基于变容二极管的电容式叶尖间隙测量系统的响应带宽测量装置及方法
本发明涉及叶尖间隙测量领域，尤其涉及一种电容式叶尖间隙测量系统带宽测量装置及设计方法。
背景技术：
1、在航空发动机、燃气轮机、汽轮机等旋转机械中，转子叶片顶端与机匣内壁之间的微小距离称为叶尖间隙，是影响旋转机械性能的重要参数之一，叶尖间隙测量技术对提高旋转机械性能、保障旋转机械安全运行具有重要的意义。电容式叶尖间隙测量方法因其具备耐高温、抗燃气腐蚀、低介入、非接触、在线、实时等优势，被广泛应用于叶尖间隙的工程试验测试。
2、电容式叶尖间隙测量系统由电容传感器、电缆、间隙信号解调模块、采集与处理模块、上位机软件构成，基于平行平板电容原理，通过测量传感器芯极与转子叶尖间的电容实现叶尖间隙的测量。由于电容式叶尖间隙测量系统为在线测量，为保证叶片旋转至最高转速状态下的测量精度和分辨力，要求测量系统具有较高的响应带宽，而如何准确测量系统响应带宽成为亟待解决的关键问题。
3、为测量系统响应带宽范围，一般产生不同频率的测试信号来模拟系统输入，同时观察系统输出信号的幅值变化。但是，电容式叶尖间隙测量系统的输入信号为传感器芯极与转子叶片间变化的电容信号，而现有的装置和方法无法生成标准电容信号来模拟系统输入，若电压测试信号作为输入信号会忽略系统电容-电压转换过程，导致系统响应带宽测量精度较低。
技术实现思路
1、本发明的目的是克服现有的装置和方法无法生成标准电容信号来模拟系统输入，直接以标准电压信号作为输入则会忽略系统电容-电压转换对响应带宽的影响，导致响应带宽的测量精度较低等缺点，提供一种能够直接生成标准电容信号，实现系统响应带宽高精度测量的测量装置和测量方法。
2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
3、一种基于变容二极管的电容式叶尖间隙测量系统的响应带宽测量装置，电容式叶尖间隙测量系统由依次相连的电容传感器、测量系统主机和上位机组成，所述测量系统主机包括信号解调模块和采集模块，电容传感器由相互连接的传感器探头和三同轴电缆组成，三同轴电缆包括一长一短两段，短段的三同轴电缆固定在传感器探头尾部，并通过sma接头与长段的三同轴电缆连接，以便将三同轴电缆应用于不同电容传感器探头上；测量基于平板电容原理，传感器探头的芯极构成可变电容的一个极板，旋转叶片构成可变电容的另一个极板，通过测量两个极板之间的电容变化获取叶尖间隙信号，传感器探头获取的叶尖间隙信号经三同轴电缆传输至测量系统主机；
4、所述信号解调模块对电容传感器输出的叶尖间隙信号进行信号解调，将叶尖间隙信号转变为电压信号；采集模块对上述电压信号进行数据采集和初步处理，并将数据传输给上位机；上位机对数据进一步处理得到叶尖间隙值，同时进行数据存储和数值显示；
5、将响应带宽测量装置替换所述传感器探头并通过sma接头与长段的三同轴电缆连接，采用变容二极管模拟旋转叶片叶尖扫过电容传感器探头所引发的电容变化；响应带宽测量装置由变容二极管d、电阻r1、第一电容c1和第二电容c2组成；第二电容c2与变容二极管d并联后的两端分别与电阻r1和第一电容c1串联，所述第一电容c1与长段的三同轴电缆连接，响应带宽测量装置的输入端与电阻r1连接。
6、进一步的，响应带宽测量装置的输入电压v，v＝v0+v′，其中v0为直流电压，确保变容二极管d处于反偏状态；v′为正弦交流电压，频率为f，控制变容二极管d的电容随电压的变化而变化。
7、进一步的，电阻r1起到保护电源的作用，防止在变容二极管d被击穿时电源短接大地，取值范围为1～10kω。
8、进一步的，采用第一电容c1和第二电容c2作为分压电容，通过改变第一电容c1和第二电容c2的电容值来调节响应带宽测量装置整体的电容值；第一电容c1还具有隔直功能。
