[摘要]基于光譜共焦測(cè)量技術(shù)搭建了葉尖間隙模擬測(cè)試平臺(tái)，將模擬葉盤安裝在氣浮主軸上，并應(yīng)用光譜共焦位移傳感器實(shí)現(xiàn)了葉尖端面的位移變化量的測(cè)量，以表征葉尖間隙的變化，分別模擬了葉尖間隙的單次測(cè)量和連續(xù)測(cè)量過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用光譜共焦位移傳感器可以完成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖間隙的測(cè)量，而且能夠達(dá)到很高的測(cè)量效率和精度，可以應(yīng)用于實(shí)際的測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)。

[關(guān)鍵詞]葉尖間隙；非接觸；光譜共焦；測(cè)量

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的長足進(jìn)步，世界航空工業(yè)進(jìn)入了全新的發(fā)展時(shí)代。在航空領(lǐng)域中，發(fā)動(dòng)機(jī)是推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分，為飛機(jī)提供持續(xù)飛行的拉力或推力。作為飛機(jī)的核心部件，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于飛行的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等都有著重要影響。當(dāng)前，航空推進(jìn)系統(tǒng)日益向著高轉(zhuǎn)速、高效率、高推重比、高可靠性和高渦輪前溫度的方向發(fā)展，這就對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能提出了更高要求，迫切需要壓氣機(jī)、渦輪等關(guān)鍵部件具備更高的工作效率和更寬的穩(wěn)定工作范圍。而要達(dá)到這一目標(biāo)，就需要著力加強(qiáng)在發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試方面的研究工作。

一般說來，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種高速旋轉(zhuǎn)的熱力機(jī)械，能夠?qū)⑷剂系幕瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為飛機(jī)的動(dòng)能，其各級(jí)轉(zhuǎn)子主要由葉片、輪盤和轉(zhuǎn)軸等部分組成。在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過程中，壓氣機(jī)和渦輪中的轉(zhuǎn)子以很高的轉(zhuǎn)速做定軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其中，各級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的頂端（葉尖）與機(jī)匣內(nèi)壁之間的徑向間距被稱為葉尖間隙（Tip Clearance）。葉尖間隙是關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要參數(shù)之一，間隙過大，會(huì)使葉尖泄露增大，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)效率下降，甚至造成發(fā)動(dòng)機(jī)喘振；而間隙過小，則有可能導(dǎo)致葉片頂端與機(jī)匣內(nèi)壁之間發(fā)生碰撞和摩擦，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至造成發(fā)動(dòng)機(jī)損壞，給飛行帶來巨大的安全隱患。

因此，采取必要的測(cè)試手段對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子葉尖間隙進(jìn)行實(shí)時(shí)有效測(cè)量，從而掌握葉尖間隙的變化規(guī)律，對(duì)于監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)運(yùn)行過程的直接監(jiān)測(cè)和故障診斷，都具有著重要而深遠(yuǎn)的意義。目前，葉尖間隙的測(cè)量方法主要有放電探針測(cè)量法、電渦流測(cè)量法和電容測(cè)量法等。放電探針法適用于導(dǎo)電材質(zhì)的葉片，而且只能測(cè)量旋轉(zhuǎn)葉片的最小葉尖間隙；電渦流法要求葉片材質(zhì)具有導(dǎo)電性，并且葉尖端面要具有一定的厚度；電容法的頻率響應(yīng)性能較差，而且要求葉片材料必須是鐵性材料，應(yīng)用范圍受到一定限制?？梢姡瑐鹘y(tǒng)的測(cè)量方法存在著諸多局限性，不利于葉尖間隙測(cè)量任務(wù)的完成。

