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田６激光多普勒舅速法测间隙的原理田 擞光多普勒间隙侍感器包括三个部分：光源系统、光学测量探头和探测系统。在光源系 统中有两个辙光二撮管．输出为６６０珊和８３０阻的两个波长的激光。在探头里光纤出射的光束 被一个非球面透镜准直，再被一个衍射透镜聚焦（衍射透镜是针对６６０ｎｅ波长设计的焦距 ２０肌。数值孔径０．２）；这块高散射的衍射透镜使这两种光在聚焦腰处的光轴方向上分离。 由于衍射透镜的焦欧和波长成反比，红外光束的聚焦就落在了光橱的前面．而红光的落在 了光栅的后面．使这两种波长的擞光柬分别产生＋ｌ。一１级衍射。其他的光束用挡板隔离．用 一个消除色差的开昔勒透镜组准直光束井且再一次聚焦，清色差的透镜组确保了这两部分光 在相同的轴向位置分开。用开普勒望远镜系统使光柱聚焦成像．红外光的聚焦腰的位置在交 叉点的前面产生发散的边缘．红光的聚焦腰的位置在交叉点的后面产生汇聚边缘。如图７所
试验应用作了介绍。
关键词：发动机叶片叶尖间隙测量，探针法，电容法，电涡流法，光导（激光近程）探针测
量法，光强度调制法，激光多普勒测速法 １引言
随着现代飞机对高机动性飞行要求的不断提高，对航空发动机的要求也相应地提高。提
高航空发动机的性能的一个重要方面是提高发动机的效率；而提高发动机的效率很大方面要 取决于发动机转子叶尖与机匣之间的径向间隙要尽可能小，以减少工作介质泄露而造成的损 失。
航空发动机叶片间隙测量方法综述
郭伟周权 （一航计测重点实验室北京１０００９５）． 摘要：飞机发动机叶片叶尖间隙是发动机非常重要的一个参数。文章介绍了叶片叶尖间隙测 量的各种方法，包括探针法、电容法、电涡流法、光学法等。光学法又可细分为光导（激光
近程）探针测量法、光强度调制法和激光多普勒测速法；对这些方法的原理、特点以及一些
我国开展航空发动机转子叶尖间隙测试应用研究起步较晚。对于实测设备的开发应用大 多还处于研制阶段。由于有国外可借鉴的技术和经验，以及已商品化的可利用的测试手段，因
此研制开发的投入比较小。
２．１探针法１１Ｉ［ａｌ
探针法采用的是叶尖放电方式，即依靠电机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，探针的行程与初始安装间隙（静态时探针到机匣内表面的距离）
１９芯电缆
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图１安装在燃气轮上的放电探针系统图 探针法的特点是原理比较简单，只要叶片是导电材料，无论叶尖面形状如何都可以用探 针法测量叶尖间隙，而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，探针和叶尖端面的污损，
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２．４光学方法（ｏｐ岫ｌｍｇｏｄ）厦特点
前面介绍的几种方法大都是接触式测量，并且测量受环境影响比较大．限制了其应用范 围。光学测量方法属于非接触式测量方法，具有高分辨事，抗干扰强、无破坏性、效据获取 速度快等优点。光纤是非导电体，没有电礁干扰问题，特别适台在发电厂生产车间这类工况 复杂，电磁干扰严重的条件下工作：由石英材料制成的光纤，既耐高温又耐腐蚀。可以在高 温潮湿条件下工作。应用光学方法来测量发动机叶尖问隙主要有以下几种方法：１）光导（激 光近程）探针铡量法；２）利用光强度调制的方｛击；３）利用多普勒涮速的方法．
介质为常数，则电容的大小就只是两极间距离的函数。系统的结构原理框图如图３所示。
图３电容叶尖间隙测量系统原理图
该系统由探头一电缆组件、振荡器、保护放大器。以单片机Ｐ８７Ｌ ＰＣ７６２为核心的系统
处理器和显示电路构成。 电容法的主要特点：灵敏度高．故有频率高，频带宽，动态响应性能好，能在数兆赫的 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，绝缘是电容法的特殊问 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。
之差即叶尖间隙。英国ＲＣＭＳ４的间隙测量系统属探针类，它主要由探针、执行机构及控制 器组成。其间隙测量系统在探针上旌加高压，在执行机构的驱动下，以连续的步进逐渐伸向 被测物体，当探针距被测物体只有微米量级时，发生电弧放电，控制器感受到放电后，在探 针与叶尖物理接触之前，停止探针步进，并将其缩回到安全位置，同时显示叶尖间隙测量结 果。ｌｌ】其原理系统图如图Ｉ所示。
示
匿薹茎挛薹鎏 熏薰囊羁慝霉囊
田７两柬光的干涉田，左边为虹外发散光，右田为虹光会聚田． 红外光的边缘系统的条纹间隔函敦是单调递增的，缸光的边缘系统的条纹间隔函数是单
调递硪的。在涮量区域的中问两个边缘系统的条纹阃隔是相等的。这个条纹回硒的比值
口（ｚ）＝匾（：），畦（：）几乎是线性变化的。从涡轮叶片反射回的职色发散光艘后边的探涌器
