[摘要]基于光譜共焦測量技術搭建了葉尖間隙模擬測試平臺，將模擬葉盤安裝在氣浮主軸上，并應用光譜共焦位移傳感器實現了葉尖端面的位移變化量的測量，以表征葉尖間隙的變化，分別模擬了葉尖間隙的單次測量和連續測量過程。實驗結果表明，應用光譜共焦位移傳感器可以完成發動機轉子葉尖間隙的測量，而且能夠達到很高的測量效率和精度，可以應用于實際的測量現場。
[關鍵詞]葉尖間隙；非接觸；光譜共焦；測量
引言
隨著科學技術的長足進步，世界航空工業進入了全新的發展時代。在航空領域中，發動機是推進系統的重要組成部分，為飛機提供持續飛行的拉力或推力。作為飛機的核心部件，發動機對于飛行的安全性、可靠性和經濟性等都有著重要影響。當前，航空推進系統日益向著高轉速、高效率、高推重比、高可靠性和高渦輪前溫度的方向發展，這就對發動機的整體性能提出了更高要求，迫切需要壓氣機、渦輪等關鍵部件具備更高的工作效率和更寬的穩定工作范圍。而要達到這一目標，就需要著力加強在發動機性能測試方面的研究工作。
一般說來，航空發動機是一種高速旋轉的熱力機械，能夠將燃料的化學能轉化為飛機的動能，其各級轉子主要由葉片、輪盤和轉軸等部分組成。在發動機的運行過程中，壓氣機和渦輪中的轉子以很高的轉速做定軸回轉運動，其中，各級轉子葉片的頂端（葉尖）與機匣內壁之間的徑向間距被稱為葉尖間隙（Tip Clearance）。葉尖間隙是關系到發動機性能的重要參數之一，間隙過大，會使葉尖泄露增大，導致發動機效率下降，甚至造成發動機喘振；而間隙過小，則有可能導致葉片頂端與機匣內壁之間發生碰撞和摩擦，影響發動機的安全運轉，甚至造成發動機損壞，給飛行帶來巨大的安全隱患。
因此，采取必要的測試手段對發動機的轉子葉尖間隙進行實時有效測量，從而掌握葉尖間隙的變化規律，對于監測發動機的工作狀態，進而實現發動機整個運行過程的直接監測和故障診斷，都具有著重要而深遠的意義。目前，葉尖間隙的測量方法主要有放電探針測量法、電渦流測量法和電容測量法等。放電探針法適用于導電材質的葉片，而且只能測量旋轉葉片的最小葉尖間隙；電渦流法要求葉片材質具有導電性，并且葉尖端面要具有一定的厚度；電容法的頻率響應性能較差，而且要求葉片材料必須是鐵性材料，應用范圍受到一定限制。可見，傳統的測量方法存在著諸多局限性，不利于葉尖間隙測量任務的完成。
隨著光學、電子學和傳感技術等學科的發展與進步，許多光電傳感器和測量方法被引入到航空領域中，成功地解決了許多傳統測量技術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，能夠將位移信息編碼到波長信息中，再通過光譜分析技術得出被測位移，系統的分辨率可以達到微納米量級，響應頻率能夠達到千赫茲量級。與傳統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被測表面的要求更低，允許被測表面有較大的傾斜角度。此外，它還具有精度高、絕對式測量、便于小型化以及對雜散光有較強的魯棒性等特點，應用前景十分廣闊。國內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量技術，利用相向對頂安裝的傳感器組、精密位移平臺等實現了對厚度為10~100μm的自支撐金屬薄膜的厚度及厚度分布的精確測量。朱萬彬等研究了將光譜共焦位移傳感器用于測量透明材料平板厚度的可行性，并對其產生的誤差進行了詳細分析，給出了相應的補償方法。陳挺等在論述光譜共焦技術原理的基礎上，列舉了光譜共焦傳感器在幾何量計量測試中的典型應用，探討了共焦技術在未來精密測量領域中的進一步應用。
為了實現航空發動機轉子葉尖間隙的實時精確測量，本文提出了一種基于光譜共焦技術的葉尖間隙測量方法。搭建了葉尖間隙模擬測試系統，將模擬葉盤零件安裝在氣浮主軸上，以模擬發動機轉子，并將光譜共焦位移傳感器固定在剛性支架上，通過支架的調整使傳感器處于正確的工作位置。在實驗過程中，首先進行單次測試，完成了單個葉片頂端位移變化量的測量；然后進行連續測試，旋轉模擬葉盤，完成了該葉盤周向上36個葉片頂端位移變化量的連續測量，從而模擬了在發動機環境中的實際應用效果。實驗結果表明，本文選用的光譜共焦位移傳感器具有很高的測量精度和響應頻率，并且體積小、便于安裝，能夠滿足發動機葉尖間隙的測量需求。
