一种发动机动应力信号遥测系统的制作方法

本发明涉及一种发动机动应力信号遥测系统。

背景技术：

航空发动机、燃气轮机是国防领域飞机、舰船等重大关键设备的核心机械部件，其中，发动机动叶片工作在高温、高压、高转速等恶劣工况环境下，在日常生产运行过程中，叶片断裂故障尤为突出，一旦发生叶片断裂，会带来严重的经济损失和安全事故。在发动机实际工作状态下，受动叶片与轮盘的连接刚性、发动机离心力、内部温度以及气流力等因素影响，叶片在旋转状态下的动频(自振频率)与非旋转状态下的静频有所不同，因此通过测量发动机转子叶片的动应力信号可实时有效监测动叶片工作状态及运行安全。

一方面，发动机正常运转过程中处在高温、高压、高转速的工作状态，传统的接触式动应力信号测量系统采用滑环实现供电和数据传输，该方法寿命极低，对发动机结构进行了改动，极大增加发动机运行安全隐患。

另一方面，非接触式转子叶片动应力信号测量系统又称为发动机转子叶片动应力信号遥测系统。遥测是指将一定距离外被测对象的参数，经过感受、采集，通过传输媒介送到接收地点并进行解调、记录、处理的一种测量过程。非接触式数据实时传输系统可分为感应式、红外式和无线数字式。其中，感应式数据传输方式基于电磁耦合原理，其载波频率受到磁芯截止频率的限制，难以满足高速数据传输要求；红外式数据传输方式利用红外线作为载体，只适合近距离、小角度、无障碍场合的数据传输，且不适用于恶劣服役环境；无线数字式数据传输方式广泛应用于高速旋转无线通信系统，具有短距离低功耗的特点。

再一方面，发动机动应力信号遥测系统位于旋转体内的部分，其接收和发射模块随转轴转动，天线的辐射方向性会随轴做近似圆周的转动，因此，无线数据传输天线的设计需解决相对运动引起的“多普勒效应”和“阴影效应”，并防止通道间串扰和信道衰落。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明设计一种可以防止通道间串扰和信道衰落的发动机动应力信号遥测系统，本发明采用的无线数据传输天线，包括发射天线和接收天线两部分，适用于发动机转子件与静子件之间10mm以内近程的动应力信号数据传输。本发明的技术方案如下：

一种发动机动应力信号遥测系统，包括多个分布在转子上的发射机、固定在转子上随转子一起旋转的发射天线、固定在静子上的接收天线、贴在发动机转子叶片上的应变片、功分器和接收机，所述的发射天线包括介质基板、地平面和多组不同工作频点的微带偶极子天线，其特征在于，

每组微带偶极子天线包括位于微带馈线和辐射贴片，微带馈线用来给辐射贴片馈电，辐射贴片与微带馈线的长度设计成二分之一工作频点波长，两者的重叠区长度设计成四分之一工作频点波长；接收天线采用加载环天线结构，包括金属导体环、加载电阻和平面反射板，金属导体环为金属管结构，金属导体环分为两个半环，两个半环中间串联加载电阻，电阻阻值等于金属导体环的平均特征阻抗，两端是馈电端，平面反射板置于金属导体环的背后，用以提高天线在θ＝0方向的方向性系数，θ＝0方向为垂直于平面反射板，由平面反射板指向金属导体环的方向；金属导体环与平面反射板的间距设定为0.05≤d/λ≤0.2，其中d为平面反射板距金属导体环的距离，λ为接收天线工作频点的波长；

发射天线的各组微带偶极子天线通过传输线缆与发射机连接，接收天线通过差分双线与功分器连接，功分器与接收机连接，应变片测量的动应变信号由传输线缆传输给发射机，经发射机调制编码后，由发射天线发射，接收天线接收之后经功分器将信号分配给接收机的各个通道进行信号解码解调。

本发明的实质性特点是：发射天线采用微带偶极子天线结构，具有增益高、效率高的性能，通过设计合适的发射天线单频点带宽，可满足多个通道各自天线带宽窄且调制频点分离的要求，有效避免通道间串扰；接收天线采用加载环天线结构，具有带宽宽、传输损耗小的性能，保证在发射机随转子轴高速旋转过程中，天线传输系数保持基本一致的要求，实现高传输系数旋转遥测信号的高速传输，有效避免信道衰落。与现有技术相比具有以下优点：克服传统的滑环接触式动应力信号测量系统寿命极低、易增加发动机运行安全隐患，而现有的非接触式动应力信号测量系统中，感应式数据传输方式难以实现高速数据传输，红外式数据传输方式不适用于恶劣服役环境的缺点，提出可实现发动机动应力信号遥测的无线数据传输天线，该天线与遥测系统发射机和接收机相配合，可实现恶劣服役环境下高寿命、短距离、低功耗、稳定、高传输信噪比的动应力遥测信号高速传输。

附图说明

图1示出本发明的微带偶极子天线结构示意图。

图2示出本发明的单通道发射天线反射系数示意图。

图3示出本发明的加载环天线结构示意图。

图4示出本发明的接收天线反射系数示意图。

图5示出本发明的发动机动应力信号遥测系统结构示意图。

图中标号说明：0为微带偶极子天线；1为辐射贴片；2为微带馈线(又称为耦合线)；3为介质基板；4为地平面；5为加载环天线，6为金属导体环，7为加载电阻，8为平面反射板；9为发动机转子，10为应变片，11为传输线缆，12为发射机，13为发射天线，14为转子环天线槽，15为接收天线，16为静子环天线槽，17为功分器，18为接收机，19为外围设备。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

