本发明属于发动机技术领域，特别是涉及一种叶尖间隙测量传感器动态校准系统及校准方法。
背景技术
叶尖间隙是影响飞机发动机性能的重要参数之一，控制转子叶尖与机匣之间的径向间隙可以减少工作介质泄漏而造成的损失，同时提高发动机工作的气动稳定性。据统计，叶尖间隙每增加叶片长度的1％，效率约降低1.5％，耗油率约增加3％。但叶尖间隙过小又会导致叶片和机匣间的摩擦，降低发动机寿命，甚至影响飞行安全。因此，如何设计和控制间隙使其最为合适，对提高发动机性能、保证飞行安全非常重要。
叶尖间隙测量传感器的测量对象工作在高转速环境下，传感器的测量结果受到被测叶片叶尖形状、尺寸、面积等参数的影响，且在不同转速下，叶片经过传感器测量面的速度不同，也会对间隙测量结果的动态特性造成一定影响，因此，要得到准确的间隙测量结果，在叶尖间隙测量传感器使用前必须通过专用设备对其进行校准。
目前国内对叶尖间隙测量传感器校准技术的研究刚刚起步，各研究单位也仅搭建了针对各自所用叶尖间隙测量传感器的初步校准系统，这些校准系统大多为静态校准，少部分为转子旋转状态的叶尖间隙测量传感器的校准，但是后者装置中传感器动态工作状态下标准间隙的大小仍然是由叶片静止时通过位移机构或者千分尺直接测量叶片到传感器之间的距离得到。当叶片开始旋转后，特别是高转速旋转时，叶片会产生振动、偏心等问题，造成静态给出的标准间隙距离的变化。因此在动态校准时，如果仍然采用静态条件下给出的间隙值作为标准，动态校准本身引入的误差可能会超过传感器本身的测试精度要求，因此间隙测量传感器的动态校准研究中必须对动态条件下的标准间隙大小进行标定。
总的来说，国内目前尚未开展叶尖间隙测量传感器动态校准技术的相关研究，搭建的旋转状态下叶尖间隙测量传感器的校准系统也并未对高转速条件下标准间隙的变化量进行补偿，从而影响了校准结果的准确性。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种叶尖间隙测量传感器动态校准系统及校准方法，能够在高转速环境下对叶尖间隙测量传感器进行动态校准。
本发明的一个方面提供一种叶尖间隙测量传感器动态校准系统，包括：校准盘动力装置、静态间隙设定装置和动态间隙补偿装置，所述校准盘动力装置包括变频器、高转速电机和校准盘，所述校准盘安装在所述高转速电机的输出轴上，所述高转速电机为所述校准盘的旋转提供动力，所述变频器控制所述高转速电机的工作转速；所述静态间隙设定装置包括传感器安装机构和第一移动位移机构，所述传感器安装机构用于安装所述叶尖间隙测量传感器，所述第一移动位移机构用于在间隙测量方向上移动所述传感器安装机构，从而改变所述叶尖间隙测量传感器与所述校准盘的对应叶片之间的距离；所述动态间隙补偿装置包括第一光学探头，所述第一光学探头安装在与所述叶尖间隙测量传感器相同的一侧，用于测量旋转状态下所述叶尖间隙测量传感器与所述校准盘的对应叶片之间的距离的变化量。
本发明的另一个方面提供一种校准方法，是上述叶尖间隙测量传感器动态校准系统的校准方法，包括：调节所述第一移动位移机构，使所述叶尖间隙测量传感器与所述校准盘的对应叶片之间产生初始间隙d1；通过所述高转速电机使所述校准盘以速度v旋转，通过所述第一光学探头测量所述叶尖间隙测量传感器与所述校准盘的对应叶片之间的距离的变化量δz；按照下式计算幅值灵敏度s(v)作为校准结果，其中d(v)为所述叶尖间隙测量传感器的测量值，d0(v)为标准叶尖间隙值：
在每一个转速v下，通过调节所述第一移动位移机构改变初始间隙d1来获得相应的幅值灵敏度结果；通过所述变频器设置相应频率，改变所述高转速电机的转速，获得不同转速v下的幅值灵敏度校准曲线。
本发明的上述方面的叶尖间隙测量传感器动态校准系统及校准方法实现了叶尖间隙测量传感器的动态校准，在传统静态间隙标准值的基础上，采用动态间隙补偿装置对系统在高转速运行下的标准间隙值的变化量进行测量，通过该值有效补偿由于高转速旋转因素造成的标准间隙值的变化，具有结构简单、功能完善、动态校准精度高等有益效果。
附图说明
