基于微波的动叶片叶尖间隙和振动参数融合测量装置的制作方法
本发明涉及旋转动叶片非接触振动测量领域，特别是一种基于微波传感器的动叶片叶尖间隙和定时参数高速融合测量系统。具体讲，涉及基于微波的动叶片叶尖间隙和振动参数融合测量装置。
背景技术：
在航空发动机、燃气轮机、汽轮机、烟气轮机等大型旋转机械中，动叶片作为核心做功元件，其运行状态参数直接影响设备的工作性能及运行安全，高温下叶尖间隙和振动参数的在线测量是保证设备工作性能和运行安全的关键。目前，非接触旋转叶片叶尖定时测振技术和叶尖间隙监测技术是典型的非接触检测方法，基本原理是将传感器安装在旋转机械机匣上，测量叶片顶端距传感器的间隙值同时检测其经过传感器的到达时间，计算得到叶片振动参数。
一方面，传统的动叶片叶尖间隙和定时参数测量系统根据传感器的工作原理不同，可分为电涡流式，光纤式和电容式。这些叶尖间隙和定时参数测量技术的特点是：(1)电涡流传感器灵敏度高、分辨力强，且具有不需要在机匣上开孔的优点，但其耐高温性能差，响应速度慢，易受机械结构、叶片形状、温度等参数的影响，目前仅适用于在低温(500℃以下)低速情况下试验台上的叶片振动参数测量。(2)光纤传感器体积小，抗干扰能力强、信号上升时间短，带宽可达10mhz，可实现高精度的叶尖定时参数测量，但光纤束式叶尖定时传感器不能用于叶尖间隙的测量。利用全光纤三角法原理测量叶尖间隙可达15μm的测量精度，但其测量精度易受油污影响，寿命偏低，不适应于高温环境。(3)电容传感器耐高温、响应速度快、可靠性较好，按电容转换方式不同可分为直流充放电式、调频式、调幅式等。直流式信噪比较差，测量精度较低；调频式信号系统带宽较窄，rotadata公司开发了基于调频式电容的叶尖间隙测量系统，传感器带宽仅为50khz；调幅式测量精度较高，传感器载波频率可达500khz。但是电容式传感器仅适用于金属叶片的测量，测量精度易受流体介电常数的影响，且叶尖定时的系统带宽要求达到至少200khz，高速条件下达到5mhz以上，因此电容传感器不适用于动叶片叶尖间隙和定时参数的高速融合测量。
另一方面，传统的微波测距方法中，脉冲测距方法测量精度为毫米级，不能满足叶尖间隙微米级测量精度的要求；基于强度的测量方法易受环境温度的影响，信号随温度漂移影响叶尖间隙的测量精度；线性调频法需要很高的信号带宽才能达到较高的测量精度，且结构过于复杂。
再一方面，叶尖间隙和叶片到达时间测量是满足大型旋转机械高速运行下的动态测量，叶片端面反射信号是瞬变的快速脉冲信号，利用相位信号测量叶尖间隙需要相位信号顶部相对光滑，利用定时信号测量叶片的到达时刻需要定时信号边沿陡峭光滑。为实现叶尖间隙和定时参数的高速同时测量，就必须研究动叶片相位信号和定时信号的获取和处理方法，以满足高转速环境下叶尖间隙和定时参数高测量精度的要求。
再一方面，在高温工作环境下，微波传感器的结构尺寸和介电常数变化会引起反射系数发生变化，传感器的最小驻波点发生漂移，其程度主要受陶瓷材料介电常数温度系数的影响；微波传感器反射系数的变化直接影响接收信号的功率和传感器的信噪比，进而影响动叶片叶尖间隙和定时参数的测量精度。
技术实现要素：
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种基于微波传感器的动叶片叶尖间隙和定时参数的高速融合测量系统，主要解决的技术问题是：
(1)克服现有的叶尖间隙和叶尖定时测量技术均不能实现高温高速高污染机械运行环境下动叶片叶尖间隙和振动参数同时测量的缺点，具体包括：电涡流法耐高温性能差，响应速度慢，易受机械结构、叶片形状、温度等参数的影响；光学法测量精度易受油污影响，寿命偏低；电容法不能满足叶尖定时高速测量系统5mhz以上系统带宽的要求，且仅适用于测量金属叶片，测量精度易受流体介电常数影响。提供一种基于微波传感器的叶尖间隙和叶尖定时同时测量方法，以利用微波传感器耐高温，可靠性好，动态范围宽，对介质不敏感，能够测量非金属叶片，能够在多污染物环境下测量的优点，实现高温恶劣工况条件下的动叶片叶尖间隙和定时参数的高速融合测量。
