具有截止波導(dǎo)輻射口的點頻高速微波近距測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微波領(lǐng)域，尤其是微波近距測量的領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，發(fā)動機的性能不斷提高，結(jié)構(gòu)日益向高轉(zhuǎn)速、高效率、高精度、高可靠性的趨勢發(fā)展。渦輪發(fā)動機的葉尖間隙動態(tài)對發(fā)動機的性能至關(guān)重要，發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片徑向間隙控制是改善發(fā)動機氣動性能、提高發(fā)動機效率的非常重要的環(huán)節(jié)。葉尖間隙每增加葉片長度的I %，效率約降低1.5%，而效率每降低I %，耗油率約增加2 %。在發(fā)動機工作中，保持良好的葉尖間隙配合可以減少工作介質(zhì)泄露，減小端壁損失從而可以進一步提高發(fā)動機性能。
[0003]目前，葉片尖端間隙的測量技術(shù)主要有放電探針測量法、電渦流測量法、微波測量法、超聲波測量法、電容測量法、X射線測量法、激光光學(xué)測量法及光纖測量法。
[0004]微波葉尖間隙傳感器的工作原理與短程雷達系統(tǒng)極其相似，傳感器向目標發(fā)送連續(xù)的微波信號并測量反射信號。傳統(tǒng)的微波法測量葉尖間隙是通過測量輸入輸出信號的相差來確定待測目標與傳感器的距離。對于微波范圍來說，相位差的測量相對比較困難，測量范圍小，測量精度低，不適合高速高精度測量。因此要實現(xiàn)高速高精度測量的測量傳統(tǒng)微波方法并不能滿足要求，而如何優(yōu)化改進傳統(tǒng)微波法測量葉尖間隙成為了我們的研究方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對傳統(tǒng)微波法測量葉尖間隙存在相位差測量困難、精度低、測量范圍小的問題，本發(fā)明設(shè)計了一種新的微波測量方法，通過測量反射電壓來計算相對應(yīng)葉尖間距，并且具有測量范圍可調(diào)的特點，避免傳統(tǒng)微波法所存在的問題的同時，繼承微波法測量的優(yōu)點，從而提高測量精度和測量速度并且可根據(jù)應(yīng)用調(diào)節(jié)測量范圍。
[0006]本發(fā)明利用諧振腔作為傳感器，在輸出頻率固定條件下，當待測距離發(fā)生變化時，諧振腔表現(xiàn)出不同的諧振特性，諧振特性的改變，引起反射信號強度的變化，當待測距離滿足一定范圍條件時，反射信號的強度與待測目標和傳感器之間的距離有一一對應(yīng)的關(guān)系，通過測量反射信號的強度即可確定待測距離。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0008]步驟1:搭建測試系統(tǒng)
[0009]測試系統(tǒng)由PC模塊、信號源模塊、三端口定向耦合器模塊、微波傳感器模塊、數(shù)據(jù)測量采集模塊組成；
[0010]所述PC模塊主要為人機交互界面，對信號源模塊的控制以及對數(shù)據(jù)測量采集模塊測量數(shù)據(jù)的提取與分析，在用戶界面顯示葉尖間距測量結(jié)果信息；
[0011 ] 所述信號源模塊對微波傳感器模塊提供微波信號；
[0012]所述三端口定向耦合器模塊實現(xiàn)信號源模塊、微波傳感器模塊、數(shù)據(jù)測量采集模塊的連接，信號源模塊接三端口定向耦合器的I端口，微波傳感器模塊接三端口定向耦合器的2端口，數(shù)據(jù)測量采集模塊接三端口定向耦合器的3端口，輸入信號通過I端口輸入，從2端口輸出作用在微波傳感器上，傳感器反射信號通過2端口輸入，耦合到副臂中從3端口輸出；
[0013]所述微波傳感器模塊完成待測距離信息到諧振特性的轉(zhuǎn)換，將不同的待測距離信息轉(zhuǎn)換成不同的諧振特性；
[0014]所述數(shù)據(jù)測量采集模塊由檢波電路、放大電路、采樣卡組成，檢波電路將微波傳感器輸出微波信號進行轉(zhuǎn)化，將微波反射信號轉(zhuǎn)換為電壓值，經(jīng)放大電路放大后，通過采樣卡進行AD采樣，將采集數(shù)據(jù)傳回PC模塊進行分析及計算；
