[發明專利]一種基于光纖束探頭的葉尖定時測量裝置及方法

有效

• 申請號: 202011012609.2
• 申請日: 2020-09-24
• 公開（公告）號: CN112129400B
• 公開（公告）日: 2023-03-21
• 發明（設計）人: 柴全;陳余;馬占宇;田野;張建中
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00;G01M13/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于光纖束探頭的葉尖定時測量裝置及方法，包括葉片葉尖、光源、光纖束探頭、第一光纖合束器、第二光纖合束器、第一光纖損耗器、第二光纖損耗器、光纖耦合器、光電探測器、顯示終端；光源發出的光進入光纖束探頭的發射光纖，當葉尖掃過光纖束探頭時，光經葉片葉尖反射后被第一圈接收光纖和第二圈接收光纖接收，接收的光分別通過第一光纖合束器和第二光纖合束器匯合到分別對應的一根光纖，然后分別經過第一光纖損耗器和第二光纖損耗器調節耦合比，光信號經過光纖耦合器耦合到光電探測器中，將光信號轉化為電信號，得到葉尖定時信號。相對于傳統的光纖束探頭而言，提高了葉尖間隙波動情況下的葉尖定時精度。

技術領域

本發明屬于渦輪葉片的葉尖定時領域，涉及一種葉尖定時測量裝置及方法，特別是一種基于光纖束探頭的葉尖定時測量裝置及方法。

背景技術

作為發動機、汽輪機的關鍵部件，渦輪葉片的健康狀態嚴重影響機器運轉以及操作人員安全。由于激振力、熱膨脹等因素導致渦輪葉片會發生損傷甚至斷裂的情況，危害渦輪發動機的運行安全，因此需要對渦輪葉片進行實時的健康監測。葉尖定時測量是常用的實時監控測量方法，有電容式、微波式、磁阻式、以及光纖束式等。其中光纖束探頭由于精度高、響應速度快、不受電磁干擾等因素，具有很大的應用優勢。目前傳統的光纖葉尖定時探頭是中間一根發射光纖，周圍環繞六根接收光纖的結構，這樣就可以增加接收光強，提高定時精度，得到對稱的葉尖定時信號[Reinhardt R,Lancelle D,Magnor O,et al.Opticalsensor with coaxial arranged receiving fibers to measure blade tip timings onaxial compressors.2017IEEE SENSORS.IEEE,2017.]。而另一種改進型的光纖葉尖定時探頭還在第一圈接收光纖外面加了第二圈接收光纖，然后將兩圈接收光纖接收到的光信號相除，得到的最終信號在一定葉尖間隙范圍內隨葉尖間隙幾乎呈線性變化，使得可以在進行葉尖定時測量的時候同時測量葉尖間隙[S Z Cao,F J Duan and Y G Zhang.Measurementof Rotating Blade Tip Clearance with Fibre-Optic Probe.Journal of Physics:Conference Series 48(2006)873-877.]。

但是目前的葉尖定時光纖傳感器都沒有解決葉尖間隙波動導致的葉尖定時誤差問題。在進行葉尖定時測量時，接收光功率隨葉尖間隙變化比較劇烈，因此葉尖間隙波動導致的葉尖定時誤差較大。

發明內容

針對上述現有技術，本發明要解決的技術問題是提供一種于光纖束探頭的葉尖定時測量裝置及方法，采用芯徑漸增的雙圈同軸光纖束排布方式，利用光纖損耗器調節光纖束探頭兩圈接收光纖接收光功率的耦合比，使得總接收光功率保持局部恒定狀態，有效規避葉尖間隙波動對葉尖定時測量的影響。

為解決上述技術問題，本發明的一種基于光纖束探頭的葉尖定時測量裝置，包括葉片葉尖1、光源2、光纖束探頭3、第一光纖合束器4、第二光纖合束器5、第一光纖損耗器6、第二光纖損耗器7、光纖耦合器8、光電探測器9；光纖束探頭3是雙圈同軸的光纖束探頭，光纖束探頭3包括發射光纖31、第一圈接收光纖32、第二圈接收光纖33；光源2發出的光進入光纖束探頭3的發射光纖31，當葉尖掃過光纖束探頭3時，發射光纖31發出的光經葉片葉尖1反射后被第一圈接收光纖32和第二圈接收光纖33接收，第一圈接收光纖32和第二圈接收光纖33接收的光分別通過第一光纖合束器4和第二光纖合束器5匯合到分別對應的一根光纖，然后分別經過第一光纖損耗器6和第二光纖損耗器7調節耦合比，兩根光纖的光信號經過光纖耦合器8耦合到光電探測器9中，將光信號轉化為電信號，得到葉尖定時信號。

作為本發明的一種優選方案，發射光纖31、第一圈接收光纖32、第二圈接收光纖33的尺寸依次增大，且尺寸滿足：確定第一圈接收光纖32的接收光功率極大值對應的葉尖間隙值，確定第二圈接收光纖33的接收光功率極大值對應的葉尖間隙值，使得光纖束探頭3輸出的總接收光功率在所述兩個葉尖間隙值范圍內變化平緩。