1光譜共焦位移傳感器的基本原理
光譜共焦測量技術最早由Molesini等人提出，并成功應用于表面輪廓儀。隨后，許多科研人員都對基于光譜共焦原理的測量技術開展了深入研究，并在宏觀和微觀測量領域衍生出了許多應用實例。目前，國外的工業級光譜共焦位移傳感器的測量精度已達到亞微米級，響應頻率已達到幾千赫茲。
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上發展起來的，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行信號傳輸。其中，探頭主要由光源和光學透鏡組等構成。光源采用寬光譜的復色點光源（呈白光），其出射光束經過前置透鏡組后變為多色平行光；然后通過后面的色散透鏡組進行光譜分光，形成一系列波長不同的單色光，并將其進行同軸聚焦。由此產生光譜色散，將不同波長的光的焦點分散在光軸上的不同位置，從而在有效量程范圍內形成了一系列焦點，每個焦點處的單色光波長都對應一個軸向位置，由此將位移信息轉換為波長信息。最后，聚焦于被測物體表面的單色光被反射回來，通過分光鏡進入成像透鏡組并最終成像在針孔像面上。在此過程中，對應被測表面位置并滿足共焦條件的單色光將進入針孔到達光譜分析儀，以進行后續處理；而離焦反射的其它光譜則被針孔遮擋，不能進入光譜分析儀。
進入針孔的單色光到達光譜分析儀后，可以根據光信號確定出此單色光的波長。由于每個波長都對應著一個距離值，因而根據波長就可以推算出相應的位移量，實現位移的精確分辨。光譜分析儀得到的光譜響應曲線如圖2所示，橫坐標表示波長λ，縱坐標表示對比度I。對于得到的光譜響應曲線，其峰值波長在555nm處，如果被測物體發生微小位移，那么在光譜分析儀上就可以得到另外一條光譜響應曲線，從而獲得另一個峰值，這兩個峰值之差所代表的位移可以根據色散和波長的關系得出。
圖2光譜響應曲線（長波/nm）
正是基于這種獨特原理，使得光譜共焦位移傳感器在位移測量上能夠達到很高的分辨率和精度。對于單層和多層的透明物體，除了能準確測量該物體位移之外，還可以對其厚度進行單方向測量。如在測量薄玻璃片時，其前后表面都會反射特定波長的光，在光譜分析儀上能夠獲得具有兩個峰值的光譜曲線，通過這兩個峰值就可以推算出玻璃的厚度，這在檢測一些很薄的物體時非常有效，如檢測玻璃紙的厚度等。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實現物體形貌的測量。
2葉尖間隙模擬測試系統
由于壓氣機的工作溫度不是很高，而且光學環境較好，因此特別適合采用光電傳感器對葉尖間隙進行測量。在測量過程中，將傳感器固定在靜子機匣的內壁上，通過傳感器可以獲得葉尖與傳感器之間徑向距離d1，再與傳感器到機匣內壁之間的距離d2相加，即可得到待測的葉尖間隙d的值，即d=d1+d2，如圖3所示。而在實際使用過程中，由于傳感器與靜子機匣的相對位置固定，因而d2的數值不會發生變化，因此葉尖間隙的變化量可以通過d1來表征。
圖3葉尖間隙的計算示意圖
為模擬實際的測量現場，本文搭建了葉尖間隙模擬測試系統，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等。首先，將剛性支架和氣浮主軸固定在減振底座上，并調整它們之間的相互位置。其次，應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向出光方式，其位移測量的方向與自身軸線垂直，因此應通過微調機構調整其空間方位，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，由于發動機轉子的轉速很高，因而整個氣浮主軸系統在使用前需要經過動平衡調節，以使其在高速狀態下穩定運轉，不發生危險。最后，調整光譜共焦傳感器的軸向位置，使其測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量點，并處于量程范圍內。另外，在氣浮主軸上還安裝有轉速同步器，以用于監測主軸的轉速和轉角位置，并將其作為光譜共焦傳感器的同步信號。
圖4葉尖間隙模擬測試系統的結構簡圖
