[发明专利]提高转静子轴向间隙测量精度的方法与装置

权利要求书

1.一种提高转静子轴向间隙测量精度的装置，其特征是，由微波信号产生模块、信号功率放大模块、信号接收和混频模块、信号调理采集模块、计算机、载波路环形器、参考路环形器、载波路射频线缆、参考路射频线缆、微波载波传感器、微波参考传感器组成；

信号接收和混频模块由载波路混频器和两路参考路混频器组成；

微波信号产生模块产生载波信号和参考信号，载波信号依次经信号功率放大模块、载波路环形器、载波路射频线缆传输到微波载波传感器，微波载波传感器发射载波信号到被测的转子轴向端面，同时接收转子轴向端面的载波反射信号，接收的载波反射信号经过接收用载波路射频线缆、载波路环形器后作为载波路混频器的射频输入信号；所述参考信号经过信号功率放大模块放大后作为载波路混频器的本振输入信号；载波路混频器输出两路正交解调信号通过信号调理采集模块预处理后传送至计算机；

微波信号产生模块产生的参考信号依次经信号功率放大模块、参考路环形器、参考路射频线缆传输到微波参考传感器端面反射回传，回传的信号经过接收用参考路射频线缆输回到参考路环形器再输出并作为第一路参考路混频器的本振输入信号；微波信号产生模块产生的载波信号经过放大后作为第一路参考路混频器的射频输入信号；第一路参考路混频器输出两路正交解调信号通过信号调理采集模块预处理后，传送至计算机；

微波信号产生模块产生的载波信号经过信号功率放大模块作为第二路参考路混频器射频输入信号；微波信号产生模块产生的参考信号经过放大作为第二路参考路混频器的本振输入信号；第二路参考路混频器输出一路正交解调信号，经过信号调理采集模块预处理后，传送至计算机；

计算机对输入的信号进行处理，得到转静子轴向间隙；

微波信号产生模块包括：时钟基准、控制器、载波路锁相环、载波路压控振荡器、载波路环路滤波器、参考路锁相环、参考路压控振荡器、参考路环路滤波器；

信号功率放大模块包括：载波路功率放大器、第一 载波路中等功率放大器、第二 载波路中等功率放大器、第一 参考路中等功率放大器、第二 参考路中等功率放大器、参考路功率放大器；

信号接收和混频模块包括：参考路混频器、参考路射频低噪声放大器、第一低通滤波器(17)、第二低通滤波器(18)、参考路混频器、第三低通滤波器(20)、第四低通滤波器(21)、第五低通滤波器(22)、载波路混频器、载波路射频低噪声放大器；

时钟基准为系统提供稳定的频率参考；

控制器设置载波路锁相环工作在载波频率ω_r模式下；载波路锁相环通过内部的电荷泵输出脉冲电流信号，经过载波路环路滤波器带通滤波后，使载波路压控振荡器输出载波频率为ω_r的载波信号，同时通过内部的鉴相器，实时监测时钟基准的倍频信号与载波路压控振荡器的载波反馈信号的相位差，并使二者相位差为零；

载波路压控振荡器输出的载波信号经过载波路功率放大器的功率放大后，进入载波路环形器的第一个端口，并从载波路环形器的第二个端口输出；载波路环形器的第二个端口与载波路射频线缆连接，载波路射频线缆与微波载波传感器连接，微波载波传感器发射载波信号到被测的转子轴向端面，同时接收转子轴向端面的载波反射信号，经过载波路射频线缆，输回到载波路环形器的第二个端口，并从载波路环形器的第三个端口输出；

控制器设置参考路锁相环工作在参考频率ω_s模式下；参考路锁相环通过内部的电荷泵输出脉冲电流信号，经过参考路环路滤波器带通滤波后，使参考路压控振荡器输出参考频率为ω_s的参考信号，同时通过内部的鉴相器，实时监测时钟基准的倍频信号与参考路压控振荡器的参考反馈信号的相位差，并使二者相位差为零；

参考路压控振荡器输出的参考信号经过参考路功率放大器的功率放大后，进入参考路环形器的第一个端口，并从参考路环形器的第二个端口输出；参考路环形器的第二个端口与参考路射频线缆 连接，参考路射频线缆与参考路微波参考传感器连接，参考路微波参考传感器发射的参考信号全部在传感器端面反射，经过参考路射频线缆，输回到参考路环形器的第二个端口，并从参考路环形器的第三个端口输出；