(2)克服传统的微波测距方法中脉冲测距法、基于强度测距法和线性调频法不适用于近场区动叶片瞬变位移值测量的缺点，提供一种基于微波相位式测距原理实现动叶片叶尖间隙测量的一种通用的位移测量方法，且该位移测量方法可通用于微波近场区的半波长范围以内瞬变位移值的测量；本发明提出的瞬变位移值测量方法可实现叶尖间隙高精度测量。
(3)克服高转速环境下相位信号不能满足定时参数测量中叶尖定时信号边沿陡峭光滑的缺点(见图2)，提供一种基于微波反射信号强度实现动叶片叶尖振动参数测量的一种振动参数测量方法，可实现叶尖定时信号上升沿和下降沿陡峭、光滑，以减小叶尖间隙变化对叶尖定时测量的影响，有效提高振动参数测量精度。
(4)克服高温测量工作环境下，微波传感器的反射系数会随温度等环境参数发生偏移，影响接收信号功率，进而降低信噪比的缺点，提出一种微波传感器最小驻波点跟踪，载波频率自适应调整的方法，提高传感器信噪比和抗温漂能力。
为达到上述目标，本发明采取的技术方案是，基于微波的动叶片叶尖间隙和振动参数融合测量装置，包括：微波传感器，传感器驱动模块，传感器驱动模块包括环形器、锁相环pll、移相器、混频器、低通滤波电路、高通滤波电路、单片机mcu、乘法器、加法器、自动增益控制电路agc、比较器、a/d模拟数字信号转化器；数据采集模块，数据采集模块包括现场可编程门阵列fpga、数字信号处理器dsp，上位机；
单片机控制锁相环pll提供稳定的发射信号和参考信号；在测量过程中，对锁相环pll产生射频微波信号的频率进行扫描，通过自动增益控制电路agc的功率检测功能确定微波传感器的最小驻波点频率，通过调整锁相环pll频率使微波传感器工作在最小驻波点附近；
发射信号经环形器后通过安装在机匣上的微波传感器向转子轴方向投射微波，同时接收由叶尖反射的信号；
其中的一路回波信号与参考射频信号经混频器混频后依次经过低通滤波电路、高通滤波电路滤波后得到同相信号i，另一路回波信号与经90°移相器移相后的参考信号依次经过混频器混频、及低通滤波电路、高通滤波电路滤波后得到正交信号q；
另外传感器驱动模块将i和q两路信号经乘法器平方及加法器相加后由自动增益控制电路agc保持信号幅度不变，经比较器提取信号的幅值生成前后沿陡峭、光滑的定时强度信号；
比较器采用双边沿联合检测的方法，同时采集定时脉冲两个边沿的定时值，取其平均值作为叶尖定时值，消除信号上升时间变化对定时参数测量的影响；
两路正交解调信号通过a/d模拟数字信号转化器模数转换，由数据采集模块采样并利用现场可编程门阵列fpga同时将叶尖定时时刻值和叶尖间隙位移值高速传输给上位机；
进一步，数据采集模块利用数字信号处理器dsp，采用反正切或dcm算法及相位解包裹方法，计算出相位
上位机实现多级转子测量数据的实时显示、存储，以及数据回显、数据分析、振动参数辨识。
微波传感器一方面负责向转子轴方向投射微波信号，另一方面接收叶片尖端通过时的微波反射信号；
进一步，微波传感器可采用微带天线结构、谐振腔天线结构或波导类天线结构。
传感器驱动模块：用于驱动微波传感器，即一方面向微波传感器提供发射信号，另一方面对微波传感器的接收信号进行处理；
进一步，单片机mcu控制锁相环pll产生射频微波信号，一路经环形器由微波传感器发射的信号由式1表示：
其中，as为发射信号幅值，ωs为发射信号频率，
另一路作为本振信号提供给混频器，由式2表示：
其中，ai为本振信号幅值，ωs为本振信号频率，
进一步，单片机mcu控制锁相环pll产生射频微波信号的频率进行扫描，通过自动增益控制电路的功率检测功能确定微波传感器的最小驻波点频率，通过调整锁相环频率使传感器工作在最小驻波点附近，提高系统信噪比；
