各种间隙测量方法论述

间隙测量方法概述
1、探针法
探针法是目前发动机叶尖间隙测量的常用方法，采用叶尖放电方式，即依靠电机使外加直流电压的探针沿径向移动，当探针移向叶尖至发生放电为止，探针的行程与初始安装间隙(静态时探针到机匣内表面的距离)之差即叶尖间隙。

它主要由探针、执行机构及控制器组成。

其间隙测量系统在探针上施加高压，在执行机构的驱动下，以连续的步进逐渐伸向被测物体，当探针距离被测物体只有微米量级时，发生电弧放电，控制器感受到放电后，在探针与叶尖物理接触之前，停止探针步进，将其缩回到安全位置，同时显示叶尖间隙测量结果。

它只适用于温度6000C以下、转速在6000r/min以上，而且探针容易受到异物及油渍的污染造成阻塞。

由于它是接触式测量，一旦发动机紧急停车，探针缩回不到安全位置，就容易发生故障探针法的特点:原理比较简单，只要叶片是导电材料，无论叶尖端面形状如何都可以用探针法测量叶尖间隙，且在高温高压环境下测量稳定、可靠，但是该方法只能测量转子的最小叶尖间隙，此外，外加电压的波动，壳体内气体的温度和压力变化，探针和叶尖端面的污损，都会改变放电的起始距离，因而产生测量误差。

探针法不适于作为固定设备装载定型的发动机上，适用于试验研究，可以测量各稳态状态下最长叶片与机匣的间隙值，也可用作校准其他测量方法的基准。

由于一些微型发动机的叶片不是导电材料，所以无法使用探针法进行测量。

2、电容法
电容法是利用绝缘电极(电容极板)与待测金属端而形成的电容进行测量的，间隙的变化导致测量电容的变化，再将电容变化量通过检测电路和调理电路转换成易于检测和分析的电压或电流信号。

电容法广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，具有结构简
单、体积小、分辨率高、动态响应好等特点。

电容式传感器利用了将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量，广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，步扩大到压力、差压、液而、成分含量等方而的测量，电容式位移传感器，是根据被测物体的位移变化转换为电容器电容变化的一种传感器，一般用于高频振动和微小位移的测量。

‘常用的测量电路有运算放大器式电路、调频电路、充放电法电路等。

（1）电容式传感器的优点：
1}温度稳定性好：电容传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小。

因此只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和结构尺寸即可，其他因素如本身发热极小，影响稳定性甚微。

2)结构简单，适应性强：电容传感器结构简单，易于制造;能保证高的精度。

一般用金属做电极，无机材料做绝缘支架，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量。

由于可以不使用有机材料或磁性材料，因此能在高温、低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境卜工作，适应能力强。

尤其可以承受很大的温度变化，在高压力、高冲击、过载情况下都能正常土作，也能对带磁工作进行测量。

3)动态响应好：电容传感器除其固有频率很高，即动态响应时间很短外，又由于其介质损耗小，可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。

它可用于测量高速变化的参数，如振动、瞬时压力等。

4)可以实现非接触测量，具有平均效应，当被测件不能受力、处于高速运动中，表面不连续或表面不允许划伤等不允许采用接触测量的情况下，电容传感器可以完成测量任务。

例如，测量回转轴的振动或偏心率、小型滚珠轴承的径向间隙等。

当采用非接触测量时，电容传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。

（2）电容式传感器的主要缺点：
1)输出阻抗高，负载能力差：电容传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制不易做得很大，一般为几十皮法，小的可以只有几个皮法，因此它的输出阻抗高，因而负载能力差，易受外界干扰影响产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取妥善的屏蔽措施，这给设计和使用带来不便。

容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高(几十兆欧以上)，否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响仪器的性能(如灵敏度降低)，为此还要特别注意周围的环境。

若采用高频供电，可降低传感器输出阻抗，但高频放大、传输远比低频的复杂，寄生电容影响大，不易保证能十分稳定工作。

2)寄生电容影响大：电容传感器的初始电容量小，而连接传感器和测量电路的引线电容(电缆电容每米有几个到几十个pF)、测量电路的杂散电容以及传感器内极板与其周围导体构成的电容等寄生电容却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容(如电缆电容)‘常常是变化的，使得仪器工作很不稳定，影响测量精度。