参考路微波参考传感器结构包括：微波天线、金属空心套筒、金属参考反射端面；其中，金属参考反射端面作为参考路微波参考传感器的端面，将参考路微波参考传感器发射的参考信号全部反射回参考路射频线缆；

微波天线与金属参考反射端面的间隙值s为毫米级且不为零；

参考路环形器的第三个端口输出的参考信号经过参考路射频低噪声放大器的放大后作为参考路混频器的本振输入信号Y₂；同时，载波路压控振荡器输出的载波信号经过载波路中等功率放大器的中等增益放大后作为参考路混频器的射频输入信号X₁；参考路混频器输出两路正交解调信号，分别经过第一低通滤波器(17)和第二低通滤波器(18)后，为Z_I1和Z_Q1，这两路信号通过信号调理采集模块预处理后，传送至计算机；

载波路环形器的第三个端口输出的载波信号经过载波路射频低噪声放大器的放大后作为载波路混频器的射频输入信号Y₁；同时，参考路压控振荡器输出的参考信号经过参考路中等功率放大器的中等增益放大后作为载波路混频器的本振输入信号X₂；载波路混频器输出两路正交解调信号，分别经过第四低通滤波器(21)和第五低通滤波器(22)后，为Z_I2和Z_Q2，这两路信号也通过信号调理采集模块预处理后，传送至计算机；

载波路压控振荡器输出的载波信号经过载波路中等功率放大器的中等增益放大后作为参考路混频器的射频输入信号Y₃；同时参考路压控振荡器输出的参考信号经过参考路中等功率放大器的中等增益放大后作为参考路混频器的本振输入信号X₃；参考路混频器输出一路正交解调信号，经过第三低通滤波器(20)后，为Z_I3，这路信号经过信号调理采集模块预处理后，传送至计算机；

信号调理采集模块由信号放大电路、信号滤波电路和模拟数字转换电路组成；

其中，采用微波双路参比结构，载波路锁相环工作的载波频率ω_r和参考路锁相环工作的参考频率ω_s需要尽量接近，载波路射频线缆和参考路射频线缆使用同样长度和型号的射频线缆并且并排紧密安装布置，从而使因为射频线缆长度变化或者航空发动机工作过程中环境温度变化引起的载波路射频线缆和参考路射频线缆上的射频信号相位延迟量漂移值相等；

输入参考路混频器的本振输入信号Y₂和射频输入信号X₁分别用式(1)和式(2)表示：

其中，A₁为射频输入信号X₁的幅值，A₅为本振输入信号Y₂中微波参考传感器端面反射部分的幅值，A₆为本振输入信号Y₂中由于射频芯片或环形器隔离度不高造成的射频同频串扰部分的幅值，ω_s为参考频率，ω_r为载波频率，为射频输入信号X₁的相位，为本振输入信号Y₂中微波参考传感器端面反射部分在参考路射频线缆上延迟的相位，为本振输入信号Y₂中由于射频芯片或环形器隔离度不高造成的射频同频串扰部分在传输路径上延迟的相位；

参考路混频器输出的两路正交解调信号分别经过第一低通滤波器(17)和第二低通滤波器(18)滤除频率为ω_r+ω_s的频率成分后，得到的信号Z_I1和Z_Q1，用式(3)和式(4)分别表示：

其中，k'为参考路幅度不平衡因子，为参考路相位不平衡因子，ω_IF＝ω_s-ω_r为中频频率；

输入载波路混频器的射频输入信号Y₁和本振输入信号X₂分别用式(5)和式(6)表示：

其中，A₂为本振输入信号X₂的幅值，A₃为射频输入信号Y₁中载波反射信号部分的幅值，A₄为射频输入信号Y₁中由于射频芯片或环形器隔离度不高造成的射频同频串扰部分的幅值，ω_s为参考频率，ω_r为载波频率，为本振输入信号X₂的相位，为射频输入信号Y₁中载波反射信号部分在载波路射频线缆( 29) 上延迟的相位，为射频输入信号Y₁中由于射频芯片或环形器隔离度不高造成的射频同频串扰部分在传输路径上延迟的相位，为射频输入信号Y₁中载波反射信号部分受转静子轴向间隙变化产生的待测相位；