进一步，环形器用于将微波信号单向环形传输，即一方面将锁相环pll产生的微波发射信号传输给微波传感器，另一方面将微波传感器接收信号传输给混频器；微波传感器接收信号由式3表示：
其中，前一项为叶尖反射信号，
根据雷达方程，设雷达发射功率为pt，雷达天线增益为gt，ae为天线有效面积，σ为目标的雷达散射截面积rcs，在不考虑路径损耗的情况下，在自由空间距离目标r的天线接收到的功率pr为式4：
由式3和式4可得，接收信号的幅值a(t)由式5表示：
其中，d0为最小叶尖间隙，d(t)为叶尖间隙变化函数，σ0为传感器正对叶片时目标的雷达散射截面积rcs，a0为传感器正对叶片时接收信号的幅值；
将式5代入式3，接收信号表示为式6：
进一步，移相器将锁相环pll输出的一路本振信号进行90°移相，并与移相之前的本振信号一并传输给混频器；
进一步，混频器一方面将接收到的叶尖信号与本振信号混频，信号由式7表示：
另一方面将接收到的叶尖信号与90°移相后的本振信号混频，信号由式8表示：
进一步，低通滤波电路滤除si和sq的高次载波信号，得到低频信号可由式9和式10表示：
进一步，高通滤波电路滤除si和sq缓慢变化的端面反射信号，得到两路正交信号可由式11和式12表示：
进一步，两路正交解调信号通过模数转换后由数据采集模块进行采集和传输；
进一步，由于两路信号正交，将i和q两路信号平方后相加，去除相位项，得到的叶尖定时信号等于反射信号强度的平方，由式13表示：
令传感器正对叶片时接收信号的幅值为a0，此时有最小叶尖间隙d0，根据friis雷达方程，接收信号的幅值由式14表示：
因此解调得到的强度信号由式15表示：
进一步，利用自动增益控制电路agc使在叶尖间隙变化时信号幅度保持不变，以减小间隙变化带来的定时误差，并可以防止弱信号定时失效；
进一步，采用双边沿联合检测方法，将通过自动增益控制电路agc后的信号与参考电平比较得到定时脉冲，同时采集定时脉冲两个边沿的定时值，取其平均值作为叶尖定时值，以消除信号上升时间变化对定时参数测量的影响。
数据采集模块具体地：利用数模转换后的两路正交解调信号得到叶尖间隙位移值，同时将叶尖定时时刻值和叶尖间隙位移值高速传输到上位机；
进一步，数据采集模块为基于pci\pcie\usb3.0总线协议的高速采集卡，包括数字信号处理器dsp和现场可编程门阵列fpga处理芯片；
进一步，基于数据采集模块中的数字信号处理器dsp，求解被测的叶尖间隙位移值d，表示为式16：
其中，λ为射频微波信号的波长，
进一步，数据采集模块中的现场可编程门阵列fpga，用于采集叶尖定时时刻值和经数字信号处理器dsp处理后的叶尖间隙位移值，同时控制上位机接口芯片实现数据传输功能。
本发明的特点及有益效果是：
(1)克服现有的叶尖间隙和叶尖定时测量技术均不能实现高温高速高污染机械运行环境下动叶片叶尖间隙和振动参数同时测量的缺点，具体包括：电涡流法耐高温性能差，响应速度慢，易受机械结构、叶片形状、温度等参数的影响；光学法测量精度易受油污影响，寿命偏低；电容法不能满足叶尖定时高速测量系统5mhz以上系统带宽的要求，且仅适用于测量金属叶片，测量精度易受流体介电常数影响。提供一种基于微波传感器的叶尖间隙和叶尖定时同时测量方法，以利用微波传感器耐高温，可靠性好，动态范围宽，对介质不敏感，能够测量非金属叶片，能够在多污染物环境下测量的优点，实现高温恶劣工况条件下的动叶片叶尖间隙和定时参数的高速融合测量。
(2)克服传统的微波测距方法中脉冲测距法、基于强度测距法和线性调频法不适用于近场区动叶片瞬变位移值测量的缺点，提供一种基于微波相位式测距原理实现动叶片叶尖间隙测量的一种通用的位移测量方法，且该位移测量方法可通用于微波近场区的半波长范围以内瞬变位移值的测量；本发明提出的瞬变位移值测量方法可实现叶尖间隙高精度测量。