9、进一步的，在电压v的输入下，变容二极管d等效为电容cx和电容δcx的并联，其中cx由直流电压v0决定，δcx随正弦交流电压v′的变化而变化，δcx的变化频率为正弦交流电压v′的频率f，设变容二极管d的电容线性变化范围为[-δ，δ]；
10、响应带宽测量装置中电路的电容值ctest为：
11、
12、令电容c0＝cx+c2，则
13、进一步的，对第一电容c1和第二电容c2的选择，包括：
14、1)为实现长电缆信号传输，测量系统主机在三同轴电缆的芯极和外壳之间接入了频率为f1的交流电压v1′，v1′的频率和幅值由信号解调模块确定，无法消除，为减小交流电压v1′对带宽测量的干扰，调节第一电容c1和第二电容c2的值，使交流电压v1′的作用小于输入电压v作用的1/10，因此电容c0和变容二极管的变化电容δcx的和大于第一电容c1电容值的10倍，即：
15、c0+δcx＞10c1
16、2)使变容二极管d的变化电容δcx增大，增加对ctest的影响；令δcx∈[-δ，δ]，δ＞0，设则：
17、
18、若ctest的变化量取最大值，需增大取值，同时增大取值；
19、3)电容式叶尖间隙测量系统要求模拟叶片扫过传感器探头前后的电容变化量0pf＜|ctest|＜1pf其中ctest＝ctest，maxctest，min，则：
20、
21、推导ctest随c1的变化关系：
22、
23、由于c0＞＞δ，因此即增大c1取值；
24、推导ctest随c0的变化关系：
25、
26、因此，减小c0取值；
27、推导ctest随δ的变化关系：
28、
29、因此，增大δ取值；
30、在开展响应带宽测量实验前，估计叶片扫过传感器探头过程中电容变化的最大值，以选择c1和c2的值。
31、本发明还提供一种基于所述响应带宽测量装置的测量方法，包括：
32、利用响应带宽测量装置对电容式叶尖间隙测量系统的带宽进行测量，响应带宽测量装置产生不同频率的变化电容测试信号，经长段的三同轴电缆传递至信号解调模块输出电压信号，之后将对应的输出电压信号进行采集和存储，最终对比不同频率下输出信号的幅值，获取叶尖间隙测量系统的带宽。
33、进一步的，具体步骤如下：
34、s1.安装调试待测实验设备；
35、s2.在待测实验设备上设置的待测频带范围内选取n个不同频率的待测频率点；
36、s3.依次调整响应带宽测量装置的控制信号频率为n个待测频率点的频率，记录在不同测试频率下的信号解调模块输出电压，比较输出信号幅值，当输出信号幅值降低到最大幅值的0.707倍后，获取的频率上限值减去下限值，即为叶尖间隙测量系统带宽；若待测实验设备输出的信号幅值满足要求，则待测设备的带宽为所选取的工作频带范围，若幅值不满足要求，则待测实验设备的带宽小于工作频带范围，待测实验设备不满足要求。
37、与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
38、1.提高测量精度：本发明通过生成标准电容信号直接作为输入，避免了传统方法中电容-电压转换过程中的误差，从而显著提高了系统响应带宽测量的精度。
39、2.增强适应性：该装置和方法可适用于各种类型的电容式叶尖间隙测量系统，广泛适用于航空发动机、燃气轮机、汽轮机等旋转机械中的叶尖间隙测量，提高了系统的适用范围和实用性。
40、3.简化测量过程：本发明的测量方法简化了响应带宽测量的过程，不需要额外的转换装置或复杂的信号处理程序，使得测量过程更加直观和高效。
41、4.实时在线测量：本发明的测量装置和方法支持实时在线测量，能够在旋转机械运行过程中动态监测叶尖间隙的变化，保障了旋转机械的安全运行。
42、5.提高系统稳定性：由于本发明直接生成标准电容信号模拟系统输入，避免了传统方法中由于转换误差导致的系统不稳定问题，提高了整体测量系统的稳定性和可靠性。且生成的标准电容信号频率可调，幅值可调。