图1是本发明一个实施方式的叶尖间隙测量传感器动态校准系统的整体组成示意图；
图2是本发明一个实施方式的叶尖间隙测量传感器动态校准系统中的校准盘动力装置的组成剖视图；
图3是本发明一个实施方式的叶尖间隙测量传感器动态校准系统中的静态间隙设定装置和动态间隙补偿装置的组成侧视图；
附图标记：1-电机大理石安装基座，2-光学平台，3-第一位移台步进控制电机，4-第一位移台，5-高转速电机固定座，6-变频控制器，7-高转速电机，8-传感器安装座，9-传感器预紧座，10-防护罩，11-第二光学探头，12-三角固定支架，13-第三位移台，14-第三位移台步进控制电机，15-校准盘，16-第二位移台步进控制电机，17-第二位移台，18-第一光学探头，19-轴套，20-轴端压盖，21-轴端防护盖。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明的一个实施方式提供一种叶尖间隙测量传感器动态校准系统，包括：校准盘动力装置、静态间隙设定装置和动态间隙补偿装置，所述校准盘动力装置包括变频器、高转速电机和校准盘，所述校准盘安装在所述高转速电机的输出轴上，所述高转速电机为所述校准盘的旋转提供动力，所述变频器控制所述高转速电机的工作转速；所述静态间隙设定装置包括传感器安装机构和第一移动位移机构，所述传感器安装机构用于安装所述叶尖间隙测量传感器，所述第一移动位移机构用于在间隙测量方向上移动所述传感器安装机构，从而改变所述叶尖间隙测量传感器与所述校准盘的对应叶片之间的距离；所述动态间隙补偿装置包括第一光学探头，所述第一光学探头安装在与所述叶尖间隙测量传感器相同的一侧，用于测量旋转状态下所述叶尖间隙测量传感器与所述校准盘的对应叶片之间的距离的变化量。
本发明采用高转速电机模拟发动机实际的高转速环境，保证叶尖间隙测量传感器校准过程与发动机实际转动工况类似；采用校准盘模拟发动机转子，采用传感器安装机构模拟机匣壁，采用叶尖间隙测量传感器与校准盘对应叶片之间的距离，模拟转子叶尖与机匣之间的径向间隙；通过动态间隙补偿装置对动态条件下标准间隙变化值进行补偿，实现动态下对叶尖间隙测量传感器的精准校准。通过将传感器高转速下测得的叶尖间隙大小与静态间隙设定装置和动态间隙补偿装置给出的合成标准间隙值进行比对，得到传感器的动态校准曲线，实现叶尖间隙测量传感器高转速下的动态校准。
图1是本发明一个实施方式的叶尖间隙测量传感器动态校准系统的整体组成示意图。本实施方式的叶尖间隙测量传感器动态校准系统包括校准盘动力装置、静态间隙设定装置、动态间隙补偿装置。
校准盘动力装置
图2是本发明一个实施方式的叶尖间隙测量传感器动态校准系统中的校准盘动力装置的组成剖视图。如图1和图2所示，校准盘动力装置包括变频器6、高转速电机7和校准盘15，校准盘15安装在高转速电机7的输出轴上，高转速电机7为校准盘15的旋转提供动力，变频器6控制高转速电机7的工作转速。
变频器6设定频率使高转速电机7的工作转速保持在校准需要的某一恒定转速，通过设定不同频率改变高转速电机7的转速。校准盘15通过安装机构直接安装在高转速电机7的主轴(输出轴)上，通过主轴旋转直接带动校准盘15稳定、同步转动。高转速电机7的最高转速可达每分钟数万转以上，可以满足叶尖间隙测量传感器在不同转速范围下的校准需求。高转速电机7的选取由实际校准需要达到的转速要求确定，为了保证校准结果的准确性，校准盘15中叶片的设计需要与实际被测发动机叶片的形状和尺寸保持一致。
校准盘动力装置另外还可以包括轴套19、轴端压盖20、轴端防护盖21、防护罩10、三角固定支架12等部件。
被校叶尖间隙测量传感器通过传感器预紧座9紧固安装在传感器安装座8(模拟机匣壁)上，传感器安装座8与第一位移台4(第一移动位移机构)相连，第一位移台4随第一位移台步进控制电机3(第一步进控制电机)移动，通过调整第一位移台4，使叶尖间隙测量传感器与校准盘15的被测叶片叶尖位置正对。