(3)克服高转速环境下相位信号不能满足定时参数测量中叶尖定时信号边沿陡峭光滑的缺点(见图2)，提供一种基于微波反射信号强度实现动叶片叶尖振动参数测量的一种振动参数测量方法，可实现叶尖定时信号上升沿和下降沿陡峭、光滑，以减小叶尖间隙变化对叶尖定时测量的影响，有效提高振动参数测量精度。
(4)克服高温测量工作环境下，微波传感器的反射系数会随温度等环境参数发生偏移，影响接收信号功率，进而降低信噪比的缺点，提出一种微波传感器最小驻波点跟踪，载波频率自适应调整的方法，提高传感器信噪比和抗温漂能力。
附图说明：
图1示出本发明的基于微波传感器的动叶片叶尖间隙和定时参数融合测量系统原理框图。
图2示出本发明的叶尖反射信号波形示意图。
图3示出本发明的微波传感器样品图。
图4示出本发明的微波传感器反射系数仿真及实验测试结果对比图。
图1中：1为微波传感器，2为环形器，3为锁相环(pll)，4为移相器，5为混频器，6为低通滤波电路，7为高通滤波电路，8为单片机(mcu)，9为乘法器，10为加法器，11为自动增益控制电路(agc)，12为比较器，13为a/d模拟数字信号转化器，14为现场可编程门阵列(fpga)，15为数字信号处理器(dsp)，16为上位机，17为传感器驱动模块，18为数据采集模块。
图2中：1为叶尖反射的相位差信号图，2为叶尖反射强度信号图。
图3中：1为微波传输单元，2为传感器壳体，3为天线辐射单元，4为绝缘基片。
图4中：1为微波传感器反射系数的仿真图，2为微波传感器反射系数的实测图。
具体实施方式
(1)本发明中，传感器采用微波传感器，以利用微波传感器耐高温，可靠性好，动态范围宽，对介质不敏感，能够测量非金属叶片，能够在多污染物环境下测量的优点，实现高温恶劣工况条件下的动叶片叶尖间隙和定时参数的高速融合测量。
(2)本发明提供一种基于微波相位式测距原理实现动叶片叶尖间隙测量的一种通用的位移测量方法，且该位移测量方法可通用于微波近场区的半波长范围以内瞬变位移值的测量；本发明提出的瞬变位移值测量方法可实现叶尖间隙高精度测量。
(3)本发明提供一种基于微波反射信号强度实现动叶片叶尖振动参数测量的一种振动参数测量方法，可实现叶尖定时信号上升沿和下降沿陡峭、光滑，以有效提高振动参数测量精度。
(4)本发明提供一种载波频率自适应调整方法，追踪微波传感器最小驻波点，提高传感器信噪比和抗温漂能力。
为克服现有技术的前述不足，本发明提供一种基于微波传感器的动叶片叶尖间隙和定时参数的高速融合测量系统，主要解决的技术问题是：
(1)克服现有的叶尖间隙和叶尖定时测量技术均不能实现高温高速高污染机械运行环境下动叶片叶尖间隙和振动参数同时测量的缺点，具体包括：电涡流法耐高温性能差，响应速度慢，易受机械结构、叶片形状、温度等参数的影响；光学法测量精度易受油污影响，寿命偏低；电容法不能满足叶尖定时高速测量系统5mhz以上系统带宽的要求，且仅适用于测量金属叶片，测量精度易受流体介电常数影响。提供一种基于微波传感器的叶尖间隙和叶尖定时同时测量方法，以利用微波传感器耐高温，可靠性好，动态范围宽，对介质不敏感，能够测量非金属叶片，能够在多污染物环境下测量的优点，实现高温恶劣工况条件下的动叶片叶尖间隙和定时参数的高速融合测量。
(2)克服传统的微波测距方法中脉冲测距法、基于强度测距法和线性调频法不适用于近场区动叶片瞬变位移值测量的缺点，提供一种基于微波相位式测距原理实现动叶片叶尖间隙测量的一种通用的位移测量方法，且该位移测量方法可通用于微波近场区的半波长范围以内瞬变位移值的测量；本发明提出的瞬变位移值测量方法可实现叶尖间隙高精度测量。
(3)克服高转速环境下相位信号不能满足定时参数测量中叶尖定时信号边沿陡峭光滑的缺点(见图2)，提供一种基于微波反射信号强度实现动叶片叶尖振动参数测量的一种振动参数测量方法，可实现叶尖定时信号上升沿和下降沿陡峭、光滑，以减小叶尖间隙变化对叶尖定时测量的影响，有效提高振动参数测量精度。
