测量系统就属于探针类‘“。

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第一章绻论

探针法的特点：原理比较简单，只要叶片是导电材料，无论叶尖端面形状如何都可以用探针法测量叶尖间隙，并且在高温高压环境下测量稳定，可靠，但是该方法只能测量转子的最小叶尖间隙，此外，外加电压波动，工作流体的温度和压力变化，探针与叶尖端面的污损，都会改变放电的起始距离，因此产生测量误差。探针进退的机械执行机构比较复杂，装置的操作也必须熟练。探针法不适于作为固定设备装在定型的发动机上，适用于试验研究，可以测量各稳定状态时最长叶片与机匣的间隙值，也可以用作校准其他测量方法的基准嘲。

１．２．２电容法

电容法是靠绝缘极的机匣和转子叶尖形成的电容进行测量的，叶尖问隙的变化导致测量电容的变化，再把电容变化量通过检测电路和调理电路转换成易于柃测和分析的电压信号或电流信号。”瑚。倒如英国的６１００高温电容式叶片间隙、轴振动计渤图１—２所示）。测得的电容是电极几何形状，两极问距离咀及两极问介质的函数。忽略边缘影响，测量电容与间隙的关系可用下式表示：

Ｃ＝‰』／ｄ

式中，Ｐ

乓｛

Ａ：

Ｄ：（１－１）电极问介质的介电常数。真空中的介电常数。电极面积。电极间隔。

斟卜２英国６１００高温电容式ｒｄ片间隙、轴振动计

电容与位移的有效关系可以通过试验确定。从上式可以看出：假设毛＝ｌ，则电容量ｃ＝￡Ａ／ｄ，在定的条件下，假设Ａ是固定不变的常量，则电容Ｃ－Ｋ／ｄ，其

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中Ｋ为常数，即电容Ｃ与ｄ为反比关系，是一个非线性量。

在实际测量中，传感器电极构成可变电容器的一个极板，可变电容器的电容随着叶尖间隙变化。电容器的第二个极板是由转子叶尖构成，叶尖必须通过轴承、密封装置、齿轮系统与试验件壳体接地。传感器头部安装在直接对着待测间隙的转子叶片的机匣上（缩进机匣表面０．５ｒａｍ）。在传感器确定的情况下，可忽略各叶片顶部尺寸形状的差异。假设传感器与叶尖间隙的气体的介电常数是个常量，传感器极板与叶尖间隙变化（机匣与叶尖的间隙）使电容发生变化。

目前，国外常把电容法分为两类：调频式，主要用于压气机（或涡轮）与机匣的间隙测量；调幅式，主要用于连续变化的情况。调频式系统的工作原理是：叶尖与探头电极之间的间隙发生变化引起电容变化，进而引起震荡频率的改变，这一变化信号对原载波信号进行频率调制，调频后的信号由振荡器输出，通过电缆送到信号处理器，最后将间隙变化转变为阶梯信号输出。

电容法的主要特点：灵敏度高，固有频率高，频带宽，动态性能好，能在数兆的频率下正常工作，功率小，阻抗高等。它的精度受多方因素的影响。如测量时介质的介电常数的变化、环境的干扰（磁场、电火花）、探头及机匣受热变形、校准误差等。绝缘时电容法的特殊问题，由于电容本身的内阻很高，因而对绝缘提出了更高的要求。另外，当材料性能不好时，其绝缘电阻将随温度和湿度变化，从而引起传感器输出产生缓慢的零位漂移。

１．２．３电涡流法

电涡流法是采用金属切割磁力线产生磁场变化的方法【姗，电涡流法测量间隙这套装置主要由探头和检测电路两部份构成。检测电路由振荡器、检波器及放大器等组成。

当振荡器产生的高频电压施加给靠近金属板（相当于转子叶片叶尖）一侧的传感器线圈Ｌ时，Ｌ产生磁束，金属板受此磁束感应产生环流电流，此电流在线圈上产生反向磁束，导致传感器线圈Ｌ的电感及等效阻抗发生变化，传感器线圈Ｌ受涡流影响时的等效阻抗Ｚ的函数表达式为：

Ｚ＝Ｆ（ｘ，∥，Ｐ，７，国）（１－２）

式中，Ｐ：被测导体的电阻率。

∥：被测导体的磁导率。

彩：线圈激磁电压的频率。４

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第一章绪论

，：线圈与被测导体的尺寸因子。

Ｘ：线圈与被测导体的距离。

当被测物体与传感器被确定以后，影响传感器线圈Ｌ阻抗Ｚ的一些参数是不变他的，此时只有线圈与被测导体之闻的距离Ｘ的变化量与阻抗Ｚ有关。翔果透过检测电路测出阻抗Ｚ的变化量，即得出叶尖的间隙值。