隨著光學(xué)、電子學(xué)和傳感技術(shù)等學(xué)科的發(fā)展與進(jìn)步，許多光電傳感器和測(cè)量方法被引入到航空領(lǐng)域中，成功地解決了許多傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)難以或者無法解決的問題。其中，光譜共焦位移傳感器是近年來新出現(xiàn)的一種非接觸式的高精度光電位移傳感器，基于光譜色散原理，能夠?qū)⑽灰菩畔⒕幋a到波長信息中，再通過光譜分析技術(shù)得出被測(cè)位移，系統(tǒng)的分辨率可以達(dá)到微納米量級(jí)，響應(yīng)頻率能夠達(dá)到千赫茲量級(jí)。與傳統(tǒng)的激光三角反射式位移傳感器相比，光譜共焦位移傳感器對(duì)被測(cè)表面的要求更低，允許被測(cè)表面有較大的傾斜角度。此外，它還具有精度高、絕對(duì)式測(cè)量、便于小型化以及對(duì)雜散光有較強(qiáng)的魯棒性等特點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊。國內(nèi)的馬小軍等提出了基于光譜共焦傳感器的金屬薄膜厚度測(cè)量技術(shù)，利用相向?qū)敯惭b的傳感器組、精密位移平臺(tái)等實(shí)現(xiàn)了對(duì)厚度為10~100μm的自支撐金屬薄膜的厚度及厚度分布的精確測(cè)量。朱萬彬等研究了將光譜共焦位移傳感器用于測(cè)量透明材料平板厚度的可行性，并對(duì)其產(chǎn)生的誤差進(jìn)行了詳細(xì)分析，給出了相應(yīng)的補(bǔ)償方法。陳挺等在論述光譜共焦技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，列舉了光譜共焦傳感器在幾何量計(jì)量測(cè)試中的典型應(yīng)用，探討了共焦技術(shù)在未來精密測(cè)量領(lǐng)域中的進(jìn)一步應(yīng)用。

為了實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖間隙的實(shí)時(shí)精確測(cè)量，本文提出了一種基于光譜共焦技術(shù)的葉尖間隙測(cè)量方法。搭建了葉尖間隙模擬測(cè)試系統(tǒng)，將模擬葉盤零件安裝在氣浮主軸上，以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，并將光譜共焦位移傳感器固定在剛性支架上，通過支架的調(diào)整使傳感器處于正確的工作位置。在實(shí)驗(yàn)過程中，首先進(jìn)行單次測(cè)試，完成了單個(gè)葉片頂端位移變化量的測(cè)量；然后進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，旋轉(zhuǎn)模擬葉盤，完成了該葉盤周向上36個(gè)葉片頂端位移變化量的連續(xù)測(cè)量，從而模擬了在發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境中的實(shí)際應(yīng)用效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文選用的光譜共焦位移傳感器具有很高的測(cè)量精度和響應(yīng)頻率，并且體積小、便于安裝，能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙的測(cè)量需求。

1光譜共焦位移傳感器的基本原理

光譜共焦測(cè)量技術(shù)最早由Molesini等人提出，并成功應(yīng)用于表面輪廓儀。隨后，許多科研人員都對(duì)基于光譜共焦原理的測(cè)量技術(shù)開展了深入研究，并在宏觀和微觀測(cè)量領(lǐng)域衍生出了許多應(yīng)用實(shí)例。目前，國外的工業(yè)級(jí)光譜共焦位移傳感器的測(cè)量精度已達(dá)到亞微米級(jí)，響應(yīng)頻率已達(dá)到幾千赫茲。