[0015]步驟2:PC控制信號源模塊產(chǎn)生點頻微波信號，該點頻信號的頻率為諧振腔傳感器固有的諧振頻率；
[0016]步驟3:將點頻微波信號從三端口定向耦合器的I端口輸入，三端口定向耦合器2端口連接諧振腔傳感器，諧振腔傳感器正對待測葉尖，3端口連接檢波計；
[0017]步驟4:通過三端口定向耦合器的3端口的檢波計測量到該處的信號強度，并將檢波計返回電壓信號放大；
[0018]步驟5:根據(jù)電壓與距離關(guān)系，將測量電壓值進行換算，即可得到待測葉尖間隙。
[0019]本發(fā)明的有益效果是由于本發(fā)明測量結(jié)果為電壓信號而非輸入輸出信號之間的相位差，相比于傳統(tǒng)的葉尖間隙測量的微波方法簡單且易于實現(xiàn)，測量更為容易、準確，且諧振特性不易受環(huán)境等因素影響，測量精度得到顯著提高，另外，諧振腔具有截止波導(dǎo)輻射口，通過對截止波導(dǎo)的調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)對測量范圍的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)測量范圍的可控，并且滿足高速測量要求，可實現(xiàn)高速高精度測量。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明的測量架構(gòu)圖。
[0021]圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)工作流程圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0023]步驟1:搭建測試系統(tǒng)
[0024]測試系統(tǒng)由PC模塊、信號源模塊、三端口定向耦合器模塊、微波傳感器模塊、數(shù)據(jù)測量采集模塊組成；
[0025]所述PC模塊主要為人機交互界面，對信號源模塊的控制以及對數(shù)據(jù)測量采集模塊測量數(shù)據(jù)的提取與分析，在用戶界面顯示葉尖間距測量結(jié)果信息。
[0026]所述信號源模塊對微波傳感器模塊提供微波信號。
[0027]所述三端口定向耦合器模塊實現(xiàn)信號源模塊、微波傳感器模塊、數(shù)據(jù)測量采集模塊的連接，信號源模塊接三端口定向耦合器的I端口，微波傳感器模塊接三端口定向耦合器的2端口，數(shù)據(jù)測量采集模塊接三端口定向耦合器的3端口，輸入信號通過I端口輸入，從2端口輸出作用在微波傳感器上，傳感器反射信號通過2端口輸入，耦合到副臂中從3端口輸出；
[0028]所述微波傳感器模塊完成待測距離信息到諧振特性的轉(zhuǎn)換，將不同的待測距離信息轉(zhuǎn)換成不同的諧振特性。
[0029]所述數(shù)據(jù)測量采集模塊由檢波電路、放大電路、采樣卡組成，檢波電路將微波傳感器輸出微波信號進行轉(zhuǎn)化，將微波反射信號轉(zhuǎn)換為電壓值，經(jīng)放大電路放大后，通過采樣卡進行AD采樣，將采集數(shù)據(jù)傳回PC模塊進行分析及計算；
[0030]步驟2:PC控制信號源模塊產(chǎn)生點頻微波信號，該點頻信號的頻率為諧振腔傳感器固有的諧振頻率；
[0031]步驟3:將點頻微波信號從三端口定向耦合器的I端口輸入，三端口定向耦合器2端口連接諧振腔傳感器，諧振腔傳感器正對待測葉尖，3端口連接檢波計；
[0032]步驟4:通過三端口定向耦合器的3端口的檢波計測量到該處的信號強度，并將檢波計返回電壓信號放大；
[0033]步驟5:根據(jù)已知的電壓與距離的函數(shù)關(guān)系式，代入測量電壓值，即可得到待測葉尖間隙。
[0034]在PC機上編寫控制程序及數(shù)據(jù)處理程序，PC機控制信號源向三端口定向耦合器輸出能量，正向能量通過耦合器主壁傳到具有截止波導(dǎo)的傳感器，傳感器終端接模擬機匣，模擬葉片安裝在機匣后面。具有截止波導(dǎo)的傳感器對葉尖與機匣的距離比較敏感，在不同的葉尖距離的情況時傳感器的諧振特性就會發(fā)生變化，而且傳感器的諧振特性與葉尖距離的變化是一一對應(yīng)的，因此，測量傳感器的諧振特性就可以求出葉尖距離。