这种传感器的特点：体积小，重量轻，结构简单，不必做复杂的调整；频率响应范围宽，灵敏度高，测量范靥大，抗干扰能力强。此方法受叶片材料的影响较大，叶尖端面还需要有一定的厚度。由于传感器输出是随着叶尖形状、安装状态帮环境温度等条件的变化菰交讫，因诧，事先需要校准，使其适合使用环境。此外，传感器的耐热性能较差（４００℃左右）。目前用于涡轮高温部件尚有困难。而且，探头直径大予２５ｍｍ，机匣开空尺寸过大，不便于安装。

１．２．４光纤法

光纤法利用光在光纤中传导引起光的特性发生变化这一原理通过测量光特性的变化来间接测量位移量。从最开始２０世纪５０年代英豳Ｆｃｎｌｏｗ公司制造的探针溯量系统列２０世纪８０年代出现的光学三角测量技术，光纤法有了长足发展。最近几年，由于新技术、光纤的成功应用，光纤法有了新的突破，国外已经出现了商品优的光纤式叶尖闻隙测量仪器ｆ乃。但是这些测量仪价格昂贵，丽且一般基于特定发动机的结构特点，很难直接使用。国内一些发动机制造厂和研究单位也在研究鼹决这一难题，有些研究部门经过多年探索，在对非接魅闻隙测量方甏有了一些突破，同时引进了一些新的技术和手段，但在航空发动机叶尖间隙测量应用还不甚理想。

光纤法一般分为反射式光纤法和光导探针测量法ｍｌ。当今世界主要使用和研究的是反射式光纤法。反射式光纤叶尖间隙测量法的基本原理是：当光源发出的光经光纤照射到位移反射体质，被反射的光又经接受光纤输出，被光敏感器件接受。其输出光纤决定于反射体距光纤探头的距离，当位移变化时则输出光强作相应的变化，通过对光纡信的测量悉得到闻隙值。

航空发动机冷端部件转速高、气流速度大、流道复杂，接触测量存在堵塞干扰影响。因此，如篦齿闽隙、压气机叶尖间隙、转子时片震动等参数应用接触测量非常困难。鉴于激光技术不干扰流场，兼有离测量精度等优点，在国外已经普遍用于压气机的测试研究，激光多普勒测振和非接触式叶尖测振技术用予高速旋５

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转件震动测量，已经显示出传统测试手段不可比拟的优势。在热端，由于高温、高压和燃气的腐蚀，应用非接触式测量技术更凸现其优越性。光纤传感器兼有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、防爆、光路可挠曲布置、感知信号易于远传和多路复用等诸多优点，因此选用光纤传感器对篦齿间隙进行测量是一种预期能够到达很高精度的要求的一种测量手段，也是未来航空发动机主流非接触式测量测试技术之一。

光纤传感器测量位移或者距离一般利用相位调制或者光强调制机制，如ｅｈｎｄｅｒ位移传感器和法部里．帕罗（Ｆａｂ妒Ｐ删光纤干涉仪通过相位调制机制来精确测量微位移；在ＣＤ．ＲＯＭ驱动器中，光相位调制用于检测读写头的位置偏离，实现对磁道的高精度跟踪。与相位调制型相比光强调制型传感器结构和信号处理电路简单，适用于空ｆ可狭小的场合，可以方便的通过光电探测器件与计算机连接。１．３研究内容和成果

为了测量航空发动机篦齿间隙，在根据自身实验水平和硬件条件下，在分析和研究间隙测量的原理、方法的基础上，本文重点设计了基于发动机本身结构特点和测量要求的反射式光强法篦齿间隙测量系统。

本文的工作内容为篦齿间隙测量系统的研究，工作的主要包括适用于篦齿间隙测量的信号采集系统研究，间隙测量系统自动标定的硬件系统研究和整个测量系统的软件开发。具体工作如下：

（１）设计适用于测量系统的光纤传感器，并设计选用合理的光电信号转换与处理电路，激光发生器，信号放大器，数据采集卡，电源等来构建一套高精度，高稳定的间隙信号采集系统。