(4)克服高温测量工作环境下，微波传感器的反射系数会随温度等环境参数发生偏移，影响接收信号功率，进而降低信噪比的缺点，提出一种微波传感器最小驻波点跟踪，载波频率自适应调整的方法，提高传感器信噪比和抗温漂能力。
为达到上述目标，本发明采取的技术方案是，基于微波传感器的动叶片叶尖间隙和定时参数高速融合测量系统，如图1所示，包括：
微波传感器1，环形器2，锁相环(pll)3，移相器4，混频器5，低通滤波电路6，高通滤波电路7，单片机(mcu)8，乘法器9，加法器10，自动增益控制电路(agc)11，比较器12，a/d模拟数字信号转化器13，现场可编程门阵列(fpga)14，数字信号处理器(dsp)15，上位机16，传感器驱动模块17，数据采集模块18。
进一步，在传感器驱动模块17中，单片机(mcu)8控制锁相环(pll)3提供稳定的发射信号和参考信号；在测量过程中，对锁相环(pll)3产生射频微波信号的频率进行扫描，通过自动增益控制电路(agc)11的功率检测功能确定微波传感器1的最小驻波点频率，通过调整锁相环(pll)3频率使传感器1工作在最小驻波点附近，提高系统信噪比；
进一步，发射信号经环形器2后通过安装在机匣上的微波传感器1向转子轴方向投射微波，同时接收由叶尖反射的信号；
进一步，其中的一路回波信号与参考射频信号经混频器5混频后依次经过低通滤波电路6、高通滤波电路7滤波后得到同相信号i(式11)，另一路回波信号与经90°移相器4移相后的参考信号依次经过混频器5混频、及低通滤波电路6、高通滤波电路7滤波后得到正交信号q(式12)；
进一步，另外传感器驱动模块17将i和q两路信号经乘法器9平方及加法器10相加后由自动增益控制电路(agc)11保持信号幅度不变，经比较器12提取信号的幅值生成前后沿陡峭、光滑的定时强度信号(式15)；
进一步，比较器12采用双边沿联合检测的方法，同时采集定时脉冲两个边沿的定时值，取其平均值作为叶尖定时值，可以消除信号上升时间变化对定时参数测量的影响；
进一步，两路正交解调信号通过a/d模拟数字信号转化器13模数转换，由数据采集模块18采样并利用现场可编程门阵列(fpga)14同时将叶尖定时时刻值和叶尖间隙位移值高速传输给上位机16；
进一步，数据采集模块18利用数字信号处理器(dsp)15，采用反正切或dcm算法及相位解包裹方法，可计算出相位
进一步，上位机软件16可实现多级转子测量数据的实时显示、存储，以及数据回显、数据分析、振动参数辨识等功能；
下面对本发明的系统结构进行详细说明：
微波传感器1(见图3)：微波传感器1一方面负责向转子轴方向投射微波信号，另一方面接收叶片尖端通过时的微波反射信号；
进一步，本发明的微波传感器1可采用微带天线结构、谐振腔天线结构或波导类天线结构；
进一步，本发明的微波传感器1具有结构简单小巧，带宽适中，波束宽度较小，与被测叶片耦合小的特点；
传感器驱动模块17：传感器驱动模块17用于驱动微波传感器1，即一方面向微波传感器1提供发射信号，另一方面对微波传感器1的接收信号进行处理；传感器驱动模块17由环形器2、锁相环(pll)3、移相器4、混频器5、低通滤波电路6、高通滤波电路7、单片机(mcu)8、乘法器9、加法器10、自动增益控制电路(agc)11，比较器12，a/d模拟数字信号转化器13组成；
进一步，本发明中，单片机(mcu)8控制锁相环(pll)3产生射频微波信号，一路经环形器2由微波传感器1发射的信号可由式1表示：
其中，as为发射信号幅值，ωs为发射信号频率，
另一路作为本振信号提供给混频器5，可由式2表示：
其中，ai为本振信号幅值，ωs为本振信号频率，
进一步，本发明中，单片机(mcu)8控制锁相环(pll)3产生射频微波信号的频率进行扫描，通过自动增益控制电路的功率检测功能确定微波传感器的最小驻波点频率，通过调整锁相环频率使传感器工作在最小驻波点附近，提高系统信噪比(见图4)；