圖1光譜共焦位移傳感器的工作原理

光譜共焦位移傳感器是在共焦顯微鏡的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其原理類似于共焦顯微鏡，但又有所不同。如圖1所示，傳感器主要由探頭和光譜分析儀兩部分組成，二者可通過光纖連接進(jìn)行信號(hào)傳輸。其中，探頭主要由光源和光學(xué)透鏡組等構(gòu)成。光源采用寬光譜的復(fù)色點(diǎn)光源（呈白光），其出射光束經(jīng)過前置透鏡組后變?yōu)槎嗌叫泄?；然后通過后面的色散透鏡組進(jìn)行光譜分光，形成一系列波長不同的單色光，并將其進(jìn)行同軸聚焦。由此產(chǎn)生光譜色散，將不同波長的光的焦點(diǎn)分散在光軸上的不同位置，從而在有效量程范圍內(nèi)形成了一系列焦點(diǎn)，每個(gè)焦點(diǎn)處的單色光波長都對(duì)應(yīng)一個(gè)軸向位置，由此將位移信息轉(zhuǎn)換為波長信息。最后，聚焦于被測(cè)物體表面的單色光被反射回來，通過分光鏡進(jìn)入成像透鏡組并最終成像在針孔像面上。在此過程中，對(duì)應(yīng)被測(cè)表面位置并滿足共焦條件的單色光將進(jìn)入針孔到達(dá)光譜分析儀，以進(jìn)行后續(xù)處理；而離焦反射的其它光譜則被針孔遮擋，不能進(jìn)入光譜分析儀。

進(jìn)入針孔的單色光到達(dá)光譜分析儀后，可以根據(jù)光信號(hào)確定出此單色光的波長。由于每個(gè)波長都對(duì)應(yīng)著一個(gè)距離值，因而根據(jù)波長就可以推算出相應(yīng)的位移量，實(shí)現(xiàn)位移的精確分辨。光譜分析儀得到的光譜響應(yīng)曲線如圖2所示，橫坐標(biāo)表示波長λ，縱坐標(biāo)表示對(duì)比度I。對(duì)于得到的光譜響應(yīng)曲線，其峰值波長在555nm處，如果被測(cè)物體發(fā)生微小位移，那么在光譜分析儀上就可以得到另外一條光譜響應(yīng)曲線，從而獲得另一個(gè)峰值，這兩個(gè)峰值之差所代表的位移可以根據(jù)色散和波長的關(guān)系得出。

圖2光譜響應(yīng)曲線（長波/nm）

正是基于這種獨(dú)特原理，使得光譜共焦位移傳感器在位移測(cè)量上能夠達(dá)到很高的分辨率和精度。對(duì)于單層和多層的透明物體，除了能準(zhǔn)確測(cè)量該物體位移之外，還可以對(duì)其厚度進(jìn)行單方向測(cè)量。如在測(cè)量薄玻璃片時(shí)，其前后表面都會(huì)反射特定波長的光，在光譜分析儀上能夠獲得具有兩個(gè)峰值的光譜曲線，通過這兩個(gè)峰值就可以推算出玻璃的厚度，這在檢測(cè)一些很薄的物體時(shí)非常有效，如檢測(cè)玻璃紙的厚度等。如果將光譜共焦位移傳感器配置在二維掃描裝置上，還可以用于測(cè)量物體的表面形貌，而普通的共焦顯微鏡則需要三維掃描裝置才能夠?qū)崿F(xiàn)物體形貌的測(cè)量。

2葉尖間隙模擬測(cè)試系統(tǒng)

由于壓氣機(jī)的工作溫度不是很高，而且光學(xué)環(huán)境較好，因此特別適合采用光電傳感器對(duì)葉尖間隙進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量過程中，將傳感器固定在靜子機(jī)匣的內(nèi)壁上，通過傳感器可以獲得葉尖與傳感器之間徑向距離d₁，再與傳感器到機(jī)匣內(nèi)壁之間的距離d₂相加，即可得到待測(cè)的葉尖間隙d的值，即d=d₁+d₂，如圖3所示。而在實(shí)際使用過程中，由于傳感器與靜子機(jī)匣的相對(duì)位置固定，因而d₂的數(shù)值不會(huì)發(fā)生變化，因此葉尖間隙的變化量可以通過d₁來表征。