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傳輸到控制器中進行光譜分析。該測量系統可以對漫反射或鏡面反射物體進行高精度的位移測量，還可以對透明物體的厚度進行測量。
圖5光譜共焦測量系統
控制器具有優異的信噪比，能夠滿足高精度測量的需求，測量速率可以達到10kHz，并且具有快速表面補光功能，可以通過控制曝光時間來達到較高的信號穩定性。數據輸出可以通過Ethernet、EtherCAT、RS422或模擬量輸出來實現。探頭為光譜共焦式復合探頭，采用無磨損透鏡系統設計，可以進行徑向測量，還能用于有防爆要求的工作領域與真空環境。該探頭應用梯度指數透鏡與光纖的復合技術，具有更大的數值孔徑，因此可有效增大安全距離并加大安裝傾斜角度。
3? ? ?實驗驗證
本文選取的光譜共焦位移傳感器具有較小的尺寸結構和較高的響應頻率，非常適合于航空發動機內狹小而惡劣的工作環境，因此在葉尖間隙測量方面具有很大的應用潛力。為了驗證該型傳感器在發動機葉尖間隙測量中的應用效果，本文在所搭建的葉尖間隙模擬測試系統上進行了單次和連續的測試實驗，完成了傳感器應用效果的綜合驗證。
3.1? ?單次測試
在本文搭建的模擬測試系統中，沒有設計發動機機匣的模擬零件，因此間隙傳感器通過剛性支架來模擬在機匣內壁上的安裝狀態。在葉片劃過測量區域的過程中，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葉片劃過時傳感器的輸出量的平均值來表征，實驗現場如圖6所示。
圖6單次測量實驗現場
通過變頻器控制氣浮主軸的轉速，使其以緩慢速度帶動模擬葉盤勻速轉動。當葉片頂端進入光譜共焦傳感器的測量范圍內時，觸發傳感器開始數據采集；當葉片頂端轉出傳感器的測量范圍時，傳感器停止數據采集。在葉片頂端劃過傳感器測量范圍的過程中，傳感器采集到的測量數據如圖7所示。
圖7單個葉尖間隙的測量數據
從圖7中可以看出，傳感器在被測葉片頂端劃過的過程中共采集到580個數據點，被測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。實驗結果表明，應用光譜共焦位移傳感器能夠滿足單個葉片葉尖間隙的測量，可以達到較高的測量精度。
3.2? ?連續測試
通過控制變頻器調節氣浮主軸的轉速，使其帶動模擬葉盤以1000r/min的速度回轉。應用光譜共焦位移傳感器進行模擬葉盤周向上的36個葉片的葉片頂端位移變化量的數據采集，并以平均值作為每個葉片最終的葉尖間隙值，動態測試的實驗現場如圖8所示。
圖8連續測量實驗現場
計算得到的模擬葉盤周向上的36個葉片的葉尖間隙的實驗數據如表1所示，同時為了便于觀察葉尖間隙的變化趨勢，將這些數據顯示在同一坐標系中，如圖9所示。可以看出，在本文所搭建的葉尖間隙模擬測試系統中，應用光譜共焦位移傳感器可以完成對模擬葉盤全部葉片的葉尖間隙的測量。傳感器能夠達到很高的測量精度和響應頻率。從表1和圖9中可以看出，該模擬葉盤上36個葉片的葉尖間隙值的變化范圍為0.7137~0.8438mm，并且呈現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，存在一定的偏心誤差造成的。由此可以看出，發動機轉子不同軸會對葉尖間隙造成影響，因而在發動機的裝配過程中，應控制轉子系統的不同軸誤差在允許的范圍內。
圖9連線測量的實驗數據（葉片序號）
表136個葉片的葉尖間隙的實驗數據
4? ? ?結論
針對航空發動機轉子葉尖間隙的測量問題，本文探索了光譜共焦位移傳感器在此方面的應用效果。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，并且能夠達到很高的測量精度和響應頻率，能夠滿足葉尖間隙的測量需求。本文搭建了葉尖間隙模擬測試系統，應用光譜共焦位移傳感器對安裝在氣浮主軸上的模擬葉盤進行測量，采集葉片頂端位移變化量的數據。在實驗驗證過程中，本文既通過單次測量完成了單個葉片逐個檢測，又通過連續測量完成了旋轉狀態下的每個葉片葉尖間隙的數據采集，系統具有良好的應用性能。實驗結果表明，光譜共焦位移傳感器可以用于發動機轉子葉尖間隙的測量，從而為我國航空發動機技術的進步提供了一項測試技術支持。