[发明专利]一种基于微波相位差测距的叶尖间隙动态测量系统及方法

说明书

本发明公开一种基于微波相位差测距的叶尖间隙动态测量系统及方法，测量系统包括微波信号产生模块、信号功率放大模块、信号接收及混频模块、信号调理模块、环行器、微波传感器、信号采集模块、计算机，其中微波信号产生模块提供射频稳定的发射信号和参考信号，待测叶片将发射信号反射，形成反射信号；环行器的三个端口通过信号线分别与信号功率放大模块、微波传感器和信号接收及混频模块相连，信号功率放大模块通过连接线分别与微波信号产生模块和信号接收及混频模块相连，信号调理模块通过连接线与信号接收及混频模块相连，信号采集模块通过连接线与信号调理模块相连，计算机通过连接线与信号采集模块相连。

技术领域

本发明涉及非接触距离动态测量领域，尤其是涉及一种基于微波相位差测距的叶尖间隙动态测量系统及方法。

背景技术

动叶片作为航空发动机、燃气轮机等大型旋转机械的核心做功元件，其运行状态参数直接决定了飞机、舰船等重大装备的工作性能。其中，动叶片尖端与机匣内壁之间的叶尖间隙参数是影响发动机工作效率及运行安全的关键。航空发动机涡轮叶片的叶尖间隙通常设计在3mm以内，并且叶尖间隙每减小0.0254mm，燃油消耗率降低0.1％，排气温度下降1℃；然而，过小的叶尖间隙又会增加叶片与机匣碰撞摩擦的概率，降低发动机安全裕度，甚至导致零部件损坏，因此叶尖间隙存在最优量值，非接触、高精度、在线的叶尖间隙测量方法能为主动间隙控制提供数据支撑，进而保障航空发动机的高效安全运行，对于发动机高效安全运行具有重大意义。

当前叶尖间隙测量方法主要有光学法、电容法、电涡流法和微波法。但在航空发动机涡轮叶片的叶尖间隙测量中，光学法易受被测叶片反射系数、传感器的安装角度和安装位置以及工作环境的影响；电容法需要高信噪比的信号处理电路，且易受工作环境的影响；电涡流法耐温特性差，不适用于航空发动机高转速下高温环境的叶尖间隙测量；微波法和上述方法相比，具有耐高温、抗燃气腐蚀、探头体积小巧、响应速度快等优势，在航空发动机涡轮叶片的叶尖间隙测量中具有很大的研究价值。

然而微波法在参数测量和标定过程常采用静态方法，而静态测量方法存在诸多问题：(1) 微波式叶尖间隙测量系统采用基带式相位解调结构，易受直流噪声干扰，随时间漂移会产生直流偏差，直接影响叶尖间隙参数的标定结果；(2)微波相位差测距原理存在测距模糊问题，即当待测相位差的变化范围超过360°时，叶尖间隙值d也将呈周期变化，当航空发动机工作时，难以从动态的叶尖间隙相位信号中定位叶片到达的最小叶尖间隙值；(3)不同转速下信号采样点数时刻变化，直接影响叶尖间隙的测量精度。因此，亟需对上述存在的问题进行逐一解决。

发明内容

本发明的目的是解决现有微波式叶尖间隙测量方法的不足，设计一种基于微波相位差测距的叶尖间隙动态测量系统及方法，实现以下目的：

(1)提供一种基于微波相位差测距原理的叶尖间隙参数动态测量方法及信号模型，通过此方法和模型，能精确测量表征叶尖间隙参数动态变化的叶尖间隙测量信号；

(2)基于所述的基于微波相位差测距原理的叶尖间隙动态测量信号模型，提供一种叶尖间隙动态测量信号的提取方法，能消除微波相位信号的测距模糊问题，实现相位信号峰值位置的预估，减小信号处理过程中随机误差，实现叶尖间隙动态测量信号的高精度提取。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于微波相位差测距的叶尖间隙动态测量系统，包括微波信号产生模块、信号功率放大模块、信号接收及混频模块、信号调理模块、环行器、微波传感器、信号采集模块、计算机，其中微波信号产生模块提供射频稳定的发射信号和参考信号，待测叶片将发射信号反射，形成反射信号；信号功率放大模块用于放大参考信号和发射信号的功率；信号接收及混频模块将参考信号和反射信号混频，实现基带式正交干涉解调；