圖3葉尖間隙的計(jì)算示意圖

為模擬實(shí)際的測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，本文搭建了葉尖間隙模擬測(cè)試系統(tǒng)，如圖4所示，主要包括光譜共焦位移傳感器、剛性支架、模擬葉盤、氣浮主軸、減振底座以及工控機(jī)等。首先，將剛性支架和氣浮主軸固定在減振底座上，并調(diào)整它們之間的相互位置。其次，應(yīng)用工裝夾具將光譜共焦傳感器安裝在剛性支架上，由于該傳感器采用側(cè)向出光方式，其位移測(cè)量的方向與自身軸線垂直，因此應(yīng)通過微調(diào)機(jī)構(gòu)調(diào)整其空間方位，使傳感器的軸線與氣浮主軸的軸線平行。然后，將模擬葉盤安裝在氣浮主軸上，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速很高，因而整個(gè)氣浮主軸系統(tǒng)在使用前需要經(jīng)過動(dòng)平衡調(diào)節(jié)，以使其在高速狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，不發(fā)生危險(xiǎn)。最后，調(diào)整光譜共焦傳感器的軸向位置，使其測(cè)量光束能夠照射到模擬葉盤零件的葉尖上，在葉尖端面上形成測(cè)量點(diǎn)，并處于量程范圍內(nèi)。另外，在氣浮主軸上還安裝有轉(zhuǎn)速同步器，以用于監(jiān)測(cè)主軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角位置，并將其作為光譜共焦傳感器的同步信號(hào)。

圖4葉尖間隙模擬測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖

在間隙傳感器方面，如圖5所示，主要由控制器和探頭組成，它們由一根光纖連接，控制器通過光纖向探頭提供光源，探頭再通過光纖將光信號(hào)傳輸?shù)娇刂破髦羞M(jìn)行光譜分析。該測(cè)量系統(tǒng)可以對(duì)漫反射或鏡面反射物體進(jìn)行高精度的位移測(cè)量，還可以對(duì)透明物體的厚度進(jìn)行測(cè)量。

圖5光譜共焦測(cè)量系統(tǒng)

控制器具有優(yōu)異的信噪比，能夠滿足高精度測(cè)量的需求，測(cè)量速率可以達(dá)到10kHz，并且具有快速表面補(bǔ)光功能，可以通過控制曝光時(shí)間來達(dá)到較高的信號(hào)穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)輸出可以通過Ethernet、EtherCAT、RS422或模擬量輸出來實(shí)現(xiàn)。探頭為光譜共焦式復(fù)合探頭，采用無磨損透鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以進(jìn)行徑向測(cè)量，還能用于有防爆要求的工作領(lǐng)域與真空環(huán)境。該探頭應(yīng)用梯度指數(shù)透鏡與光纖的復(fù)合技術(shù)，具有更大的數(shù)值孔徑，因此可有效增大安全距離并加大安裝傾斜角度。

3? ? ?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文選取的光譜共焦位移傳感器具有較小的尺寸結(jié)構(gòu)和較高的響應(yīng)頻率，非常適合于航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)狹小而惡劣的工作環(huán)境，因此在葉尖間隙測(cè)量方面具有很大的應(yīng)用潛力。為了驗(yàn)證該型傳感器在發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙測(cè)量中的應(yīng)用效果，本文在所搭建的葉尖間隙模擬測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行了單次和連續(xù)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，完成了傳感器應(yīng)用效果的綜合驗(yàn)證。

3.1? ?單次測(cè)試

在本文搭建的模擬測(cè)試系統(tǒng)中，沒有設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的模擬零件，因此間隙傳感器通過剛性支架來模擬在機(jī)匣內(nèi)壁上的安裝狀態(tài)。在葉片劃過測(cè)量區(qū)域的過程中，傳感器的輸出為葉尖端面與傳感器之間位移值，即d₁。由于葉尖端面的厚度很小，因而葉尖間隙值可通過單個(gè)葉片劃過時(shí)傳感器的輸出量的平均值來表征，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