进一步，本发明中，环形器2用于将微波信号单向环形传输，即一方面将锁相环(pll)3产生的微波发射信号传输给微波传感器1，另一方面将微波传感器1接收信号传输给混频器5；微波传感器1接收信号可由式3表示：
其中，前一项为叶尖反射信号，
根据雷达方程，设雷达发射功率为pt，雷达天线增益为gt，ae为天线有效面积，σ为目标的雷达散射截面积(rcs)，在不考虑路径损耗的情况下，在自由空间距离目标r的天线接收到的功率pr为式4：
由式3和式4可得，接收信号的幅值可由式5表示：
其中，d0为最小叶尖间隙，d(t)为叶尖间隙变化函数，σ为目标的雷达散射截面积rcs，σ0为传感器正对叶片时目标的雷达散射截面积rcs，a0为传感器正对叶片时接收信号的幅值；
将式5代入式3，接收信号可表示为式6：
进一步，本发明中，移相器4将锁相环(pll)3输出的一路本振信号进行90°移相，并与移相之前的本振信号一并传输给混频器5；
进一步，本发明中，混频器5一方面将接收到的叶尖信号与本振信号混频，信号可由式7表示：
另一方面将接收到的叶尖信号与90°移相后的本振信号混频，信号可由式8表示：
进一步，本发明中，低通滤波电路6滤除si和sq的高次载波信号，得到低频信号可由式9和式10表示：
进一步，本发明中，高通滤波电路7滤除si和sq缓慢变化的端面反射信号，得到两路正交信号可由式11和式12表示：
进一步，本发明中，两路正交解调信号通过模数转换后由数据采集模块18进行采集和传输；
进一步，本发明中，由于两路信号正交，将i和q两路信号平方后相加，可去除相位项，得到的叶尖定时信号等于反射信号强度的平方，由式13表示：
令传感器正对叶片时接收信号的幅值为a0，此时有最小叶尖间隙d0，根据friis雷达方程，接收信号的幅值由式14表示：
其中σ为目标的雷达散射截面积(rcs)，σ0为传感器正对叶片的rcs。因此解调得到的强度信号由式15表示：
进一步，本发明中，利用自动增益控制电路(agc)11使在叶尖间隙变化时信号幅度保持不变，以减小间隙变化带来的定时误差，并可以防止弱信号定时失效；
进一步，本发明中，采用双边沿联合检测方法，将通过自动增益控制电路(agc)11后的信号与参考电平比较得到定时脉冲，同时采集定时脉冲两个边沿的定时值，取其平均值作为叶尖定时值，可以消除信号上升时间变化对定时参数测量的影响；
数据采集模块18：数据采集模块18利用数模转换后的两路正交解调信号得到叶尖间隙位移值，同时将叶尖定时时刻值和叶尖间隙位移值高速传输到上位机16；
进一步，本发明中，数据采集模块18可设计为基于pci\pcie\usb3.0总线协议的高速采集卡，包括数字信号处理器(dsp)16和现场可编程门阵列(fpga)14处理芯片；
进一步，本发明中，基于数据采集模块18中的数字信号处理器(dsp)16，利用反正切或dcm算法及相位解包裹方法，求解式11及式12中的相位，并根据相位测距原理，求解被测的叶尖间隙位移值，表示为式16：
其中，λ为射频微波信号的波长，
进一步，本发明中，数据采集模块18中的现场可编程门阵列(fpga)14，用于采集叶尖定时时刻值和经数字信号处理器(dsp)15处理后的叶尖间隙位移值，同时控制上位机16接口芯片实现数据传输功能；
上位机16：可实现多级转子测量数据的实时显示、存储，以及数据回显、数据分析、振动参数辨识等功能；
进一步，i和q两路正交解调信号也可直接通过a/d模拟数字信号转化器13数模转换后传输给上位机16，同理，利用反正切或dcm算法及相位解包裹方法，由上位机16得到被测的叶尖间隙位移值。
为克服现有技术的前述不足，本发明提供一种基于微波传感器的动叶片叶尖间隙和定时参数的高速融合测量方法，主要解决的技术问题是：