（２）合理设计选用适用于篦齿间隙测量的硬件结构，主要包括系统安装支架，高精度、高灵敏的位移电机选用，以及基于ＰＭＡＣ控制卡的上下位机系统构建。

（３）自动标定方法的研究。对篦齿间隙作静态试验通过试验数据选用一种适用于自动标定的标定方法。并且根据选用标定方法和数据采集系统的特点开发系统控制软件。

通过以上工作的内容，本文取得了以下工作成果：

构建了一套满足精度要求的篦齿间隙测量系统。该系统利用ＰＭＡＣ控制卡的强大功能以及与ＩＰＣ组成的ＣｈＩＣ系统，能够满足篦齿间隙测量的精确标定和数据采集。６

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第一搴绻论

该系统目前处于实验室样机阶段，在经过大量现场试验和数据分析以后，通过改善系统硬件结构和软件算法可以壶实验室样机阶段转入成品机开发阶段。１．４本章小结

课题来源于航空预研基金项目“异型旋转件间隙的非接触式激光测量技术研究’，（项目号：０５１２４０１４）。本章奔绍了旋转闻隙测量的蠢内井研究动态，介绍了本系统最终采用的篦齿间隙测量方法。最后给出了本文主要研究内容７

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第二章数据采集系统的设计

２．１光纤传感器设计

光纤传感器技术是伴随着光通讯技术的发展而逐渐形成的。在光通讯系统中，光纤被用作远距离传输光信号的媒介。显然，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界的影响越小越好。但是，在实际的传播过程中，光纤易受到外界环境因素的干扰，如温度、压力、电磁场等外界条件的变化将引起光纤光波参数如光强、相位、频率、波长等的变化。因此，人们发现如果能测出光波参数的变化，就可以知道引起光波参数变化的各种物理量的大小变化，于是产生了光纤传感器技术。

光纤传感器是用光纤作为功能材料的传感器。光纤是７０年代为光通信而发展的一种新型材料。通常，它是由高纯度的石英玻璃为主，掺杂少量的杂质锗、硼、磷等的材料制成的细长的圆柱型，外径在５∥ｍ＇－＇１２５∥ｍ范围。实用的结构有两个同轴区，内区称为纤芯，外区称为包层。包层的材料折射率略低于纤芯材料，其外径在≯１２５＂＂３２５∥ｍ范围。包层外涂敖硅树脂之类的缓冲层，最外面有起保护作用的屏蔽套管（一般用塑料或者橡胶材料制成）【１２】【１３】。

２．１．１反射式强度调制光纤传感器测量原理

光纤的调制机理可以分为以下几种：强度调制机理、相位调制机理、频率调制机理、波长调制机理【｜１４１。

强度调制光纤传感器的基本原理是待测的物理量引起光纤中的传输光光强的变化，通过检测光强的变化实现对待测量的测量。强度调制的特点是简单、可靠、经济。强度调制的方法很多，大致可以分为以下几种：反射式强度调制、投射式强度调制、光模式强度调制以及折射率和吸收系数强度调制等等。一般投射式、反射式和折射式强度调制被称为外调制式，光模式称为内调制式。本测量系统测量的是发动机的叶尖间隙，采用反射式光强调制光强位移传感器来实现距离传感。

反射式光纤位移传感器的基本原理是利用光的反射原理，当光束照射到被测表面时，由于测量面位置的变化，引起从被测面反射光的强度也发生相应的变化。利用反射光强度变化与被测物体位置的相对性，便可测得物体的位置。通常，被测物体某个位置上的反射光的强度取决于三个因素：①物体表面本身反射性质；８

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第二章数据采集系统的设计

②物体表面的光洁度；③测量面的位置变化．

非接触式光纤位移传感器是利用光导纤维的传光特性，在并联、邻接的输入光纤与接收光纤之间，由于被测物体的位置变动，引起了反射光强度的变化，接受光纤则接受到这种来自被测表面的反射光量变化扶甭实瑗位移测量。

如图２．１所示，在距光纤端面ｄ的位置放有平面反射镜，它垂直于入射光纤与出射光纤，故在平面镜后相距ｄ处形成一个入射光纤的虚像。因此，确定调制器的响应等效予计算虚光纤与接收光纤之间的耦合。设入射光纤与出射光纤的距离ａ，且都具有阶跃折射率分布。芯径是２ｒ，数值孔径为ＨＡ。