圖6單次測(cè)量實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

通過變頻器控制氣浮主軸的轉(zhuǎn)速，使其以緩慢速度帶動(dòng)模擬葉盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)葉片頂端進(jìn)入光譜共焦傳感器的測(cè)量范圍內(nèi)時(shí)，觸發(fā)傳感器開始數(shù)據(jù)采集；當(dāng)葉片頂端轉(zhuǎn)出傳感器的測(cè)量范圍時(shí)，傳感器停止數(shù)據(jù)采集。在葉片頂端劃過傳感器測(cè)量范圍的過程中，傳感器采集到的測(cè)量數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7單個(gè)葉尖間隙的測(cè)量數(shù)據(jù)

從圖7中可以看出，傳感器在被測(cè)葉片頂端劃過的過程中共采集到580個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，被測(cè)葉片頂端的位移變化量的范圍為0.8311~0.8411mm，變化量的均值為0.8374mm，方差為0.0020mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用光譜共焦位移傳感器能夠滿足單個(gè)葉片葉尖間隙的測(cè)量，可以達(dá)到較高的測(cè)量精度。

3.2? ?連續(xù)測(cè)試

通過控制變頻器調(diào)節(jié)氣浮主軸的轉(zhuǎn)速，使其帶動(dòng)模擬葉盤以1000r/min的速度回轉(zhuǎn)。應(yīng)用光譜共焦位移傳感器進(jìn)行模擬葉盤周向上的36個(gè)葉片的葉片頂端位移變化量的數(shù)據(jù)采集，并以平均值作為每個(gè)葉片最終的葉尖間隙值，動(dòng)態(tài)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。

圖8連續(xù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

計(jì)算得到的模擬葉盤周向上的36個(gè)葉片的葉尖間隙的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，同時(shí)為了便于觀察葉尖間隙的變化趨勢(shì)，將這些數(shù)據(jù)顯示在同一坐標(biāo)系中，如圖9所示?？梢钥闯觯诒疚乃罱ǖ娜~尖間隙模擬測(cè)試系統(tǒng)中，應(yīng)用光譜共焦位移傳感器可以完成對(duì)模擬葉盤全部葉片的葉尖間隙的測(cè)量。傳感器能夠達(dá)到很高的測(cè)量精度和響應(yīng)頻率。從表1和圖9中可以看出，該模擬葉盤上36個(gè)葉片的葉尖間隙值的變化范圍為0.7137~0.8438mm，并且呈現(xiàn)為近似正弦曲線的形狀，這主要是由于在將模擬葉盤安裝在氣浮主軸上時(shí)，存在一定的偏心誤差造成的。由此可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不同軸會(huì)對(duì)葉尖間隙造成影響，因而在發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配過程中，應(yīng)控制轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不同軸誤差在允許的范圍內(nèi)。

圖9連線測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（葉片序號(hào)）

表136個(gè)葉片的葉尖間隙的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4? ? ?結(jié)論

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖間隙的測(cè)量問題，本文探索了光譜共焦位移傳感器在此方面的應(yīng)用效果。光譜共焦位移傳感器基于光譜色散原理，探頭體積小、安裝方便，并且能夠達(dá)到很高的測(cè)量精度和響應(yīng)頻率，能夠滿足葉尖間隙的測(cè)量需求。本文搭建了葉尖間隙模擬測(cè)試系統(tǒng)，應(yīng)用光譜共焦位移傳感器對(duì)安裝在氣浮主軸上的模擬葉盤進(jìn)行測(cè)量，采集葉片頂端位移變化量的數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程中，本文既通過單次測(cè)量完成了單個(gè)葉片逐個(gè)檢測(cè)，又通過連續(xù)測(cè)量完成了旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的每個(gè)葉片葉尖間隙的數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光譜共焦位移傳感器可以用于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖間隙的測(cè)量，從而為我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步提供了一項(xiàng)測(cè)試技術(shù)支持。