(1)克服现有的叶尖间隙和叶尖定时测量技术均不能实现高温高速高污染机械运行环境下动叶片叶尖间隙和振动参数同时测量的缺点，具体包括：电涡流法耐高温性能差，响应速度慢，易受机械结构、叶片形状、温度等参数的影响；光学法测量精度易受油污影响，寿命偏低；电容法不能满足叶尖定时高速测量系统5mhz以上系统带宽的要求，且仅适用于测量金属叶片，测量精度易受流体介电常数影响。提供一种基于微波传感器的叶尖间隙和叶尖定时同时测量方法，以利用微波传感器耐高温，可靠性好，动态范围宽，对介质不敏感，能够测量非金属叶片，能够在多污染物环境下测量的优点，实现高温恶劣工况条件下的动叶片叶尖间隙和定时参数的高速融合测量。
(2)克服传统的微波测距方法中脉冲测距法、基于强度测距法和线性调频法不适用于近场区动叶片瞬变位移值测量的缺点，提供一种基于微波相位式测距原理实现动叶片叶尖间隙测量的一种通用的位移测量方法，且该位移测量方法可通用于微波近场区的半波长范围以内瞬变位移值的测量；本发明提出的瞬变位移值测量方法可实现叶尖间隙高精度测量。
(3)克服高转速环境下相位信号不能满足定时参数测量中叶尖定时信号边沿陡峭光滑的缺点(见图2)，提供一种基于微波反射信号强度实现动叶片叶尖振动参数测量的一种振动参数测量方法，可实现叶尖定时信号上升沿和下降沿陡峭、光滑，以减小叶尖间隙变化对叶尖定时测量的影响，有效提高振动参数测量精度。
(4)克服高温测量工作环境下，微波传感器的反射系数会随温度等环境参数发生偏移，影响接收信号功率，进而降低信噪比的缺点，提出一种微波传感器最小驻波点跟踪，载波频率自适应调整的方法，提高传感器信噪比和抗温漂能力。
本发明是这样实现的：
本发明中，传感器采用微波传感器(见图3)，一方面负责向转子轴方向投射微波信号，另一方面接收叶片尖端通过时的微波反射信号；
进一步，本发明的微波传感器可采用微带天线结构、谐振腔天线结构或波导类天线结构；
进一步，本发明的传感器中，馈电同轴线选用损耗小的半刚性或刚性同轴电缆；传感器采用镍基高温合金材料，陶瓷介质选用氧化铝陶瓷或氮化硅陶瓷；微带天线辐射贴片采用铂-银合金；
进一步，本发明的微波传感器具有结构简单小巧，带宽适中，波束宽度较小，与被测叶片耦合小的特点；
传感器驱动模块：传感器驱动模块用于驱动微波传感器，即一方面向微波传感器提供发射信号，另一方面对微波传感器的接收信号进行处理；传感器驱动模块由锁相环(pll)、环形器、移相器、混频器、低通滤波电路、高通滤波电路、乘法器、加法器、比较器、自动增益控制电路(agc)、模数转换电路(a/d)、单片机(mcu)组成；
进一步，本发明中，单片机控制锁相环产生射频微波信号，一路经环形器由微波传感器发射，另一路作为本振信号提供给混频电路；
进一步，本发明中，单片机控制锁相环产生射频微波信号的频率进行扫描，通过自动增益控制电路的功率检测功能确定微波传感器的最小驻波点频率，通过调整锁相环频率使传感器工作在最小驻波点附近，提高系统信噪比，见图4；
进一步，本发明中，环形器用于将微波信号单向环形传输，即一方面将锁相环产生的微波发射信号传输给微波传感器，另一方面将微波传感器接收信号传输给混频电路；
进一步，本发明中，移相器将锁相环输出的一路本振信号进行90°移相，并与移相之前的本振信号一并传输给混频电路；
进一步，本发明中，混频器一方面将接收到的叶尖信号与本振信号混频，另一方面将接收到的叶尖信号与90°移相后的本振信号混频；
进一步，本发明中，低通滤波电路滤除混频信号中的高次载波信号，得到低频信号；
进一步，本发明中，高通滤波电路滤除混频信号中缓慢变化的端面反射信号，得到两路正交信号；
进一步，本发明中，两路正交解调信号通过模数转换后由数据采集模块进行采集和传输；
进一步，本发明中，由于两路信号正交，将两路信号平方后相加，可去除相位项，得到的叶尖定时信号等于反射信号强度的平方；