重４测量滑轮问瞳的蠢光近程探针系统 它的测量原理是：澈光器发出的光通过进镶，然后又由光纤引八探头，再经聚焦透镜十 三角棱镜把光束投射到叶ｊ皂上，如Ａ点和Ｂ点．由叶尖问障大小变化而改变相应的位置． 再通过棱慌和聚焦透啻怍用到输出螭的光纤上，通过对应的反射光点Ａ＋和Ｂ。．在把反射 回来的光线输进到另—埔对应的显示屏上，如Ａ’和Ｂ－．量后用对准显示屏的摄像机摄录
Ｆ光点的位置信号输送到记录器或监视器上，从而获得不同间隙时的数据。 该方法的特点是不受转子叶片本身材料的限制，各种转子叶片都可以测量；使用于精度
高，频响快，高温涡轮叶尖间隙的测量；能在恶劣的环境下工作，适用于静态和动态的实时
测量；成本低，光纤探头体积较小，易安装等。由于传感器运行在高温高压和大震动的情况
态：３）要求测量结果不受压气机和涡轮机叶片叶尖表面状态及温度变化的影响；４）尽量采
用小的几何尺寸：５）可实现在线系统检测。 因此，传统的检测方法已经对这些要求不适应了。而全新的光纤法测量方法可以满足这
些要求。光纤外型小、轻便。特别适合空间狭小的场合，符合燃气轮机动态间隙测量的要求；
光纤本身是非导电体，没有电磁干扰，适合工况复杂、电磁干扰严重的工作条件；由石英材
下，因此需对光学系统进行保护，防止污染和仪器损坏。
２．４．２光强度调制法‘１ｌ
它的基本原理是：当光源发出的光经光纤照射到位移反射体后，被反射的光又经接收光 纤输出，被光敏器件接收。其输出光强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，通过对光强的检测而得到间隙值。
其测量原Ｎ如ｔＮ５所荆５１，
接收．在探测系统中。经多模光纤出射的光被准直．通过一十分色镜按不同波长分成两部分，
分别聚焦到两个探涮器．通过一十１４ｂｉｔ的腓导入计算机井用鼬伽进行处理。为了进一
步分析．用高斯曲线拟合经快速傅里叶变换的每个信号与记录下来的多昔勒攒率点，然后用 多普勒频率幕教计算涡轮机各叶片定点的位置。
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文献［１２］的作者在Ｇｅｒｍａｎ
Ａｅｒｏｓｐａｃｅ
Ｃｅｎｔｅｒ（ＤＬＲ）用此方法做了试验研究。试验在一台
涡轮机上进行，叶片叶尖间隙为１．７ｍｍ，叶片直径为１１２ｍｍ，含有２６个涡轮叶片。涡轮最大转
速为５００００ｒｐｍ，对应于叶片频率２１６６７Ｈｚ。测量位置周边速度５８６ｍ／ｓ。试验所得数据如图８
所示。可以看到应用激光多普勒法和电容法测得的数据有很好的一致性；但激光多普勒法有
料制成的石英光纤，耐高温性能好，可以在燃气轮机内部的高温下工住。
４参考文献
［１］邱立新，王振华，航空发动机叶尖间隙测量研究，航空发动机，２００１年第４期。 ［２］范龙，李超俊，轴流风机叶片项部间隙流动的测量与研究，流体机械，１９９１年，第ｌ期。
［３］杨启超，李连生，赵远扬，束鹏程，电涡流法测量涡旋压缩机轴向间隙的可行性试验研
２．３电容法…（ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）
电容叶尖间隙测量系统是基于测量探头和叶片尖端间的电容。把一个按钮式探头固定在
与叶片顶端相对的机匣中，让它构成电容的一个极，而压气机叶尖构成电容的另一个电极。测
得的电容是电极的几何形状，两极尖Байду номын сангаас距离以及两极间介质的函数。如果电极的几何形状和
２．４．３激光多普勒测速（ＬＤＶ）的方法㈣１１４１
电容传感器等通常用来测量金属叶片尖端的间隙只能提供中等速度的频率哺应，精度只
能达Ｎ５０／ｚｍ。有一种新的基于ＬＤＶ的激光多普勒叶间探测器与其他探测器相比具有高的时
间和空间分辨率。这个光纤光学测量探头使这个传感器更柔韧并且不受温度和电磁的干扰。
文献［１２］给出了这种原理的方法介绍及应用。该方法的原理如图６。
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究，中国机械工程，２００７年，第１７期。 ［４］贾智伟，姜涛，李应红，压气机叶片顶端与机匣运动间隙的测量，航空精密制造技术， ２００２年８月，第３８卷，第４期。 ［５］马惠萍，刘丽华，杨乐民，李鹏生，燃气轮机动态间隙检测系统的关键技术研究，光电 子一激光，２００２年３月，第１３卷，第３期。 ［６］马玉真，段发阶，曹素芝，方志强，叶声华，叶片叶尖间隙测量的光纤传感 器，光电工程，２００５年７月，第３２卷，第７期。 ［８］陈炳贻，叶尖间隙对航空发动机性能的影响和测量技术，燃气涡轮试验与研究，１９９６年， 第２期。 ［９］熊宇飞．航空发动机转子叶尖间隙测量，测控技术，２００４年，第２３卷，第ｌ期。 ［１０］李云霞，蒙文，赵尚弘，李应红，飞机发动机叶片变形的非接触光学测量方法，空军工 程大学学报（自然科学版），２００２年１２月，第３卷，第６期。． ［１１］马惠萍，刘丽华，杨乐民，李鹏生，用于燃气轮机动态间隙检测的光纤测量系统（ＩＩ）：
图５光纤光强度调制测量原理图 该方法具有高灵敏度，高分辨率，抗电磁干扰，超高电绝缘；结构简单，性能稳定，设 计灵活，能在恶劣的环境下工作，适用于静态和动态的实时检测。由于叶片表面经过高温烧 蚀，它的反射系数降低，反射损失会造成灵敏度降低，假定反射面与光纤轴垂直，如果反射 端面稍有倾斜，对灵敏度也会产生很大的影响。
２．４，１光导（激光近程）探针测量法Ⅲ