采用激光多普勒频移的航空发动机叶尖间隙测量系统的制作方法

本发明属于航空发动机状态监控装置技术领域，具体而言，涉及一种采用激光多普勒频移的航空发动机叶尖间隙测量系统。

背景技术：

涡轮风扇式航空发动机是当前主流的航空发动机，其旋转叶片顶部与发动机机匣之间的叶尖间隙是其最重要的检测参数之一，叶尖间隙偏大将改变空气流场的状态，导致航空发动机能量转换效率的降低，研究表明，在燃气涡轮发动机中，高压压气机叶尖间隙每增加0.125mm，将会引起发动机能量转换效率下降0.5％，油耗增加0.2％，因此叶尖间隙越小越有利于改善与提高航空发动机的性能与效率。但是，由于航空发动机工作时叶片与机匣受高温影响所产生的热膨胀以及叶片旋转所产生的轻微振动，均可能导致叶尖摩擦、碰撞机匣，从而对发动机运行产生严重威胁，甚至产生灾难性后果。因此，叶尖间隙的在线监测技术对提高航空发动机性能、燃油利用率、运行可靠性都有着重要意义。

已有工作如电涡流法、电容法、光纤法等均对叶尖间隙测量展开了研究，但受限于叶片材料、狭小测量空间及恶劣测量环境的影响，尚未能实现叶尖间隙的有效在线检测。多普勒频移法使传统的光强测量转变为频率测量，降低了环境干扰所引入的误差，而当前激光多普勒叶尖间隙测量存在测量系统较为复杂、传感器体积较大以及测量响应频率不足等问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种采用激光多普勒频移的航空发动机叶尖间隙测量系统。

为了达到上述目的，本发明提供的采用激光多普勒频移的航空发动机叶尖间隙测量系统包括光源发射单元、入射光纤、光学测量探头、出射光纤、检测单元和pc终端；其中，所述的光源发射单元包括金属盒和安装在金属盒内的第一激光发射器、第二激光发射器和2×1单模光纤耦合器，第一激光发射器和第二激光发射器通过2×1单模光纤耦合器连接在一起；光学测量探头包括非球面透镜、衍射透镜、光栅、反射镜以及望远镜系统；衍射透镜、光栅和反射镜沿非球面透镜的光轴方向间隔距离依次设置；望远镜系统设置在反射镜的反射光束传输路径上；入射光纤的入射端连接在2×1单模光纤耦合器的发射口上，出射端设置在非球面透镜前；出射光纤的入射端连接在望远镜系统的出光口处；检测单元包括第一透镜、分色镜、第二透镜、第一光电探测器、第三透镜和第二光电探测器；出射光纤的出射端放置在第一透镜前；第一透镜和分色镜间隔距离设置在出射光纤出射的激光束的传输路径上；第二透镜和第一光电探测器、第三透镜和第二光电探测器分别间隔距离依次设置在分色镜分成的两条激光束的传输路径上；pc终端分别与第一光电探测器和第二光电探测器电连接。

所述的第一激光发射器采用波长为658nm的单模激光二极管；第二激光发射器采用波长为830nm的单模激光二极管。

所述的出射光纤采用孔径为400μm，数值孔径为0.39的多模光纤束。

本发明提供的采用的激光多普勒频移的航空发动机叶尖间隙测量系统基于激光多普勒相位法测距原理，兼顾稳定性好、精度高、实时性强等要求，并且结构简单，能够适应恶劣的测量环境。

附图说明

图1为本发明提供的采用激光多普勒频移的航空发动机叶尖间隙测量系统结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的采用激光多普勒频移的航空发动机叶尖间隙测量系统包括光源发射单元、入射光纤4、光学测量探头、出射光纤10、检测单元和pc终端17；其中，所述的光源发射单元包括金属盒和安装在金属盒内的第一激光发射器1、第二激光发射器2和2×1单模光纤耦合器3，第一激光发射器1和第二激光发射器2通过2×1单模光纤耦合器3连接在一起；光学测量探头包括非球面透镜5、衍射透镜6、光栅7、反射镜8以及望远镜系统9；衍射透镜6、光栅7和反射镜8沿非球面透镜5的光轴方向间隔距离依次设置；望远镜系统9设置在反射镜8的反射光束传输路径上；入射光纤4的入射端连接在2×1单模光纤耦合器3的发射口上，出射端设置在非球面透镜5前；出射光纤10的入射端连接在望远镜系统9的出光口处；检测单元包括第一透镜11、分色镜12、第二透镜13、第一光电探测器14、第三透镜15和第二光电探测器16；出射光纤10的出射端放置在第一透镜11前；第一透镜11和分色镜12间隔距离设置在出射光纤10出射的激光束的传输路径上；第二透镜13和第一光电探测器14、第三透镜15和第二光电探测器16分别间隔距离依次设置在分色镜12分成的两条激光束的传输路径上；pc终端17分别与第一光电探测器14和第二光电探测器16电连接。

所述的第一激光发射器1采用波长为658nm的单模激光二极管；第二激光发射器2采用波长为830nm的单模激光二极管。

所述的出射光纤10采用孔径为400μm，数值孔径为0.39的多模光纤束。

现将本发明提供的采用激光多普勒频移的航空发动机叶尖间隙测量系统的工作原理阐述如下：

当需要利用本系统测量航空发动机上叶片与机匣之间的叶尖间隙时，首先由工作人员将航空发动机的叶片与机匣放置在光栅7能够形成干涉条纹的测量区域18内，然后开启本系统和航空发动机。由第一激光发射器1和第二激光发射器2发射的波长分别为658nm和830nm的两束激光束首先由2×1单模光纤耦合器3进行耦合，然后耦合后的激光束通过入射光纤4传输给非球面透镜5，由非球面透镜5对上述激光束准直，再被衍射透镜6聚焦；由于衍射透镜6的焦距和波长成反比，因此激光束中两种不同波长的激光束的聚焦位置将在光轴方向上分离；光栅7使这两种波长的激光束分别产生+1，-1级衍射，其它的激光束被光栅7隔离后将在反射镜8的前方形成干涉条纹式的测量区域18；当航空发动机的叶片扫过测量区域18时，带有叶片运动信息的激光束将反射回光学测量探头中的反射镜8并被反射镜8接收，然后反射到望远镜系统9，激光束经由望远镜系统9聚焦至出射光纤10；激光束经过出射光纤10后由第一透镜11转为平行光并入射至分色镜12，由分色镜12分成两束不同的激光束，分别被第二透镜13和第三透镜15聚焦至第一光电探测器14和第二光电探测器16；携带有航空发动机叶片运动信息的激光束由第一光电探测器14和第二光电探测器16送入pc终端17，最后由pc终端17采用基于激光多普勒相位法测距原理的算法进行解算，最终得到航空发动机的叶尖间隙测量值。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。