校准盘15采用直接与高转速电机7输出轴相连的方式，通过设计不同尺寸的轴套19，以匹配不同安装孔的校准盘15。轴套19套在高转速电机7的输出轴上，校准盘15通过轴套19与轴端压盖20进行定位，通过轴套19与轴端压盖20共同作用，确保校准盘15不发生轴向串动。防护罩10通过两个三角固定支架12固定，在校准盘15高转速旋转时起安全防护作用。防护罩10、轴端防护盖21、三角固定支架12共同构成保护试验安全的校准盘保护部分。
装配过程中，先将轴套19套在高转速电机7的输出轴上，然后安装校准盘15，通过轴套19上的平键对校准盘15进行定位，轴端压盖20通过预紧螺栓紧固在高转速电机7的输出轴上。
静态间隙设定装置
图3是本发明一个实施方式的叶尖间隙测量传感器动态校准系统中的静态间隙设定装置和动态间隙补偿装置的组成侧视图。如图1和图3所示，静态间隙设定装置包括传感器安装座8(传感器安装机构)和第一位移台4(第一移动位移机构)，传感器安装座8用于安装叶尖间隙测量传感器，第一位移台4用于在间隙测量方向上移动传感器安装座8，从而改变叶尖间隙测量传感器与校准盘15对应叶片之间的距离。
静态间隙设定装置的主要功能是为叶尖间隙测量传感器校准系统在静态条件下提供标准间隙，在校准盘15旋转前，给出静态下被校叶尖间隙测量传感器与校准盘15的对应叶片之间的标准间隙，同时该静态标准值也是传感器动态校准过程中标准间隙的初始值。
静态间隙设定装置的第一位移台4可以由粗精结合、空间上三个方向相互垂直的位移机构组成，在静态标准间隙测量方向上，位移机构精度要求足够高，同时要求该机构定期进行校准，满足间隙校准的精度要求。
静态间隙设定装置另外还可以包括第一位移台步进控制电机3(第一步进控制电机)、传感器预紧座9等部分，其侧视图如图3所示。叶尖间隙测量传感器通过传感器预紧座9固定在传感器安装座8上，通过不同厚度的垫片调整叶尖间隙测量传感器在传感器安装座8中的回缩值大小，模拟叶尖间隙测量传感器在实际测试过程中的安装状态。传感器安装座8安装在第一位移台4上，第一位移台4通过在标准间隙方向上移动传感器安装座8从而改变叶尖间隙测量传感器与校准盘15被测叶片之间的叶尖间隙静态标准值。第一位移台4还可以在与间隙测量方向相垂直的其他两个方向上进行位移的调整，实现叶尖间隙测量传感器与校准盘15叶片正对位置的细调，其精度一般需要满足传感器与叶片正对位置调整的精度要求，从而使得实际校准过程与测试过程尽可能一致，保证校准结果的可靠性。传感器安装座8与第一位移台4均安装在第一位移台步进控制电机3上，在完成叶片正对位置的调整后，可通过第一位移台步进控制电机3控制第一位移台4的运动，进行静态标准值的设定。
动态间隙补偿装置
如图1和图3所示，动态间隙补偿装置包括第一光学探头18，第一光学探头18安装在与叶尖间隙测量传感器相同的一侧，用于测量叶尖间隙测量传感器与校准盘15的对应叶片之间的距离的变化量。
动态校准系统的关键在于旋转状态下系统能够精确控制被测叶片与测量探头之间的标准间隙距离，因此动态下标准叶尖间隙值的确定是精确实现校准的关键。静态间隙设定装置能够提供静态条件下的标准间隙值作为动态系统标准间隙的初始值，由于校准系统工作在高转速的条件下，为了补偿高转速旋转机构的轴偏、振动等因素对标准间隙值的影响，通过与被校叶尖间隙测量传感器同侧安装的动态间隙补偿装置对传感器校准过程中的间隙变化值进行同步补偿，实现对动态环境下叶尖间隙测量传感器的精确校准。
动态间隙补偿装置可以由转子参数光学测量系统实现，该系统可以由光学探头、传导光纤、光源、光电探测器、数采系统和计算机数据分析软件等部分组成。光源输出的光由传导光纤传导至光学探头中，经过光学系统的分束和调理，聚焦于被测叶片表面的测量点上。光电探测器接收到被测表面返回的光学信号，并将其转化为电压信号传输给数采系统。数据分析软件则安装于计算机中，通过光电信号解调直接获得测量点处的径向位置，实现动态条件下标准间隙变化量的测量。
该转子参数光学测量系统可获得叶片运动过程中的间隙测量方向上叶尖位置相对被校传感器的变化大小，将该测量值与静态的标准间隙初始值进行求差运算即可得到整套系统动态下的标准间隙值。