（ＮＡ－ｎｏｓｉｎ‰一撕一《，＾是纤芯豹折射率，露２是包层翡折射率）

图２．１传感器探头光纤结构形式

．厂，

‘Ｌ／‘

▲一、、．‘、．厂

▲‘Ｉ、店劾毪澎＼．）‘

图２－２交叠情况

９记Ｔ—ｔｇ（ｓｉｎ。１删），兰种交叠情况如图２—２所示。当ｄ《（口一２ｒ）／２ｒ，即

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ａ＞２（ｄＴ＋ｒ）时（２ｄＴ＋ｒ为反射光锥的底面积半径），耦合进出射光纤的光功率为零；当ｄ＞ａ／２Ｔ时，入射光纤和反射光锥底端交叠，交叠面积恒为刀２，此时光锥的底面积为石（，＋２ｄＴ）２，故在此范围内间隙的传光系数为

ｓ１／（Ｉ４－２ｄＴ／ｒ）２≈（ｒ／２ｄＴ）２；当似一２ｒ）／２Ｔ≤ｄａ／２Ｔ时，耦合到出射光纤的光通

量由发射光锥底面与出射光纤相重叠部分的面积决定。利用线性近似，即光锥的底面与接收光纤端面相交的边缘用直线近似，设其重叠宽度为击如图２．３所示。

图２—３光功翠祸合不意图

则接收光纤端面受到光锥照射的表面的百分比是：

口（形）＝％｛ａｒｃ圮ｏｓ（１一形）一（１一％）ｓｉｎ［ａｒｃ℃ｏｓ（１一形）】）

又由图２．２可以得到（２－１）

口２刀－ａ＋２ｒ

ｒｒ（２－２）假设光锥内光功率密度均匀分布，反射面垂直于光纤中心轴线，则接收光纤接收的入射光功率的百分数（即耦合效率Ｆ）是：

Ｐ－只－＂＝Ｖ＝和（知上２ｄＴ）２只。７（２－３）、

、，７、

式中，｛：反射系数。

见：出射光光功率。

届：入射光光功率。

因此，ｎ为环形布置的接收光纤的光功率耦合系数为：

１０

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第二章数据采集系统翡设计

Ｏ

，ｄ＜（４—２ｒ）／２Ｔ

墨：Ｆ：

露硝叫争，秀）‘如吻＞馏≤叠≤讹ｒ

，ｄ＞口，２ｒ。ｑ

式（２＿４）表示距离从零直到磊，耦合光功率为零，磊是传感器的死区。从磊接收光纤开始进入光锥，耦合光功率逐渐增加。当接收光纤恰好全部进入光锥，耦合效率达到极值。此时ｋ＝ａ／２Ｔ，输出的光通量最大。当ｄ继续增大时，光斑交叠面积不再增加。从（２４）式可见，接收耦合光功率随距离的二次方下降，即距离与接收光通量的关系示意如图２４所示。

ｋ

踌

鬏

审

饔

ｄＦ缸一纽＞／嚣距离ｄ

图２－４距离与耦合光功率的关系曲线

２．１．２光纤探头的结构设计

时尖间隙测量传感器是高速实时旋转叶片闻隙测量系统的关键。要得到一定的精度和合理的信噪比，间隙传感器要有很强的抗环境干扰和抗电磁干扰能力，所以对间隙传感器的性能提出了很高的要求，即闯隙传感器盏测的光强要与闻隙建立一一对应的关系。根据叶尖间隙传感器的使用要求和应用环境，采用了单光纤传光，多组光纾束接受散射光的结构形式（如图２－５所示梦嘲。

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图２＿５传感器探头结构

如图２—５传感器探头结构示意图所示，中间为发射光纤，四周为接收光纤，光纤采用阶跃型多模光纤，芯径为５０ＩＩｍ，而包层很薄仅４

ｌｌｐｍ，故光纤直径为５８ｍ。而这种芯径的一般光纤通常直径为１２５ｌｌｍ，这样就大大提高了纤芯的占空比和传输能力。光源发出的光耦合到入射光纤并传播到反射面上，反射面产生的光耦合入接收光纤束，接收光纤束接收到的反射光光强度Ｐ将随反射面与公共端之间的距离ｄ而变化。反射光由接收光纤束传播至光敏元件，并转换为相应的电信号输出。

