一种用于发动机旋转部件温度测量的无线遥测系统的制作方法

本发明涉及发动机关键参数测量与状态监测技术领域，特别是涉及一种用于发动机旋转部件温度测量的无线遥测系统。

背景技术：

发动机关键结构部件原位、精确的表面温度及应变测量能力是提高现代先进航空发动机工作效率、增强其可靠性、减少污染排放及新型发动机设计及试车的关键；随着近代航空发动机推比的提高和重型燃气轮机动力的提升，其机组涡轮叶片的转速和工作温度越来越高，叶片温度测量已成为叶片设计验证必要的基础试验内容。典型燃气涡轮发动机的结构包括可动（例如：涡轮叶片）与非可动部件，分别在不同的温度范围下工作。其中，发动机涡轮叶扇直接与燃气接触，其表面温度可达1300℃。随着新一代燃气涡轮发动机性能的不断提升，其燃烧室工作温度也上升至新的水平；发动机转子历经长时间的温度和应力循环，会造成严重的热致和热机械损害，导致部件寿命减低，甚至导致灾难性事故发生。

航空发动机、重型燃气轮机等技术装备中涡轮叶片温度测量中，温度传感器需安装于叶片表面上，随转子高速旋转，导致传感器信号难以从转子上传输到地面设备进行处理、分析与存储。同时，在数据采集过程中，为传感器等部件提供电源激励时存在同样的困难。尤其在如航空发动机转子等高速旋转部件中，由于安装空间有限、存在很大的离心力作用等原因，使得信号传输和提供电源激励这个两个方面的困难显得尤为突出。因此，对于旋转状态的传感器信号，需要一套特种测量仪器系统来遥测和处理，要求该遥测系统能够以无线数据传输方式将转子上的测量参数高效、可靠地传输到地面设备，同时还要将地面的电能以非接触的方式传输到转子上以供给传感器等器件使用。

技术实现要素：

本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种用于发动机旋转部件温度测量的无线遥测系统。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案为：一种用于发动机旋转部件温度测量的无线遥测系统，包括：

传感模块：包括多个设置于发动机旋转部件的预设测点位置的薄膜型温度传感器，用于温度参数感知；

数字遥测模块：包括转子组件和静子组件，所述转子组件设置于发动机旋转部件轴端，其通过设置在发动机空心转轴内的导线与所述传感模块连接，所述静子组件设置在发动机定子上，并与所述转子组件正对设置；所述转子组件用于将所述传感模块采集的温度参数无线发送给所述静子组件，所述静子组件用于将接收到的温度参数数据发送给地面数据处理模块，所述静子组件还用于通过无线充电的方式对所述转子组件进行充电；

地面数据处理模块：用于对所述数字遥测模块发送的温度参数进行计算处理。

所述传感模块包括多个传感器组，每个传感器组设置在不同的轮盘上，每个传感器组包括多个高温温度传感器以及一个低温温度传感器，所述多个高温温度传感器分别设置在叶片不同位置，用于测量发动机曲面基底叶片表面温度，所述低温温度传感器设置在发动机旋转部件的叶片转轴结合部，用于测量冷端温度，所述低温温度传感器采用四线制接线方法。

所述高温温度传感器利用等离子喷涂或离子溅射的方法直接在旋转部件的测点位置制备，使用类型为薄膜型铂电阻rtd（resistancetemperaturedetector）或薄膜热偶式传感器；所述低温温度传感器为pt测温电阻，其设置方式为在旋转部件叶片的转轴结合部淀积pt薄膜，然后采用激光调阻工艺刻蚀或采用掩膜工艺制备pt测温电阻；所述pt测温电阻用于测量冷端温度，其采用四线制接法，所述高温温度传感器和低温温度传感器通过引线与设置在发动机空心转轴内的导线连接进而与转子组件连接。

所述引线采用的材料为导电性良好的银铜合金丝，外层覆漆绝缘；引线从叶片侧面引出，用高温胶固定后与位于发动机的空心转轴内的导线连接。

所述转子组件包括数据采集单元、激光数据发送单元及无线充电接收单元；所述静子组件包括激光数据接收单元、无线充电发射单元和信号发送模块；

数据采集单元与传感模块的输出端连接，用于接收温度传感器采集的温度信息并发送至所述激光数据发送单元，激光数据发送单元用于将温度信息以激光信号的方式发送到静子组件的激光数据接收单元，信号发送模块将激光数据接收单元接收的激光信号传送给地面数据处理模块；所述无线充电发射单元的输入端与电源连接，输出端通过无线充电的方式对无线充电接收单元充电，以实现对转子组件的供电。