动态间隙补偿装置除了包括第一光学探头18外，还可以包括第二位移台17(第二移动位移机构)、第二位移台步进控制电机16(第二步进控制电机)，各组件基本安装结构与静态间隙设定装置一致，其侧视图如图3所示。第一光学探头18安装在第二位移台17上，然后与其一起安装于第二位移台步进控制电机16上。调整第二位移台17使得第一光学探头18发射的光学信号与叶尖间隙测量传感器中心测量位置对应同一被测叶片，且在同一测量平面上。校准过程中通过第一光学探头18测量旋转状态下叶尖间隙测量传感器与校准盘15对应叶片之间的距离的变化量，将该测量值作为标准间隙的补偿量，计算动态条件下的标准叶尖间隙大小。
除了上述校准盘动力装置、静态间隙设定装置和动态间隙补偿装置之外，由于转子高转速旋转时在不同测量位置上具有不同的动态特性，为了保证整套校准系统在高转速下工作的稳定性和可靠性，本实施方式的叶尖间隙测量传感器动态校准系统还可以包括运动参数监控装置，所述运动参数监控装置位于被校叶尖间隙测量传感器安装面的对侧，包括第二光学探头11，第二光学探头11安装在与所述叶尖间隙测量传感器相对的一侧，用于监测校准盘15在旋转状态下的振动、偏心等动态参数的变化，保证装置的稳定运行。
第一光学探头18安装在叶尖间隙测量传感器的相同方向上，并与叶尖间隙测量传感器测量同一被测叶片，而对侧的第二光学探头11安装在叶尖间隙测量传感器的对侧正对方向上，用于转子叶片运动参数的监控，保障系统可靠运行。
通过在被校叶尖间隙测量传感器安装面的对侧也采用一套转子参数光学测量系统进行转子运动参数的同步测量和监控，一方面可以将该装置的测量结果与动态间隙补偿装置的测量结果进行比对分析，进一步保证校准数据的可靠性；另一方面可以实现装置中转子在高转速旋转状态下运动特性的监控，保证装置的安全运行。
除了第二光学探头11外，所述运动参数监控装置还可以包括用于调整第二光学探头11位置的第三位移台13(第三移动位移机构)以及用于控制第三位移台13移动的第三位移台步进控制电机14(第三步进控制电机)。
另外，本实施方式的叶尖间隙测量传感器动态校准系统还可以包括电机大理石安装基座1、光学平台2、高转速电机固定座5等用于固定的部分，高转速电机7通过四个地脚螺栓固定在电机固定座5上，电机固定座5固定在电机大理石安装基座1上，光学平台2用于固定静态间隙设定装置、动态间隙补偿装置、运动参数监控装置的各部分。
本发明的另一个实施方式提供一种校准方法，是上述叶尖间隙测量传感器动态校准系统的校准方法，包括：调节所述第一移动位移机构，使所述叶尖间隙测量传感器与所述校准盘之间产生初始间隙d1；通过所述高转速电机使所述校准盘以速度v旋转，通过所述第一光学探头测量所述叶尖间隙测量传感器与所述校准盘之间的距离的变化量δz；按照下式计算幅值灵敏度s(v)作为校准结果，其中d(v)为所述叶尖间隙测量传感器的测量值，d0(v)为标准叶尖间隙值：
在每一个转速v下，通过调节所述第一移动位移机构改变初始间隙d1来获得相应的幅值灵敏度结果；通过所述变频器设置相应频率，改变所述高转速电机的转速，获得不同转速v下的幅值灵敏度校准曲线。
本实施方式的叶尖间隙测量传感器动态校准方法用于实现叶尖间隙测量传感器动态条件下标准间隙值的计算。动态标准间隙大小的给定由静态间隙设定装置和动态间隙补偿装置共同给出。校准前，针对被校叶尖间隙大小，首先由静态间隙设定装置给定叶尖间隙初始标准值；当校准盘在校准需要的恒定转速下旋转时，由于旋转盘的偏心、振动等不平衡因素会导致动态条件下标准间隙值的变化，该变化量由动态间隙补偿装置的转子参数光学测量系统测出。该系统测量精度可达到亚微米量级，量值可直接溯源到长度和时间基准，能够有效补偿由于转子高转速旋转等因素造成的标准值的变化。最终通过静态间隙设定装置给出的静态标准间隙与动态间隙补偿装置给出的动态下的标准间隙变化量的差值作为动态环境下的叶尖间隙测量传感器校准系统的标准间隙值。