进一步，本发明中，利用自动增益控制(agc)电路使在叶尖间隙变化时信号幅度保持不变，以减小间隙变化带来的定时误差，并可以防止弱信号定时失效。
进一步，本发明中，采用双边沿联合检测方法，将通过agc电路后的信号与参考电平比较得到定时脉冲，同时采集定时脉冲两个边沿的定时值，取其平均值作为叶尖定时值，可以消除信号上升时间变化对定时参数测量的影响；
数据采集模块：数据采集模块利用数模转换后的两路正交解调信号得到叶尖间隙位移值，同时将叶尖定时时刻值和叶尖间隙位移值高速传输到上位机；
进一步，本发明中，数据采集模块可设计为基于pci\pcie\usb3.0总线协议的高速采集卡，包括数字信号处理器(dsp)和现场可编程门阵列(fpga)处理芯片；
进一步，本发明中，基于数据采集模块中的dsp芯片，利用反正切或dcm算法及相位解包裹方法，求解相位，并根据相位测距原理，求解被测的叶尖间隙位移值；
进一步，本发明中，数据采集模块中的fpga芯片，用于采集叶尖定时时刻值和经dsp处理后的叶尖间隙位移值，同时控制上位机接口芯片实现数据传输功能；
上位机软件：可实现多级转子测量数据的实时显示、存储，以及数据回显、数据分析、振动参数辨识等功能；
进一步，i和q两路正交解调信号也可直接通过数模转换后传输给上位机，同理，利用反正切或dcm算法及相位解包裹方法，由上位机软件得到被测的叶尖间隙位移值。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
本发明中，基于微波传感器的动叶片叶尖间隙和定时参数融合测量系统如图1所示，主要由微波传感器1，环形器2，锁相环(pll)3，移相器4，混频器5，低通滤波电路6，高通滤波电路7，单片机(mcu)8，乘法器9，加法器10，自动增益控制电路(agc)11，比较器12，a/d模拟数字信号转化器13，现场可编程门阵列(fpga)14，数字信号处理器(dsp)15，上位机16，传感器驱动模块17，数据采集模块18组成。
进一步，在传感器驱动模块17中，单片机(mcu)8控制锁相环(pll)3提供稳定的发射信号和参考信号；在测量过程中，对锁相环(pll)3产生射频微波信号的频率进行扫描，通过自动增益控制电路(agc)11的功率检测功能确定微波传感器1的最小驻波点频率，通过调整锁相环(pll)3频率使传感器1工作在最小驻波点附近，提高系统信噪比；
进一步，发射信号经环形器2后通过安装在机匣上的微波传感器1向转子轴方向投射微波，同时接收由叶尖反射的信号；
进一步，其中的一路回波信号与参考射频信号经混频器5混频后依次经过低通滤波电路6、高通滤波电路7滤波后得到同相信号i(式11)，另一路回波信号与经90°移相器4移相后的参考信号依次经过混频器5混频、及低通滤波电路6、高通滤波电路7滤波后得到正交信号q(式12)；
进一步，另外传感器驱动模块17将i和q两路信号经乘法器9平方及加法器10相加后由自动增益控制电路(agc)11保持信号幅度不变，经比较器12提取信号的幅值生成前后沿陡峭、光滑的定时强度信号(式15)；
进一步，比较器12采用双边沿联合检测的方法，同时采集定时脉冲两个边沿的定时值，取其平均值作为叶尖定时值，可以消除信号上升时间变化对定时参数测量的影响；
进一步，两路正交解调信号通过a/d模拟数字信号转化器13模数转换，由数据采集模块18采样并利用现场可编程门阵列(fpga)14同时将叶尖定时时刻值和叶尖间隙位移值高速传输给上位机16；
进一步，数据采集模块18利用数字信号处理器(dsp)15，采用反正切或dcm算法及相位解包裹方法，可计算出相位
进一步，上位机软件16可实现多级转子测量数据的实时显示、存储，以及数据回显、数据分析、振动参数辨识等功能。
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