无线充电发射单元和无线充电接收单元分别包括一供电线圈，无线充电发射单元的供电线圈与电源连接，并向所述无线充电接收单元的供电线圈提供频率不低于0.6mhz的高频交流电。

所述转子组件还包括信号调理模块和ad转换模块，传感模块采集的温度信息的模拟信号经所述信号调理模块进行信号调理以及ad转换模块进行ad转换后，经所述数据采集单元发送给所述激光数据发送单元，所述激光数据发送单元用于对所述温度信息数据进行信源编码和信道编码后，以激光的形式进行发送，所述激光数据接收单元用于接收所述激光数据发送单元发送的包含温度数据的激光信号，并进行解码后通过所述信号发送单元发送至所述地面数据处理模块，所述地面数据处理模块用于对温度数据进行存储和后处理。

所述信号调理模块包括与多个模拟开关、多个热敏电阻电压检测模块和多个信号调理子模块，所述模块开关和热敏电阻电压检测模块的数量与传感器组的数量对应，所述信号调理子模块的数量与传感模块中高温温度传感器的数量对应；

每个传感器组中，各个高温温度传感器的输出端分别经一个信号调理子模块后与一个模拟开关的输入端连接，低温温度传感器的信号输出端经热敏电阻电压检测模块后与同一个模拟开关的输入端链接，所述模块开关的输出端与所述ad转换模块的输入端连接。

所述地面数据处理模块对数据进行后处理的具体方法为：首先对温度传感数据进行实时校准；并对校准后的温度数据进行处理与分析，给出运动部件的温度梯度及动态变化特性参数，采用迟滞非线性修正算法提高测量及温度场重构精度。

所述遥测单元输出的数据为连续的串行数据流，其具有复杂的帧结构，所述地面数据处理模块用于将串行数据流分开后，获得单个通道的数据。

区别于现有技术，本发明提供了用于发动机旋转部件温度测量的无线遥测系统，其通过将遥测模块设置为静子组件和设置在轴端的转子组件，将光学传输装置内置在数字遥测模块内，与数字遥测模块整装一体，不需进行任何设置，不存在调谐问题；静子组件和转子组件的数据传输采用光电技术，可以确保信号不受现场电磁干扰、不失真地进行传输；传感模块包括用于测温的薄膜热电偶和用于温度补偿的薄膜型铂电阻，针对多路热电偶采集通道，采用传感器非线性校正方法及基于温度场建模方法实现热电偶冷端补偿；热电阻采用四线制接法消除引线电阻影响，提高补偿端测温精度。通过本发明，可以实现复杂恶劣环境发动机运动部件表面温度参数的无线读取，可在高旋高振及高温环境可靠工作的多通道、大容量多路传感信号采集、存储、无线发送及无线充电，为旋转部件温度测量提供一种可靠的信号提取手段。

附图说明

图1是本发明提供的一种用于发动机旋转部件温度测量的无线遥测系统的结构示意图；

图2是本发明提供的一种用于发动机旋转部件温度测量的无线遥测系统的控制示意图；

图3是本发明实施例的安装示意图；

图4是本发明提供的一种用于发动机旋转部件温度测量的无线遥测系统的工作流程图；

图中，1为引线，2为测量点，3为动叶片，4为发动机转轴。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

为了获取高旋高振动高温等环境下旋转部件表面温度参数，本发明提出了一种基于大容量传感采集存储、激光无线通信和基于磁感应的无线充电微纳传感器无线传感测量系统。该系统综合传感、遥测和数据处理技术，通过将前端（超高温、高旋区）传感器测得的温度参数引到低温区，进行采集量化后通过激光传输给固定端，地面可视化数据处理设备通过固定端收发系统进行在线校准处理和分析与无线供电工作。

参阅图1，图1是本发明提供的一种用于发动机旋转部件温度测量的无线遥测系统的结构示意图。该系统包括：传感模块，数字遥测模块和地面数据处理模块。其中地面数据处理模块用于对所述数字遥测模块发送的温度参数进行计算处理。

其中，如图1和图2所示，传感模块包括多个设置于发动机旋转部件的预设测点位置的薄膜型温度传感器，用于温度参数感知。

具体地，如图2所示，所述传感模块包括多个传感器组，每个传感器组设置在不同的轮盘上，每个传感器组包括多个高温温度传感器以及一个低温温度传感器，所述多个高温温度传感器分别设置在叶片不同位置，用于测量发动机曲面基底叶片表面温度，所述低温温度传感器设置在发动机旋转部件的叶片转轴结合部，用于测量冷端温度，所述低温温度传感器采用四线制接线方法。具体地，本实施例中，发动机具有4个旋转动叶片，传感模块包括4个传感器组，每个传感器组设置在一个轮盘上，每个传感器组包括32个高温温度传感器以及一个低温温度传感器，所述多个高温温度传感器分别设置在叶片不同位置，用于测量发动机曲面基底叶片表面温度，所述低温温度传感器设置在发动机旋转部件的叶片转轴结合部，用于测量冷端温度，所述低温温度传感器采用四线制接线方法。