因此对电缆的选择、安装、接法都有严格的要求。

例如，采用屏蔽性好、自身分布电容小的高频电缆作为引线，引线粗而短，要保证仪器的杂散电容小而稳定等，否则不能达到高的测量精度。

3)输出特性非线性
变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，虽然可采用差动形式来改善，但不可能完全消除。

另外还由于电场边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性。

3、电涡流法
电涡流法是采用金属切割磁力线产生磁场变化的原理，根据电涡流的大小确定间隙。

电涡流传感器能静态和动态的非接触、高线性度、高分辨率地测量被测金属导体距探头表面的距离，是一种非接触的线性化计
量工具。

电涡流传感器能准确测量被测体(必须是金属导体)与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。

在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析、振动研究、分析测量中，需要对非接触的高精度振动、位移信号进行精确测量，要求能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数，如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。

电涡流传感器能直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损以及汽轮机、水轮机、鼓风机、压缩机、空分机、齿轮箱、大型冷却泵等大型旋转机械轴的轴向位移、键相器、轴转速、胀差、偏心、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定等提供关键的信息。

利用电涡流传感器设计间隙测量应用系统，用来实时测量和显示气浮轴承偏心度。

电涡流传感器优点：
电涡流传感器具有长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。

电涡流传感器缺点：
电涡流传感器要求被测体必须是具有一定厚度的金属，且被测表面要求光滑；当被测金属为圆轴时要求直径尽可能大，线性起点较大，测量精度小够高；探头位置附近处要求没有其它金属端面；探头体积较小，不易安装等，这使电涡流法间隙测量应用系统在一些复杂间隙的测量方面无能为力。

4、光纤法
光纤法一般分反射式光纤法和光导探针测量法。

（a）反射式光纤法的基本原理是：当光源发出的光经光纤照射到位移反射体后，被反射的光又经接收光纤输出，被光敏器件接收。

其输出光强决定于反射体距光纤探头的距离，当位移变化时则输出光强作相应的变化，通过对光强的检测得到间隙值。

该方法的主要特点：具有高灵敏度，高分辨率，抗电磁干扰，超高电绝缘，性能稳定，设计灵活，能在恶劣的环境下工作，适用于静态和动态的实时检测。

但是光纤法测量系统相对比较复杂，成本高，另外测量效果与反射体表面有关，如由于叶片表面经过高温烧蚀，它的反射系数降低，反射损失会造成灵敏度降低，假定反射面与光纤轴垂直，如果反射端面稍有倾斜，对灵敏度也会产生很大的影响。

（b）光导(激光近程)探针测量法：光导探针法是通过光导纤维将一激光束投射到待测体上，当间隙发生变化时，由于反射光返回路径不同，在光电接收器上的光点位置发生变化，其变化量经过计算即可得出待测的间隙。

光导探针间隙测量系统包括激光器、探头、光纤、光电转换装置、信号记录和监视器等。

光导(激光近程)探针测量法早在20世纪50年代初期，由英国Fenlow公司制造的探针测量系统首次在涡轮机研制中用于连续监测叶尖间隙，国内近年来也有关于光纤法用于发动机叶尖间隙测量的研究，但是应用报道很少。

该方法的特点是：不受待测体本身材料的限制，能在恶劣的环境下工作；测量精度高、频响快，适用于静态和动态的实时检测；光纤探头体积较小、易安装等。

但同样存在测量系统实现相对比较复杂，成本高等特点，另外由于传感器运行在高温高压和大振动的情况下，因此需要对光学系统进行保护，防止污染和仪器损坏。

国外现已有商品化的叶尖间隙探测仪器，但是价格昂贵，而且一般都基于特定的发动机结构特点，很难直接使用。

国内一些发动机制造厂和维修厂等机构也正在解决这一测量难题，有些研究部门经过多年的探索，在对非接触间隙测量方面已有新的突破，同时引进一些新技术和新的实验方法，但在航空发动机叶尖间隙测量的应用方面还不甚理想。