图２－６带气膜冷却的探头结构

光纤探头工作在高温环境条件下，为保证可靠工作，需要有适当的冷却措施。经研究确定系统采用气膜冷却，以保护探头免受高温损坏，探头保护结构原理如１２

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第二章数据采集系统的设计

图２－６所示。通过调节锥形阀芯的深度，可以调节冷却气流的大小，在避免干扰发动祝流场的情况下，可以有效地保护探头。向心夹紧套头部失三夹头形式，在内锥孔壁的压力下，将探头夹紧。两个调节弹簧用来调节探头夹紧力，以免夹紧力过大，损伤探头１１６１１１７１［１舢。．

２．２光电接收与预处理系统

光电接受处理系统主要包括光电检测器和预处理放大电路，该系统的目标是产生可供后续数据分析豹篦齿闻隙信号。处理系统的好坏壹接关系到整个测量系统的精度，设计时应该考虑灵敏度、信噪比、频响等多方面问题。根据篦齿间隙测量的要求，系统设计主要考虑以下几个方面的要求：

（１）响应时间短。为保证精度要求，光电接受系统必须具备高速响应时间。（２）灵敏度高。旋转叶尖散射光非常弱（＜ｌｌａ聊，为达到朋限级电平，要求光电接受系统灵敏度要高。≯

（３）信噪比高。为减少背景光影响以及各种环境噪声的影响，要求信噪比要高。鳓爨身噪声小．光电检测器和放大电力自身均有嗓声，如暗电流等，选择设计时应尽量减少噪声。

入射光纤接收的光可以通过光电转换或ＣＣＤ方式检测。考虑发动梳试实验的应用现场条件和燃气涡轮研究院的先期研究成果，本系统采用光敏器件将光信号转变为电压信号。

２．２．１光电接受与预处理系统方案

设发动机转速为ｎｒ／ｒａｉｎ，如果要求时尖面的分辨率为ａ，则采样频率为：

￡≥—／Ｖ－×．ｙｔ＇／ＩＤ六≥百

式中，Ｎ：分辨率ａ内采样次数。

Ｄ：网转直径。．（２－５）’

设Ｎ＊１０，ａ糕ｌｍｍ，则正一１０ＭＨｚ。一秒钟产生的数据量约为１５ＭＢ（五 三曲．．１５ＭＢｙｔｅｓ，其中‰是Ａ／１）转换的字节长度）。这样，系统对光电检测器件的频响要求很高，为此选用高频响特性的ＰＩＮ二极管２ＤＵｌｏｌＡ（ＧＴｌ０１－Ａ）。藤且光电检测器件、Ａ／Ｄ转换、数据读取与处理能力要满足这种极速采样要求。１３

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板载足够的缓冲区暂存采样数据，可以维持数据采集的速度及完整性。因此，Ａ／Ｄ采集系统设计时要有板载高速存储、同步锁存、高速数据传输等特殊设计才能满足要求【１９１１２０１。

入射光纤的传光可以通过光电器件转换、前后置放大，经高速Ａ／Ｄ转换后输入计算机中对采样数据进行分析与处理。同时计算机控制半导体激光器的驱动模块，输出特定波长的出射光。整个测量系统原理如图２．７所示。

一。》。．互跫

图２—７测量系统原理

２．２．２光纤传感器工作段选择

设光纤数值孔径为０．１１，则Ｔ—ｔｇ（ｓｉｎ以ＮＡ）一０．１１，则传感器死区ｄ６为：ｔ（口一２ｒ）／２Ｔ一２．２１７０５（ａ一２ｒ），而ｄ一一ａ／２Ｔ一２．２１５０５ａ。又ａ≥２ｒ，如果将量程（测量范围）局限在前坡，量程宽仅为ｒ／Ｔ；后坡范围较大，传感器探头到齿顶静态距离的设计值取值范围为１．５－一，２ｍｍ，则可测较宽范围。ｄ６

２．２．３光电接收放大电路具体设计

根据系统要求以及选用的测量方法，设计了ＰＩＮ＋前置放大器ＳＡ５２１１＋后置放大器ＳＡ５２１７的设计方案。

ＰＩＮ选用信息产业部电子４４所的ＧＴｌ０１型ＰＩＮ光电二级管，该ＰＩＮ光电二极管主要参数为：峰值波长９００ｒｉｍ，工作波长４００＂－１１００ｎｍ，灵敏度Ｏ．３５～Ｗ，光敏面直径４ｎｍ。

由于ＰＩＮ二级管对温度变化比较敏感，为抑制温漂，系统采用差动光电检测器（如图２—８所示）。将差动信号送入双片ＳＡ５２１１，从而达到抑制温漂的作用。１４

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