具体地，本实施例中，所述高温温度传感器利用等离子喷涂或离子溅射的方法直接在旋转部件的测点位置制备，使用类型为薄膜型铂电阻rtd（resistancetemperaturedetector）或薄膜热偶式传感器；所述低温温度传感器为pt测温电阻，其设置方式为在旋转部件叶片的转轴结合部淀积pt薄膜，然后采用激光调阻工艺刻蚀或采用掩膜工艺制备pt测温电阻；所述pt测温电阻用于测量冷端温度，作为温度信号的温度补偿值，其采用四线制接法，所述高温温度传感器和低温温度传感器通过引线与设置在发动机空心转轴内的导线连接进而与转子组件连接。

适合于超高温及高旋高振动环境下发动机曲面基底叶片表面温度测量使用的温度传感器需具备耐高温、耐气流冲蚀、抗氧化、厚度薄、重量轻、附着性好、表面积小等特点。薄膜型温度传感器利用等离子喷涂及离子溅射等方法直接在被测部件（如涡轮叶片）表面制备，实现传感单元与运动部件一体化制造，传感器无需粘贴安装，与基底附着力强，重量轻，不会对运动部件工作时的振动模式及其平衡造成影响，非常适合于运动部件状态参数测量。传感器可选择技术成熟度较高的薄膜型铂电阻rtd（resistancetemperaturedetector）及薄膜热偶式传感器。薄膜型铂电阻有pt100、pt500、pt1000等系列，其尺寸均在毫米级别，测量温度范围一般在-200~800℃。薄膜热偶式温度传感器可选择r型、pt-13%rh/pt、pt/pt-10%rh、ito等薄膜热电偶，测量温度范围一般在0~1600℃。发动机参数遥测系统的传感器必须能耐高温并在恶劣环境下的技术指数要比一般工业用传感器要高出1-2个数量级，其中最关键的是测量精度和可靠性。考虑到引线长度对铂电阻测量的精度影响，以及发动机涡轮叶片实际所处的测量温度环境，本发明实施例优先选用薄膜热偶式温度传感器实现叶片表面温度参数感知。

此外，本实施例中，所述传感模块中的传感器的引线采用的材料为导电性良好的银铜合金丝，外层覆漆绝缘；引线从叶片侧面引出，用高温胶固定后与位于发动机的空心转轴内的导线连接。

具体地，如图1~图3所示，本发明实施例中，数字遥测模块包括转子组件和静子组件，所述转子组件设置于发动机旋转部件轴端，其通过设置在发动机空心转轴内的导线与所述传感模块连接，所述静子组件设置在发动机定子上，并与所述转子组件正对设置；所述转子组件用于将所述传感模块采集的温度参数无线发送给所述静子组件，所述静子组件用于将接收到的温度参数数据发送给地面数据处理模块，所述静子组件还用于通过无线充电的方式对所述转子组件进行充电。

具体地，如图1和图2所示，所述转子组件包括数据采集单元、激光数据发送单元及无线充电接收单元；所述静子组件包括激光数据接收单元、无线充电发射单元和信号发送模块；数据采集单元与传感模块的输出端连接，用于接收温度传感器采集的温度信息并发送至所述激光数据发送单元，激光数据发送单元用于将温度信息以激光信号的方式发送到静子组件的激光数据接收单元，信号发送模块将激光数据接收单元接收的激光信号传送给地面数据处理模块；所述无线充电发射单元的输入端与电源连接，输出端通过无线充电的方式对无线充电接收单元充电，以实现对转子组件的供电。本发明实施例中，数字遥测模块中的转子组件和静子组件之间有两个传输方向，一个是数据传输方向，从旋转部件指向地面设备；另一个是电能传输方向，从地面指向旋转部件。针对运动部件参数遥测中无线数据传输和电能传输问题，在无线数据传输中，采用激光数据传输技术，为了提高通信带宽的利用率和数据传输的可靠性，采用信息编码技术。在非接触电能传输中，采用具有高传输效率感应电能传输方式。

对于数据采集和传输过程，首先利用各种传感器完成参数信号的转换，并通过调理电路使信号处于合适的范围，然后通过a/d转换器将模拟信号转换为易于传输的数字信号，再利用转子上的激光数据发射单元无线发送数据，静子上的激光数据接收单元接收数据后发送给地面设备。在无线数据传输过程中，需要对数据进行信源编码和信道编码。其中信源编码的作用是使数据传输能够充分地利用传输通道带宽，信道编码的作用是使数据能够正确无误地传输到地面设备。地面设备接收到无线数据后进行解码得到测量的参数，并进行进一步的后处理和存储。电能传输过程是将地面电能非接触方式传输到旋转部件上，然后利用整流滤波和调压电路将电能变换到适当的直流电压提供给传感器、信号调理电路、处理器以及无线数据传输模块使用的过程。

