基于双极板旋转结构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，尤其涉及一种基于双极板旋转结构的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、一种基于双极板旋转结构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；
6、响应带宽测量装置由敏感极板、接收极板、旋转台、位移台、隔直电容组成；
7、所述旋转台包括旋转轴、安装座和控制器，控制器用于控制旋转轴的转速并实时显示当前转速；安装座上设置有支撑杆，所述位移台可上下移动的套接于支撑杆上；所述旋转轴可旋转的设置于安装座中部；
8、敏感极板作为旋转部件固定于旋转轴上，由pcb板构成；
9、接收极板安装固定在位移台上并位于敏感极板上方，由pcb板构成，通过调节位移台高度改变接收极板与敏感极板之间的距离；
10、接收极板与敏感极板相对的一侧表面均为铺有铜的导电层且分别构成接收电极与敏感电极，其余为绝缘层，所述敏感极板接地，接收极板依次与隔直电容和长段的三同轴电缆的芯极相连；
11、敏感电极构成可变电容的一极，接收电极构成可变电容的另一极，敏感极板旋转过程中两个电极间的正对面积改变，引起响应带宽测量装置的电容变化，设计敏感电极和接收电极的形状以使极板间电容变化为标准正弦信号。
12、进一步的，所述敏感极板的导电层上设有偶数个敏感电极，设敏感极板的内径为rsi，外径为rso，r1和r2为敏感电极的边沿，r1和r2之间的部分为敏感电极，形成有偶数个花瓣状结构，其余部分为绝缘层，r1和r2由极坐标方程表示为：
13、r1＝r+τ[sin(nφ)+1]
14、r2＝r-τ[sin(nφ)+1
15、其中，r为能够将r1和r2构成的两个正弦波分开的基准圆周的半径；n为敏感电极花瓣状结构的个数；τ为在基准圆周上叠加的正弦信号的幅值；φ表示转子相对于定子的旋转角度，φ＝ωt，ω为转子的旋转角速度；
16、为保证敏感极板的完整性，敏感极板的内径rsi＞r+2τ，敏感极板的外径rso＞r+2τ。
17、进一步的，所述接收极板的导电层上设有偶数个接收电极，设接收极板的内径为rri，外径为rro，接收电极形状呈扇环状，扇环内径为r3，外径为r4，圆心角为λ；
18、为保证接收电极的完整性，接收极板的内径rri＜r3，接收极板的外径rri＞r4。
19、进一步的，机械振动和转子倾斜能够引起敏感极板和接收极板之间的距离d发生变化δd；设计偶数个接收电极均匀分布在接收极板的导电层上，每对接收电极沿直径相对，令单个接收电极的面积为s，则每对接收电极与敏感电极之间的电容c为：
20、
21、忽略(δd)2，利用若干个接收电极的平均效应，减小敏感极板和接收极板之间的距离d的变化所引入的误差。
22、进一步的，为确保若干个接收电极所接收的信号的相位一致，接收电极的数量m为敏感电极数量n的约数。
23、进一步的，每个接收电极的扇环圆心角计算接收电极与敏感电极之间的重叠面积，已知极坐标下的扇形面积公式为其中r(θ)为扇形半径，为θ圆心角，则重叠面积为：
24、
25、由极板间的重叠面积srs计算接收电极与敏感电极之间的电容值c为：
26、
27、其中，d为敏感极板和接收极板之间的距离；φ表示转子相对于定子的旋转角度，φ＝ωt，ω为转子的旋转角速度；n为敏感电极花瓣状结构的数量；r1和r2为敏感极板的边沿，m为接收电极的数量；τ为在基准圆周上叠加的正弦信号的幅值；
28、当接收电极和敏感电极的形状确定，经隔直电容c1隔离掉直流部分，剩余部分为正弦信号，信号幅值为频率为
29、在开展响应带宽测量实验前，根据被测对象的频带范围，需确定敏感电极的数量n和旋转角速度ω。
30、进一步的，所述位移台的上表面设置有水平仪，所述支撑杆包括支撑杆a和支撑杆b，为确保位移台保持水平，包括两种方式：
31、其一是所述支撑杆a和支撑杆b上均可上下移动的活动安装有支撑环扣；所述位移台套接于支撑杆a和支撑杆b，通过调节支撑环扣位置并观察水平仪使位移台保持水平；
32、另一种方式是，所述支撑杆b上可上下移动的活动安装有支撑环扣，支撑环扣上安装有承托板，所述位移台的一端套接于所述支撑杆a，另一端放置于承托板上，通过调整所述支撑环扣位置并观察水平仪使位移台保持水平。
33、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：
34、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。
35、进一步的，具体步骤如下：
36、s1.安装调试待测实验设备；
37、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；
38、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。
