[发明专利]一种解调三维叶尖间隙的方法及其装置

说明书

本发明公开了一种解调三维叶尖间隙的方法及其装置，包括具有三个独立基元的叶尖间隙三维光纤检测探头，三个独立基元获取光信号，并输出外圈光信号和内圈光信号；前置处理电路获取三个独立基元发出的三组外圈光信号和内圈光信号；前置处理电路包括光电转换模块、放大跟随模块和减法模块；所述光电转换模块将三组外圈光信号和内圈光信号转换为相应的6路光电信号；放大跟随模块将6路光电信号放大并输出至减法模块和单片机模块。以三维叶尖间隙光纤传感探头的三基元内、外圈光强信号为输入，通过两两差分、比除得到三组差分比值信号，有三组差分比值信号解调处三维叶尖间隙信息。

技术领域

本发明属于双圈同轴光纤束传感单元三维输出特性函数的三维叶尖解调技术领域；涉及一种解调三维叶尖间隙的方法；还涉及一种解调三维叶尖间隙的装置。

背景技术

双圈同轴光纤束是一种结构简便、体积小、抗干扰能力强的位移传感器，它利用内、外两圈接收光纤围绕中心发射光纤的结构，通过将外圈接收光强信号与内圈接收光强信号经比除运算后输出比值信号，从而达到消除光纤束在光传输过程中遇到的如光功率波动干扰、反射面不均等非线性干扰因素的影响，具有较高的工程应用价值。

实际工程应用中，尤其是在很多高温高压环境下需要非接触测量时，被测物体表面的动力学行为都表征为空间三维方向上的位移变化。以航空发动机三维叶尖间隙检测为例，受发动机内部流场影响、以及转子转动时离心力、还有高温燃气作用下的热应力影响，转子叶片的叶尖表面同时出现有相对于机匣表面的径向、转子转动圆周方向、以及转子轴向三个方向的间隙变化分量，只有获取转子叶片的实时三维叶尖间隙变化信息，才能提取更全面的转子叶片健康状态信息。

针对航空发动机三维叶尖间隙的检测需要，可以利用三个双圈同轴光纤束传感单元来组成一只三维叶尖间隙检测用的光纤传感探头，以发挥双圈同轴光纤束传感器的优良抗干扰特性，再通过三个光纤束传感单元的输出光强信号通过一定的运算变换得到叶片的三维叶尖间隙变化信息。为了准确的从三个双圈同轴光纤束传感单元输出信号解调出三维叶尖间隙，不但要有可靠的双圈同轴光纤束三维输出特性函数。且从传感器的角度出发，解调算法应尽可能的简单，可进行快速运算以实现实时高速检测。

为了得到三个基元输出光强与三维叶尖间隙的关系，首先要研究如何对输出光强信号通过一定的数学变换、组合得到与三维叶尖间隙相关的简单函数关系，进而设计出三维叶尖间隙解调算法。

以往的工作中，双圈同轴光纤束传感器只被用来检测一维径向位移，只有简化处理的一维空间输出特性模型，而在三维空间下观察反射面位移变化时光纤束接收光强变化规律时，不难发现径向间隙，轴向倾角和周向倾角引起的光强变化是相互耦合在一起的，因此三维叶尖间隙影响下的光纤束输出特性函数形式极为复杂，从正向函数解出三维叶尖间隙的运算量非常巨大，运算精度很差；此外，因为输出光强和三维叶尖间隙的非线性关系程度很高，利用神经网络方法标定数据繁琐复杂，且解调的结果误差很高。因此，为了尽可能从输出光强中分离出耦合在一起的三维叶尖间隙信号，考虑一种利用三个双圈同轴光纤束传感基元两两之间光强信号差分处理的方法，利用输出光强特性函数的泰勒展式，通过两两基元光强信号相减，再进行比除运算的方法，获取到包含三维叶尖间隙和光强差分比值信号关系的线性方程组，就能很容易推算出三维叶尖间隙的解调公式。

由于泰勒展式只在展开点附近有意义，因此考虑到展开点选择不同而引起展开项系数不同的问题时，还需要结合三个双圈同轴光纤束传感基元输出光强信号、差分信号及比值信号通过搜索算法，与一组三维叶尖间隙下的标定输出信号集进行比对判定，得到最接近检测值的三维叶尖间隙区间范围，进而确定解调方程的系数。

已有研究成果中，为了得到一维径向位移调制下的双圈同轴光纤束输出特性函数，对光纤束进行了很大程度的理想化与假设处理，如：接收光纤端面全部被反射光斑覆盖；接收光强不受光纤数值孔径的影响。这些假定并不符合实际的光纤传感器输出特性，必须根据双圈同轴光纤束的实际特性重新建立一种能精确还原三维空间位移调制下的双圈同轴光纤束输出特性函数。

发明内容