一种基于时分复用差分自补偿的叶顶间隙测量系统及方法

本发明涉及一种旋转机械叶顶间隙测量技术，尤其涉及一种基于时分复用差分自补偿的叶顶间隙测量系统及方法。

背景技术：

1、在发动机全寿命周期内对叶顶间隙进行实时、高精度的在线测量具有重要的工程意义。电涡流传感器因其结构紧凑、频响高、对油污和碳烟不敏感等优点，是叶顶间隙测量的主流技术方案之一。然而，现有电涡流叶顶间隙测量技术存在以下不足之处：

2、第一，电涡流传感器的输出信号对温度极为敏感。在航空发动机从冷启动到最大推力的快速升温、加减速过程中的剧烈温度波动等复杂工况下，传感器的线圈电阻率和磁芯磁导率均随温度发生显著变化，导致测量结果产生严重的温度漂移误差。该漂移量在恶劣工况下甚至可与真实的间隙变化量相比拟，严重制约了测量精度。

3、第二，现有的温度补偿方法主要包括两类：（1）在传感器附近安装独立温度传感器（如热电偶或电阻温度传感器），测量温度后依据温度系数进行修正。该方法存在热惯性滞后问题，独立温度传感器与被补偿的电涡流传感器之间存在传热路径差异和热容差异，导致温度采样与传感器实际温度之间存在相位滞后，在温度变化速率高达100℃/s以上的发动机快速变工况条件下，补偿效果大打折扣。（2）采用双传感器差分结构，以其中一个传感器作为参考来抵消温度漂移。该方案在静态或准静态测量中效果良好，但在旋转叶片场景中面临特殊困难：两传感器若安装于同一周向位置则同时被叶片扫掠，无法产生有效的参考信号；若安装于不同周向位置，则两传感器分别测量不同叶片或同一叶片的不同时刻，其输出信号不仅包含温度漂移还包含叶片间隙的空间差异和时间差异，无法直接分离。

4、第三，现有的电涡流间隙测量信号处理方法通常仅提取传感器的单一电感变化量进行间隙反演，丢弃了涡流损耗在电阻分量中携带的信息，未能充分利用传感器复阻抗变化中的全部可用信息。

5、综上，如何在高速旋转、快变温的极端工况下，在不增加额外温度传感器和不增加机匣开孔数量的前提下实现叶顶间隙的实时、高精度测量，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于时分复用差分自补偿的叶顶间隙测量系统及方法，能够在涡轮机械高速旋转、温度剧烈波动的极端工况下，实现叶顶间隙的高精度实时测量。

2、技术方案：本发明所采用的技术方案是一种基于时分复用差分自补偿的叶顶间隙测量系统，利用旋转叶片扫掠的固有周期性，将两个电涡流传感器布置在特定的周向间隔角度下，使二者在任意时刻最多仅有一个被叶片扫掠，从而在时间维度上交替地产生一个测量传感器和一个处于空闲状态的传感器；创造性地将空闲传感器的反馈数据作为实时温度漂移参考，通过二者在桥路差分架构下的复电压矢量比较，在每一叶片扫掠周期内即实现瞬时的温度漂移共模消除，并配合正交解调技术完整提取差分复电压矢量变化的二维矢量信息实现间隙映射。

3、根据本发明的第一方面，提供了一种基于时分复用差分自补偿的叶顶间隙测量系统，包括：第一电涡流传感器和第二电涡流传感器，均安装于静止机匣上且沿周向间隔角度设置，所述角度配置为使得在任意时刻最多仅有一个电涡流传感器被旋转叶片扫掠；

4、间隔角度使得在任意时刻最多仅有一个所述电涡流传感器被叶片扫掠，所述角度可根据下式选取：

5、（1）当相邻叶片间隔角度小于两支电涡流传感器沿旋转方向安装时所占角度时，则表示无法采用上述所提方法，采用数学表达式表示如下：

6、

7、其中，s表示传感器沿旋转方向的宽度，r表示旋转叶片半径；n表示一圈旋转叶片个数；d表示叶片旋转方向厚度。

8、（2）当相邻叶片间隔角度大于等于两支电涡流传感器沿旋转方向安装时所占角度时，则表示可采用上述所提方法，所述夹角表示为：

9、

10、其中，表示两支电涡流传感器间隔的叶片个数，0≤≤-1；当为0时表示两支传感器在同一相邻叶片间隔夹角内。

11、交流惠斯通桥电路，将两个电涡流传感器的感应线圈分别作为两个有源桥臂、两个精密电阻分别作为另外两个桥臂；交流激励源，向桥路施加恒幅值交流电压；信号调理电路，对桥路差分输出进行放大和同步正交解调，输出同相分量和正交分量；以及信号处理单元，包括状态识别模块和补偿计算模块，用于动态识别叶片扫掠阶段并据此以测量传感器和实时温度参考传感器的差分复电压矢量计算间隙值。