43、6.经济高效：本发明的装置设计合理，结构简单，易于小型化，方便携带，能够有效降低系统的整体成本，同时提高了测量效率和系统维护的便捷性。且可根据用户需求和应用场景设计。
技术特征：
1.一种基于变容二极管的电容式叶尖间隙测量系统的响应带宽测量装置，电容式叶尖间隙测量系统由依次相连的电容传感器、测量系统主机和上位机组成，所述测量系统主机包括信号解调模块和采集模块，电容传感器由相互连接的传感器探头和三同轴电缆组成，三同轴电缆包括一长一短两段，短段的三同轴电缆固定在传感器探头尾部，并通过sma接头与长段的三同轴电缆连接，以便将三同轴电缆应用于不同电容传感器探头上；测量基于平板电容原理，传感器探头的芯极构成可变电容的一个极板，旋转叶片构成可变电容的另一个极板，通过测量两个极板之间的电容变化获取叶尖间隙信号，传感器探头获取的叶尖间隙信号经三同轴电缆传输至测量系统主机；所述信号解调模块对电容传感器输出的叶尖间隙信号进行信号解调，将叶尖间隙信号转变为电压信号；采集模块对上述电压信号进行数据采集和初步处理，并将数据传输给上位机；上位机对数据进一步处理得到叶尖间隙值，同时进行数据存储和数值显示；其特征在于，
2.根据权利要求1所述基于变容二极管的电容式叶尖间隙测量系统的响应带宽测量装置，其特征在于，响应带宽测量装置的输入电压v，v＝v0+v′，其中v0为直流电压，确保变容二极管d处于反偏状态；v′为正弦交流电压，频率为f，控制变容二极管d的电容随电压的变化而变化。
3.根据权利要求1所述基于变容二极管的电容式叶尖间隙测量系统的响应带宽测量装置，其特征在于，电阻r1起到保护电源的作用，防止在变容二极管d被击穿时电源短接大地，取值范围为1～10kω。
4.根据权利要求1所述基于变容二极管的电容式叶尖间隙测量系统的响应带宽测量装置，其特征在于，采用第一电容c1和第二电容c2作为分压电容，通过改变第一电容c1和第二电容c2的电容值来调节响应带宽测量装置整体的电容值；第一电容c1还具有隔直功能。
5.根据权利要求1所述基于变容二极管的电容式叶尖间隙测量系统的响应带宽测量装置，其特征在于，在电压v的输入下，变容二极管d等效为电容cx和电容δcx的并联，其中cx由直流电压v0决定，δcx随正弦交流电压v′的变化而变化，δcx的变化频率为正弦交流电压v′的频率f，设变容二极管d的电容线性变化范围为[-δ，δ]；
6.根据权利要求5所述基于变容二极管的电容式叶尖间隙测量系统的响应带宽测量装置，其特征在于，对第一电容c1和第二电容c2的选择，包括：
7.一种基于权利要求1-6任意一项所述响应带宽测量装置的测量方法，其特征在于，包括：
8.根据权利要求7所述响应带宽测量装置的测量方法，其特征在于，具体步骤如下：
技术总结
本发明公开一种基于变容二极管的电容式叶尖间隙测量系统的响应带宽测量装置及方法，电容式叶尖间隙测量系统由依次相连的电容传感器、测量系统主机和上位机组成，测量系统主机包括信号解调模块和采集模块，电容传感器由相互连接的传感器探头和三同轴电缆组成，响应带宽测量装置替换传感器探头后通过SMA接头与三同轴电缆连接，采用变容二极管模拟旋转叶片叶尖扫过电容传感器探头所引发的电容变化；响应带宽测量装置由变容二极管D、电阻R<subgt;1</subgt;、电容C<subgt;1</subgt;和电容C<subgt;2</subgt;组成；电容C<subgt;2</subgt;与变容二极管D并联后的两端分别与电阻R<subgt;1</subgt;和电容C<subgt;1</subgt;串联，电容C<subgt;1</subgt;与三同轴电缆连接，响应带宽测量装置的输入端与电阻R<subgt;1</subgt;连接。
技术研发人员：牛广越,李芳怡,段发阶,傅骁,蒋佳佳,周琦,李发富,刘昊
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23