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基于大频差双频激光的旋转叶片叶尖间隙测量技术

旋转叶片叶尖与机匣间的间隙是影响航空发动机、汽轮机、烟气轮机、鼓风机等重大装备安全工作性能、能量转换效率的重要参数。叶尖间隙的动态、在线测量是大型旋转机械实现健康监测、故障诊断、主动间隙控制的关键技术和制约瓶颈之一。本文通过对苛刻工业现场环境下叶尖间隙测量的特殊应用技术需求进行分析，提出了一种基于大频差双频激光的叶尖间隙测量新方法。通过设计完整的基于大频差双频激光的叶尖间隙测量系统结构，并对系统测量模型、误差模型进行推导，通过详细的系统软、硬件模块设计和调试，本文最终完成了初步系统联调实验。主要包括以下几个部分:

(1)研究采用光纤光路结构的拍波(双频激光的合成波)信号传输技术，提出了基于大频差双频激光的叶尖间隙测量新方法。双路拍波信号的相位差只与包含叶尖间隙信息的光程差有关，而与叶片特性、电磁环境干扰等无关，从而提高测量精度，并可实现自标定(标定的基准单位是自身的拍波波长)。

 (2)深入分析了基于大频差双频激光的叶尖间隙测量系统的误差源并经理论推导建立了误差模型和影响机制。使用matlab工具验证了误差模型的正确性，叶尖测量系统，指出影响系统测量精度的主要误差因素，较系统地探索了该方法的测量精度潜力。

 (3)详细设计并制作了整个测量系统的软、硬件，形成较完整的系统样机。具体包括:1)双路拍波光纤化、微型化光路系统搭建和光纤传感器设计;2)电路系统设计、制板和调试，如APD高压偏置电源电路、低噪声微波级联放大电路、本振电路、混频电路;3)基于全相位FFT的高精度数字相位检测算法实现，上位机程序及应用软件编写等。

 (4)设计并完成了系统各子模块调试实验和样机联调实验，主要包括空间双路比相实验和单路光纤传输的双路比相测距实验。

叶尖间隙测量系统(BCMS)采用电容传感器，用于高速旋转叶片叶尖间隙参数的在线检测，也可用于其他高速位移或间隙在线测量。系统基于电容调幅解调原理，传感器安装于静止机匣上，感受叶片扫过时的电容变化并转换为电压输出，经采集模块及软件处理后还原实时间隙信息。

在测量系统的执行机构上，在横向上采用左右螺旋直线直线运动单元，纵向上采用双直线运动单元，如此，可依据实际情况和需要，叶尖系统，选用单个或双个CCD摄像机进行测量。

叶尖定时传感器及叶片振动信号处理技术的研究

速旋转叶片振动实时监测技术是电力工业、能源工业、航运业尤其是航空 亟待解决的难题，叶尖，传统的接触式测量方法很难做到同时监测同级的所有叶片的振 动情况，因此国外一直在致力研究非接触式旋转叶片振动测量新技术—叶尖定时 测量技术。本论文依托装备部预先研究课题“非接触式旋转叶片振动测量技术 研究”，基于叶尖定时测量技术，研制了旋转叶片振动测量系统，包括叶尖定时传 感器和转速同步传感器，动态模拟实验装置以及相应的数据采集软件和振动分析 算法，通过动态和现场实验，验证了该系统对压气机、涡轮机高速旋转叶片的振 动检测的可行性。论文的主要工作包括如下几个方面：

 1. 设计了光纤束式叶尖定时传感器，经过静态和动态的模拟实验分析，充分验证 了其作为整个系统的核心部件的实用性

 2. 设计了磁电式的霍耳转速同步传感器，在模拟实验和现场实验中，该传感器工 作正常，保证了转速同步信号的有效输出； 3. 开发了一套采集数据采集软件，叶尖，辅助采集电路的调试和现场数据的实时采集；

 4. 开发了一套模拟实验装置，通过详细的模拟实验，对设计的传感器和光电 接收电路进行了原理性验证，并进行了优化设计；

 5. 研究了一套实用可行的基于叶尖定时传感的异步振动和同步共振分析算法，包 括异步和同步信号的分离，在现场实验中成功探测到了叶片的同步共振信号， 验证了其可靠性，为后续整个系统的实时检测打下了基础。