叶尖间隙测量传感器动态校准方法的实现过程为：首先移动第一位移台步进控制电机3和第一位移台4，使叶尖间隙测量传感器与校准盘叶片叶尖接触，确定传感器的零位。然后调节第一位移台步进控制电机3使被校传感器与叶尖之间产生一个d1的间隙，当校准盘旋转后，该间隙必然发生变化，由动态间隙补偿装置的第一光学探头18测量由于旋转引入的叶尖间隙相对静态时的距离变化量δz，将这个变化量用于传感器在旋转状态下标准间隙的修正。因此，当转速为v时，校准系统输入的标准叶尖间隙值d0(v)为：
d0(v)＝d1-δz(v)
若被校叶尖间隙测量传感器的测量值为d(v)，则采用幅值灵敏度s(v)作为校准结果。
在每一个固定转速下，通过在测量范围内改变输入值来获得相应的幅值灵敏度结果，从而获得不同转速下的幅值灵敏度校准曲线。
以微波叶尖间隙测量传感器的校准为例，采用本实施方式的叶尖间隙测量传感器动态校准系统进行动态校准的过程为：
1、校准前的准备和设置
1)将与叶尖间隙测量传感器动态校准系统相关的电缆、接头、控制系统电源连接线等按连接要求准确连接，保证各设备正常工作；
2)将微波叶尖间隙测量传感器固定在传感器安装座8上，通过不同厚度垫片调整微波叶尖间隙测量传感器在模拟机匣壁中的回缩值；微调第一位移台4，带动传感器安装座8移动，使微波叶尖间隙测量传感器探头正对被测叶片叶尖位置，完成静态间隙设定装置的初始化；
3)调整动态间隙补偿装置中的第二位移台步进控制电机16，使得第一光学探头18到合适的测量位置，保证光学信号能量有效；调整第二位移台17使得第一光学探头18发射的光学信号与微波叶尖间隙测量传感器探头中心位置在同一被测叶片上，完成动态间隙补偿装置的初始化。同样方法完成对侧方向上监控用第二光学探头11的初始化；
4)调整试验所需的其他各台仪器设备，使其处于规定的工作状态。
2、传感器校准，记录数据
1)通过静态间隙设定装置中的第一位移台步进控制电机3运动，带动第一位移台4和传感器安装座8水平移动，使微波叶尖间隙测量传感器与叶尖轻轻接触，将此位置记录为零位移。
2)控制静态间隙设定装置移动到微波叶尖间隙测量传感器与叶尖距离为校准开始的初始值位置，如0.1mm。
3)启动高转速电机7，通过变频器6设置相应频率，使高转速电机7带动校准盘15稳定在校准需要转速，记录微波叶尖间隙测量传感器在该校准点位置上的动态测试数据，同步记录两个光学探头测量得到的数据。
4)控制静态间隙设定装置移动位移值，以0.5mm为间隔，直到传感器测量范围最远端，如6mm校准位置处，并依次记录微波叶尖间隙测量传感器在不同校准位置上的动态测试数据；同步记录光学探头测量得到的数据。
5)提取某个固定叶片在不同间隙位置上的测量间隙值，将静态标准叶尖间隙值与动态间隙补偿装置的数据分析软件计算得到的偏差量进行求差运算，得到标准间隙值；将不同校准位置上的微波叶尖间隙测量传感器动态测试结果与标准间隙值进行对比，得到该转速条件下的传感器动态校准曲线。
6)调整步进电机，带动微波叶尖间隙测量传感器重新回到初始校准位置，改变高转速电机7的转速，重复步骤3)～5)，得到不同转速下微波叶尖间隙测量传感器的动态校准曲线。
本发明的实施方式的叶尖间隙测量传感器动态校准系统及校准方法充分考虑了叶尖间隙测量传感器在实际测试过程中旋转过程对标准值的影响，通过动态间隙补偿装置对其变化量进行测量，进一步补充和完善了现有叶尖间隙测量传感器动态校准技术的研究，与现有的间隙测量传感器校准系统相比，真正解决了叶尖间隙测量传感器的动态校准的问题。
另外，本发明通过光学式测量方法实现了叶尖间隙测量传感器的动态校准，但是，根据实际间隙测量传感器校准过程，也可采用基于其他不同机理的动态测量方法，例如电容式测量方法等，进行动态下标准间隙变化量的测量、补偿和修正。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施方式，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施方式进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明保护范围的限制。