[0035]諧振特性的測量是通過測量傳感器的反射信號強度來實現(xiàn)的，因為輸入信號相同的情況下，反射信號的變化即代表了諧振特性的變化。根據(jù)三端口定向耦合器原理可知，具有截止波導(dǎo)的傳感器的反射能量通過三端口定向耦合器主臂按一定的耦合度耦合到副臂輸出，在副壁接入微波檢波裝置，通過檢波計對副臂輸出信號進行檢測，將微波能量轉(zhuǎn)化為直流電壓，對直流電壓進行放大和AD采樣，將電壓值返回PC機進行數(shù)據(jù)處理即可得到相對應(yīng)的葉尖距離。由于截止波導(dǎo)的長度和輻射口開口大小的變化對諧振特性對待測距離參數(shù)的敏感程度影響較大，故通過調(diào)節(jié)截止波導(dǎo)的長度參數(shù)與輻射口的大小，實現(xiàn)對測量范圍大小的調(diào)節(jié)。
【主權(quán)項】
1.一種具有截止波導(dǎo)輻射口的點頻高速微波近距測量方法，其特征在于包括下述步驟: 步驟1:搭建測試系統(tǒng) 測試系統(tǒng)由PC模塊、信號源模塊、三端口定向耦合器模塊、微波傳感器模塊、數(shù)據(jù)測量采集模塊組成； 所述PC模塊主要為人機交互界面，對信號源模塊的控制以及對數(shù)據(jù)測量采集模塊測量數(shù)據(jù)的提取與分析，在用戶界面顯示葉尖間距測量結(jié)果信息； 所述信號源模塊對微波傳感器模塊提供微波信號； 所述三端口定向耦合器模塊實現(xiàn)信號源模塊、微波傳感器模塊、數(shù)據(jù)測量采集模塊的連接，信號源模塊接三端口定向耦合器的1端口，微波傳感器模塊接三端口定向耦合器的2端口，數(shù)據(jù)測量采集模塊接三端口定向耦合器的3端口，輸入信號通過1端口輸入，從2端口輸出作用在微波傳感器上，傳感器反射信號通過2端口輸入，耦合到副臂中從3端口輸出； 所述微波傳感器模塊完成待測距離信息到諧振特性的轉(zhuǎn)換，將不同的待測距離信息轉(zhuǎn)換成不同的諧振特性； 所述數(shù)據(jù)測量采集模塊由檢波電路、放大電路、采樣卡組成，檢波電路將微波傳感器輸出微波信號進行轉(zhuǎn)化，將微波反射信號轉(zhuǎn)換為電壓值，經(jīng)放大電路放大后，通過采樣卡進行AD采樣，將采集數(shù)據(jù)傳回PC模塊進行分析及計算； 步驟2:PC控制信號源模塊產(chǎn)生點頻微波信號，該點頻信號的頻率為諧振腔傳感器固有的諧振頻率； 步驟3:將點頻微波信號從三端口定向耦合器的1端口輸入，三端口定向耦合器2端口連接諧振腔傳感器，諧振腔傳感器正對待測葉尖，3端口連接檢波計； 步驟4:通過三端口定向耦合器的3端口的檢波計測量到該處的信號強度，并將檢波計返回電壓信號放大； 步驟5:根據(jù)電壓與距離關(guān)系，將測量電壓值進行換算，即可得到待測葉尖間隙。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種具有截止波導(dǎo)輻射口的點頻高速微波近距測量方法，利用諧振腔作為傳感器，當待測距離發(fā)生變化時，諧振腔表現(xiàn)出不同的諧振特性，引起反射信號強度的變化，當待測距離滿足一定范圍條件時，通過測量反射信號的強度即可確定待測距離，由于本發(fā)明測量結(jié)果為電壓信號而非相位差，簡單且易于實現(xiàn)，測量更為容易準確，且諧振特性不易受環(huán)境等因素影響，測量精度得到顯著提高，諧振腔具有截止波導(dǎo)輻射口，通過對截止波導(dǎo)的調(diào)節(jié)實現(xiàn)對測量范圍的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)測量范圍的可控，并且滿足高速測量要求，可實現(xiàn)高速高精度測量。
【IPC分類】G01B15/00
【公開號】CN105352457
【申請?zhí)枴緾N201510864195
【發(fā)明人】韋高, 任亮, 張申達, 韓賀飛, 朱朕賓
【申請人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年11月30日