39、与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
40、1.提高测量精度：通过设计能够生成标准电容信号的装置，能够生成以正弦信号趋势变化的电容信号，来模拟电容式叶尖间隙测量系统输入；避免了以标准电压信号作为输入时忽略系统电容-电压转换过程带来的误差，从而显著提高了系统响应带宽测量的精度。
41、2.增强系统适应性：本发明能够适应不同频率范围的测试需求，适合各种类型电容传感器；生成的以正弦信号趋势变化的电容信号，频率可调，幅值可调，可以根据用户需求和应用场景更改；通过生成不同频率的标准电容信号来模拟系统输入，实现对系统响应带宽的全面测量，克服了现有方法的局限性。
42、3.简化测试过程：本发明采用双极板旋转结构，通过旋转运动实现标准电容信号的生成，避免了复杂的电路设计和调试过程，简化了测试装置的设计和使用，提高了测试效率。
43、4.保障高温环境下的稳定性：电容式叶尖间隙测量系统具有耐高温、抗燃气腐蚀的特性，本发明设计的测量装置同样具备这些优点，能够在高温环境下稳定运行，确保测量结果的可靠性。
44、5.实现实时在线测量：本发明的测量装置和方法支持在线实时测量，能够在旋转机械运行过程中对叶尖间隙进行动态监测，及时反映系统响应带宽的变化，有助于提高旋转机械的安全性和性能。
45、6.降低成本：本发明的装置和方法，结构简单，易于加工，可以通过任意印制电路板厂家生产，加工周期短，成本低廉。
技术特征：
1.一种基于双极板旋转结构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所述基于双极板旋转结构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，所述敏感极板的导电层上设有偶数个敏感电极，设敏感极板的内径为rsi，外径为rso，r1和r2为敏感电极的边沿，r1和r2之间的部分为敏感电极，形成有偶数个花瓣状结构，其余部分为绝缘层，r1和r2由极坐标方程表示为：
3.根据权利要求1所述基于双极板旋转结构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，所述接收极板的导电层上设有偶数个接收电极，设接收极板的内径为rri，外径为rro，接收电极形状呈扇环状，扇环内径为r3，外径为r4，圆心角为λ；
4.根据权利要求1所述基于双极板旋转结构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，机械振动和转子倾斜能够引起敏感极板和接收极板之间的距离d发生变化δd；设计偶数个接收电极均匀分布在接收极板的导电层上，每对接收电极沿直径相对，令单个接收电极的面积为s，则每对接收电极与敏感电极之间的电容c为：
5.根据权利要求1所述基于双极板旋转结构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，为确保若干个接收电极所接收的信号的相位一致，接收电极的数量m为敏感电极数量n的约数。
6.根据权利要求1所述基于双极板旋转结构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，每个接收电极的扇环圆心角计算接收电极与敏感电极之间的重叠面积，已知极坐标下的扇形面积公式为其中r(θ)为扇形半径，为θ圆心角，则重叠面积为：
7.根据权利要求1所述基于双极板旋转结构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，所述位移台的上表面设置有水平仪，所述支撑杆包括支撑杆a和支撑杆b，为确保位移台保持水平，包括两种方式：
8.一种基于权利要求1-7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：
9.根据权利要求8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双极板旋转结构的电容式叶尖间隙测量系统的响应带宽测量装置及方法，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；响应带宽测量装置包括敏感极板、接收极板、旋转台、位移台、隔直电容；旋转台包括旋转轴、安装座和控制器，控制器用于控制旋转轴的转速并实时显示转速；安装座上支撑杆套接有位移台；旋转轴可旋转的安装于安装座；敏感极板作为旋转部件固定于旋转轴上；接收极板安装固定在位移台上并位于敏感极板上方，通过调节位移台高度改变接收极板与敏感极板之间的距离；接收极板依次与隔直电容和三同轴电缆的芯极相连。
技术研发人员：牛广越,李芳怡,段发阶,傅骁,蒋佳佳
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