具体地，如图2所示，无线充电发射单元和无线充电接收单元分别包括一供电线圈，无线充电发射单元的供电线圈与电源连接，并向所述无线充电接收单元的供电线圈提供频率不低于0.6mhz的高频交流电。

具体地，本实施例中，如图1~2所示，所述转子组件还包括信号调理模块、ad转换模块和fifo存储模块，传感模块采集的温度信息的模拟信号经所述信号调理模块进行信号调理以及ad转换模块进行ad转换后，经所述数据采集单元发送给所述激光数据发送单元，所述激光数据发送单元用于对所述温度信息数据进行信源编码和信道编码后，以激光的形式进行发送，所述激光数据接收单元用于接收所述激光数据发送单元发送的包含温度数据的激光信号，并进行解码后通过所述信号发送单元发送至所述地面数据处理模块，所述地面数据处理模块用于对温度数据进行存储和后处理。

具体地，如图2所示，本实施例中，所述转子组件还包括用于储能的超级电容，用于传输数据的usb接口，以及大容量存储模块。

如图4所示，本发明实施例中遥测模块和地面数据处理模块的工作流程图，首先，上电初始化以后，数据采集单元写入帧头标志及帧计数到fifo，然后启动ad采集，将当前通道的数据写入fifo存储模块，写入完成后切换通道，继续将数据写入fifo存储模块，直至通道采集完成后，将帧尾写入fito存储模块；激光数据发送单元的工作流程为：上电复位后，从fifo存储模块中读取数据，然后将数据进行信源编码和信道编码后以激光信号发送出去，然后对fifo地址加1，继续对数据进行信源编码和信道编码后以激光信号发送出去，直至fifo存储模块中的数据发送完成。激光数据接收单元的工作流程为：上电复位后，通过激光数据接收的方式接收采集数据，然后写入接收fifo，然后接收fifo的地址加1后，继续将接收到的采集数据写入fifo中。地面数据处理模块的工作流程为：上电复位后，从所述接收fifo中实时读取数据，读取完成后对数据进行计算处理，实现实时校准后发送到可视化显示器中显示。

具体地，如图2所示，所述信号调理模块包括与多个模拟开关、多个热敏电阻电压检测模块和多个信号调理子模块，所述模块开关和热敏电阻电压检测模块的数量与传感器组的数量对应，所述信号调理子模块的数量与传感模块中高温温度传感器的数量对应；每个传感器组中，各个高温温度传感器的输出端分别经一个信号调理子模块后与一个模拟开关的输入端连接，低温温度传感器的信号输出端经热敏电阻电压检测模块后与同一个模拟开关的输入端链接，所述模块开关的输出端与所述ad转换模块的输入端连接。针对多参数测量的应用环境，本发明实施例采用多层电子开关设计数据采集与处理电路的方法，减少器件的使用量，提高电路的集成度，减小电路的体积和重量。

具体地，所述地面数据处理模块对数据进行后处理的具体方法为：首先对温度传感数据进行实时校准；并对校准后的温度数据进行处理与分析，给出运动部件的温度梯度及动态变化特性参数，采用迟滞非线性修正算法提高测量及温度场重构精度。此外，本发明实施例中，所述遥测单元输出的数据为连续的串行数据流，其具有复杂的帧结构，所述地面数据处理模块用于将串行数据流分开后，获得单个通道的数据。

区别于现有技术，本发明的用于发动机旋转部件温度测量的无线遥测系统用于解决大容量传感测量系统数据的实时接收与校准问题，通过将光学传输硬件内置在数字遥测模块内，与数字遥测模块整装一体，不需进行任何设置，不存在调谐问题；数据传输采用光电技术，确保信号不受现场电磁干扰、不失真地进行传输；利用数字化自动增益控制方法解决传感器微弱信号高精确动态获取，利用pt电阻温度传感器对热电偶冷端温度进行实时测量，针对多路热电偶采集通道，采用传感器非线性校正方法及基于温度场建模方法实现热电偶冷端补偿；热电阻采用四线制接法消除引线电阻影响，提高补偿端测温精度。通过本发明，实现复杂恶劣环境发动机运动部件表面温度参数的无线读取，可在高旋高振及高温环境可靠工作的多通道、大容量多路传感信号采集、存储、无线发送及无线充电，为旋转部件温度测量提供一种可靠的信号提取手段。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。