载波路混频器输出的两路正交解调信号分别经过第四低通滤波器(21)和第五低通滤波器(22)滤除频率为ω_r+ω_s的频率成分后，得到的信号Z_I2和Z_Q2，用式(7)和式(8)分别表示：

Z_I2＝S_{I_IF}(t)+S_{I_le}(t) (7)

Z_Q2＝S_{Q_IF}(t)+S_{Q_le}(t) (8)

其中，是Z_I2中的载波反射信号部分；

是Z_I2中的由于射频芯片或环形器隔离度不高造成的射频同频串扰部分；

是Z_Q2中的载波反射信号部分；

是Z_Q2中的由于射频芯片或环形器隔离度不高造成的射频同频串扰部分；

其中，k为载波路幅度不平衡因子，为载波路相位不平衡因子；

进一步，输入参考路混频器( 19) 的射频输入信号Y₃和本振输入信号X₃分别用式(9)和式(10)表示：

其中，A₇为本振输入信号X₃的幅值，为本振输入信号X₃的相位，A₈为射频输入信号Y₃的幅值，为射频输入信号Y₃的相位；

参考路混频器( 19) 输出的一路解调信号经过第三低通滤波器(20)滤除频率为ω_r+ω_s的频率成分后，得到的信号Z_I3，用式(11)表示：

在计算机中，对于参考路，将传输上来的Z_I1与Z_I3进行混频运算和低通滤波处理，得到信号V'_I(d)，将Z_Q1与Z_I3进行混频运算和低通滤波处理，得到信号V'_Q(d)；对于载波路，将传输上来的Z_I2与Z_I3进行混频运算和低通滤波处理，得到信号V_I(d)，将Z_Q2与Z_I3进行混频运算和低通滤波处理，得到信号V_Q(d)；V'_I(d)、V'_Q(d)、V_I(d)和V_Q(d)用式(12)、(13)、(14)和(15)分别表示：

其中，

在式(12)、(13)、(14)和(15)中，k、k'、A_le、A'_le均为定值，不随转静子轴向间隙改变而变化，而A_IF仅与转静子轴向间隙有关，与转静子轴向间隙d的二次幂成反比关系；A'_tip、不随转静子轴向间隙变化而变化，但会随工作环境温度变化而漂移；

由微波相位测距原理：

其中ω₁为发射微波射频信号的空间角频率；

由式(14)、(15)和(16)得：

其中，

利用V(d)信号频谱主要在主频ω₁、镜频-ω₁和直流频率三个部分这一特点，通过空间距离扫描，即等间隔的进行转静子轴向间隙采样，获得这三个频率处的幅值，分别为A(ω₁)、A(-ω₁)、A(0)；幅相不平衡度矫正因子用式(18)、式(19)、式(20)和式(21)表示：

采用改进的基于空间距离扫描的同频干扰信号抑制步骤，抑制载波路同频干扰信号的模型如式(22)所示：

因此，抑制载波路同频干扰信号后的转静子轴向间隙d用式(23)表示：

其中，不随待测转静子轴向间隙变化，但会随工作环境温度变化而漂移；

的确定方法为：在系统标定时，参考路射频线缆不连接微波参考传感器，而直接连接假负载，实现参考信号的完全吸收，此时式(3)、式(4)、式(12)和式(13)分别表示为式(24)、式(25)、式(26)和式(27)：

由式( 24) 、( 25) 得到：

Z'₁(t)信号在主频ω_IF、镜频-ω_IF这两个频率处的幅值，分别为A(ω_IF)、A(-ω_IF)；幅相不平衡度矫正因子用式(29)、式(30)表示：

抑制参考路同频干扰信号的模型如式(31)所示：

因此，射频输入信号Y₂中微波参考传感器端面反射部分在参考路射频线缆上延迟的相位用式(32)表示：

航空发动机工作过程中环境温度变化引起的载波路射频线缆上的射频信号相位延迟量和参考路射频线缆( 30) 上的射频信号相位延迟量相等，由式(23)和式(32)，转静子轴向间隙d的实时在线高精度测量方法用式(33)表示：

其中，c、f、为常数值，不随待测转静子轴向间隙和工作环境温度变化而变化，通过标定获得。