衍射透镜在多普勒叶尖间隙检测系统中的应用

　　0　引　言

　　发动机是航空、舰船、电力、能源工业广泛应用的重要装置,它由高速旋转的转子、静子和机匣组成,发动机转子主要由叶片、轮盘和轴三部分组成,通常以很高的转速工作,发动机叶尖间隙是指发动机各级转子叶片叶尖与发动机机匣之间的距离,它对发动机性能有很大影响。叶尖间隙过大,会使叶尖泄露增大,导致发动机效率下降,甚至会引起发动机喘振;叶尖间隙过小,则会因叶尖与机匣之间的摩擦,影响发动机的安全运转甚至导致发动机损坏。欧美等航空发达国家对于转子叶尖间隙对涡轮性能影响的研究表明:叶尖间隙与叶高之比每增加0.01,涡轮效率就降低0.8%~1.2%,而效率每降低1%,耗油率约增加2%。为此对发动机的叶尖径向间隙进行实时监测显得尤为重要。测量叶片叶尖间隙有很多方法,如探针法、电容法、电涡流法、光导探针法和光强度调制法等[1]。然而,这些方法所测的分辨率最高也只有50μm。此外,探针法和电涡流法都对材料有一定的要求,新型的塑料和陶瓷材料则无法测量;探针法的机械结构复杂,由于它是接触式测量,一旦发动机紧急停车,探针缩回不到安全位置,就容易发生故障;电容本身的内阻很高,因此电容法对绝缘有很高的要求;光强度调制法的仪器装调难度大,要求光纤端面与反射物体严格垂直,这是很难做到的。Lars Buttner等人提出了激光多普勒叶片旋转检测系统[2,3],该系统不仅克服了传统仪器的缺点,而且它的测量精度在波长量级(1μm),能够很好地满足测量要求。

　　1　激光多普勒叶片旋转检测系统

　　激光多普勒叶片旋转检测系统的整体系统框图如图1所示,光学测量头和光源以及探测部分通过光纤连接。

　　激光多普勒叶尖间隙传感器的原理是根据条纹间距确定测量物体的轴向位置。波长为660nm和830nm的激光经过光纤耦合传输到光学测量部分。光学测量探头内光纤出射的光束被一个非球面透镜准直,再被一个衍射透镜聚焦,由于衍射透镜的焦距和波长成反比,这两种光波的聚焦位置将在光轴方向上分离,波长为830nm的光束的聚焦位置落在光栅的前面,波长为660nm的光束的聚焦位置落在光栅的后面。光栅使这两种波长的激光束分别产生+l,-1级衍射,其它的光束用挡板隔离。然后用一个消除色差的开普勒透镜组准直光束,并且再一次聚焦,消色差的透镜组确保了这两部分光在相同的轴向位置分开。由于高斯光束的传输特性,两束光的条纹间距d不是常数,而是光轴方向z的函数d(z)。因此,物体通过测量体时得到的调制多普勒频率f= v/d (v为物体的速度,d为是条纹间距)同样也是z的函数(f1,2= f1,2(z))。通过探测部分得到调制信号的频率后,物体通过测量体的坐标可由下面的函数确定