本发明设计一种可实现发动机动应力信号遥测的无线数据传输天线，包括发射天线和接收天线两部分，在此基础上，进一步设计了发动机动应力信号遥测系统的整体结构。

(1)发射天线：

如图1所示，发射天线13采用多个微带偶极子天线0结构，微带偶极子天线0包括辐射贴片1、微带馈线(又称为耦合线)2、介质基板3和地平面4，辐射贴片1是金属材料，位于介质基板3上表面，微带馈线2是金属材料，位于介质基板3内部，地平面4是金属材料，位于介质基板3下表面，介质基板3采用印刷电路板(pcb)常用的板材材料，辐射贴片1的宽度受转子环尺寸的限制，设计成与微带馈线2的宽度相等，微带馈线2用来给辐射贴片1馈电，辐射贴片1与微带馈线2的长度设计成二分之一工作频点波长，辐射贴片1与微带馈线2的重叠区长度设计成四分之一工作频点波长，辐射贴片1与微带馈线2的弯曲半径、介质基板3的厚度可根据实际安装条件调整，对天线性能不造成影响。

通过调整辐射贴片1的宽度，辐射贴片1和微带馈线2两条带之间基板的厚度或者在宽度方向偏置微带馈线2，从而改变微带馈线2和辐射贴片1的重合面积可调整微带偶极子天线0的输入阻抗。

发射天线13采用同轴线馈电方式，同轴线内导体穿过介质基板接在微带馈线2上，同轴线屏蔽层与介质基板3底面地平面4连接，实现对天线的激励；

发射天线13属于微带天线类型，适用于激励频率高于100mhz的环境，每一个微带偶极子天线0对应一个发射通道，每个发射通道对应一个工作频点，如图2所示，微带偶极子天线0单频点带宽窄，仅40mhz，可满足多个发射通道调制频点分离的要求，有效避免通道间串扰，具有增益高、效率高的特点。

(2)接收天线：

如图3所示，接收天线15采用加载环天线5结构，包括金属导体环6、加载电阻7和平面反射板8，金属导体环6是金属管结构，其导体环直径a和金属管直径b可根据实际安装条件设定，金属导体环6两端是馈电端，金属导体环6分为两半，其平均特性阻抗近似为中间串联特定数值的加载电阻7，电阻阻值等于金属导体环6的平均特征阻抗，金属导体环6背后放置的平面反射板8可提高天线在θ＝0方向的方向性系数；θ＝0方向为垂直于平面反射板8，由反射板指向金属导体环6的方向；平面反射板8为金属材料。

金属导体环6通过接入加载电阻7，两个半圆环可向外辐射电磁波，沿环的电流分布为行波电流，具有单向辐射性，频带较宽。金属导体环6与平面反射板8的间距设定为

0.05≤d/λ≤0.2，其中d为平面反射板8距金属导体环6的距离，λ为工作频点的波长，该间距设定范围满足接收天线15所有工作频点对应波长的要求，此时可提高接收天线的方向性系数。

接收天线15采用差分双线馈电方式，两条差分线分别接入金属导体环6的两个馈电端口，实现对天线的激励。

接收天线15属于环天线类型，适用于需要宽带频谱接收的环境，如图4所示，接收天线15具有宽频带特性，带宽覆盖1ghz-3ghz，在θ＝0方向具有高增益。

(3)安装位置：

如图5所示为发射天线13和接收天线15的相对安装位置以及发动机动应力信号遥测系统结构示意图，发射天线13安装在转子环天线槽14内，转子环天线槽14和发射机12安装在发动机转子9上随发动机转子9旋转，转子环天线槽14与发动机转子9的中心轴线重合，接收天线15安装在静子环天线槽16内，接收天线15的θ＝0方向指向发动机转子9的中心，平面反射板8可安装在静子环天线槽16的背面或嵌入静子环天线槽16的内部，静子环天线槽16在发动机工作过程中静止不动，和转子环天线槽14采用转轴端面对接或转轴径向对接形式，静子环天线槽16和转子环天线槽14的中心轴线重合，保证在发动机旋转过程中，接收天线始终正对发射天线，静子环天线槽16和转子环天线槽14采用绝缘材料，如塑料、木材等。

发射天线13通过传输线缆11与发射机12连接，接收天线15通过差分双线与功分器17连接，功分器17与接收机18连接，应变片10贴在发动机转子9叶盘的叶片上，应变片10测量的动应变信号由传输线缆11传输给发射机12，经发射机12调制编码后，由发射天线13发射，接收天线15接收，之后经功分器17将信号平均分配给接收机18的各个通道进行信号解码解调，解码后的信号从接收机18输出到外围设备19。

发射机12的每个通道接入一路微带偶极子天线0，发射天线13由多路微带偶极子天线0组成，微带偶极子天线0的个数由发射机通道的个数决定。例如，某发动机动应力信号遥测系统发射机12共有8个通道，共外接8路微带偶极子天线0，8路微带偶极子天线0在转子环天线槽14内圆周排列，组成遥测系统的发射天线13。接收机18的所有通道共同外接一个加载环天线5结构形式的接收天线15，该接收天线15经功分器17进行功率平均分配后接入接收机18的每个通道。例如，某发动机动应力信号遥测系统接收机18共有8个通道，接收天线15经功分器17进行功率平均分配后分成8路信号接入接收机18的每个通道。