[发明专利]基于激光超声的大型高速回转装备贴合面积测量装置

说明书

本发明提出了基于激光超声的大型高速回转装备贴合面积测量装置，共焦Fabry‑Perot干涉仪的输出端和光电探测器的输出端均通过数据采集卡与工控机的输入端连接，工控机的输出端分别与激光器的输入端和Fabry‑Perot干涉仪的输入端连接，激光器、分光镜和第一透镜设置在第一转子部件斜上方45°角上，光电探测器和第二透镜设置在分光镜的反射光路上，共焦Fabry‑Perot干涉仪设置在第一转子部件上方，第一转子部件与第二转子部件通过法兰螺栓结构连接。本发明实现了大型高速回转装备贴合面积的非接触式无损测量，同时激光超声的激发和接收均在瞬间完成，能够实现快速、实时测量，具有较强的抗干扰能力。

技术领域

本发明涉及基于激光超声的大型高速回转装备贴合面积测量装置，属于测量技术领域。

背景技术

航空发动机或燃气轮机等大型高速回转装备，由于技术复杂，研制难度大等特点，加上欧美技术封锁，已成为我国高端装备制造领域中的卡脖子问题。航空发动机或燃气轮机系统一般由多级转子装配而成，转子之间相互接触的表面称为结合面。这些在微观上是粗糙的接触面使系统不再具有连续性。航空发动机或燃气轮机系统的力学性质不但与转子零件本身有关，还与转子之间的连接性质有关，结合面的存在使系统性能的分析和预测变得复杂。各级转子之间的装配质量对航空发动机或燃气轮机等大型高速回转装备的性能具有非常大的影响。在装配过程中，转子连接界面若存在贴合面积的不均匀性，将使航空发动机或燃气轮机在高速状态下产生的变形量存在不均匀性，转子的不平衡量就存在较大的变化，最终导致发动机在工作时产生振动。涡扇航空发动机90％以上的故障源于振动，这就是我国航空发动机工作几百小时就要大修的根源之一。所以，迫切要求精密测量发动机转子的贴合面积，只有测量精密，才能装配的精准。

目前贴合面积的测量主要是通过在转子接触界面设置压敏薄膜或者涂抹红丹粉，通过观察装配后压敏薄膜或者红丹粉的变化来判断接触情况，进而推算出贴合面积，此类方法改变了界面的接触状态，不能反映真实的接触情况，影响测量结果。超声波方法可以在不改变工件的接触状态的情况下实现对结合面接触特性的无损测量，利用超声探头对结合面进行扫描可以直接得到名义接触面积，因而国内外学者对超声测量方法开展了广泛研究。传统的超声技术多采用接触式换能器，为保证有高的灵敏度和可靠性，通常还应使用各种超声耦合剂，超声波在穿越禪合剂时需要一定的渡越时间，并且会产生干扰谐波，给测量带来不稳定的因素，并且耦合剂的使用会对增加额外的工作量，导致测量效率低，更严重的是会对航空发动机或燃气轮机转子表面造成一定的腐蚀和伤害，因而在实际应用中传统的超声波法受到了一定的限制。

发明内容

本发明提出基于激光超声的大型高速回转装备贴合面积测量装置，其目的是为了解决大型高速回转装备贴合面积难以直接测量、传统的超声波法测量效率低且会对被测对象表面造成腐蚀等问题，实现大型高速回转装备贴合面积的直接、高效率和高精度测量。

基于激光超声的大型高速回转装备贴合面积测量装置，所述测量装置包括：激光器、分光镜、第一透镜、共焦Fabry-Perot干涉仪、数据采集卡、第二透镜、光电探测器、工控机、第一转子部件和第二转子部件，所述共焦Fabry-Perot干涉仪的输出端和所述光电探测器的输出端均通过所述数据采集卡与所述工控机的输入端连接，所述工控机的输出端分别与所述激光器的输入端和Fabry-Perot干涉仪的输入端连接，所述激光器、分光镜和第一透镜相对所述第一转子部件由远及近依次设置在所述第一转子部件的斜上方45°角上，所述激光器与所述第一透镜同轴设置，所述光电探测器和所述第二透镜相对所述分光镜由远及近依次同轴设置在所述分光镜的反射光路上，所述共焦Fabry-Perot干涉仪设置在所述第一转子部件的上方，所述第一转子部件与所述第二转子部件通过法兰螺栓结构连接。

进一步的，所述激光器，用于按照所述工控机的命令发射脉冲激光；

所述分光镜，用于将激光器发射出的脉冲激光分成两束；

所述第一透镜，用于聚焦其中一束脉冲激光至所述第一转子部件的上表面；