12、根据本发明的第二方面，提供了一种基于时分复用差分自补偿的叶顶间隙测量方法，包括传感器布局步骤、同步差分检测步骤、工作阶段识别步骤、实时温度补偿测量步骤和循环输出步骤。

13、根据本发明的第三方面，提供了一种包含上述叶顶间隙测量系统的涡轮机械。

14、本发明的技术原理基于以下三个层面：

15、（一）桥路差分共模抵消原理。在交流惠斯通桥路中，第一传感器线圈和第二传感器线圈分别构成第一桥臂和第二桥臂，电阻和分别构成第三桥臂和第四桥臂。当且初始平衡时，桥路差分输出与成线性关系。由于两传感器处于同一机匣上的相邻位置，环境温度变化引起二者的复阻抗变化：包括电阻率温度系数导致的和磁导率温度系数导致的，在差分输出中作为共模信号被抵消。

16、（二）时分复用动态参考原理。当叶片扫掠传感器而未扫掠传感器时，中包含叶片感应变化和温度漂移，中仅有温度漂移。由于，桥路差分输出，即近似等于纯净的叶片感应信号。同理，叶片扫掠时。通过在基准阶段（两传感器均未被扫掠时）更新差分复电压矢量基准值，可进一步消除传感器老化等准静态漂移。此即“时分复用”的物理含义：在时间维度上交替分配测量与参考的角色。

17、（三）正交解调复电压矢量提取原理。桥路差分输出信号经同步正交解调：乘以同相参考后低通滤波得；乘以正交参考后低通滤波得。进一步地，可通过一对正交分量和完整计算获得差分复电压矢量的幅值和相位信息。差分复电压矢量的幅值，以及差分复电压矢量的相位与叶顶间隙之间存在确定映射关系，可通过标定获得。

18、有益效果：相比于现有技术，本发明具有以下优点：（1）针对涡轮机械高速旋转、温度剧烈波动的极端测试条件，改进双电涡流传感器测试系统，实现无需额外温度传感器的实时自补偿。在常规双电涡流传感器系统中，一种是将双传感器的数据平均，另一种是将未被叶片扫掠的传感器视为闲置状态，作为一个冗余结构用于增强测量系统的稳定性，其输出信号被简单地丢弃。本发明利用叶片旋转的固有周期性，使两个电涡流传感器在时间维度上交替作为测量传感器和实时温度参考传感器。本发明创造性地赋予该空闲传感器以实时温度参考的功能角色，利用被现有技术忽略的“空闲传感器”信息维度，从原本被视为冗余的时间窗口中提取出有价值的温度补偿信息，在不增加额外温度传感器的情况下实现了温度自补偿。空闲传感器与被测传感器处于同一基体、同一热环境、同一传感器类型，其温度漂移特性一致，无需设置任何独立温度传感器即可实现逐扫掠周期的实时温度补偿。补偿响应时间由叶片扫掠间隔决定（典型值为微秒至毫秒量级），远优于采用独立温度传感器进行补偿的传统方案。（2）基于差分复电压矢量的完整信息提取。本发明通过交流惠斯通桥路结合同步正交解调，同时提取复电压矢量的实部和虚部，关联差分复阻抗的变化，完整地恢复了叶片靠近时传感器复阻抗变化的二维矢量信息。差分复电压矢量对间隙的灵敏度优于单一分量，且在一定温度范围内具有更好的关联性。（3）桥路差分架构的硬件级共模抑制。两个传感器线圈作为交流惠斯通桥路的两个有源桥臂构成差分测量架构，对共有的电磁耦合噪声、电源波动等具有天然的共模抑制能力，在电磁环境恶劣的航空发动机舱内具有优越的抗干扰性能。（4）多阶段自适应工作模式的鲁棒性。状态识别模块根据信号幅值变化率动态识别三种工作阶段并自适应切换测量与参考角色，能够自动适应叶片转速变化和制造公差导致的叶尖通过时间差异，具有良好的鲁棒性。（5）数据融合与故障容错能力。数据融合模块对同一叶片由两个传感器测得的不同时刻间隙值进行差分复电压加权融合，进一步提高测量精度；故障诊断模块在单个传感器故障时自动切换至单传感器工作模式，提高了系统的可靠性和安全性。（6）工程适用性强。系统结构紧凑，仅需在机匣上开两个安装孔即可实现，对发动机结构改动极小，适用于压气机和涡轮等多种涡轮机械的旋转叶片叶顶间隙测量。