高温应变测量技术

5.1 光纤式叶尖定时传感器 主要研制和生产公 司有美国 HOOD 和 AGILIS 公司。
该传感器不 能在有污染 的条件下使 用，需保持 传感器测头 端面清洁。
5.2 电容式叶尖定时传感器
电容式叶尖定时传感器整体结构示意图
电容传感器测头
根据传感器芯极与叶片端面间形成的电容变化获取叶片的到 来时刻。
3 激光多普勒法
由激光测速技术发展而来的，其原理在于探测从振动叶片表 面散射回来的反射光的多普勒频移，从而得到叶片振动参数。 LDV：激光多普勒振动计 局限性：1、光路安装调试复杂，不适合现场环境；2、要求 被测转子转速不宜过高；3、叶片表面粗糙度引起斑点噪声； 4、轴系振动影响激光对准效果
参考文献 [1] Kulczyk W.K, Q.V. Davis, Laser Doppler instrument for measurement of vibration of moving turbine blade, Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, 1973, 120(9). [2] İbrahim Ata SEVE, Experimental validation of turbo-machinery blade vibration predictions: [Doctor’s Thesis], London; Department of Mechanical Engineering Imperial College London, 2004. [3] A.J. Oberholster, P.S. Heyns, Online condition monitoring of axial-flow turbo-machinery blades using rotor-axial Eulerian laser Doppler vibrometry, Mechanical Systems and Signal Processing, 2009, 23: 1634-1643. [4] 吕宏诗，刘彬，激光多普勒测振技术的最新进展，激光技术，2005，29(2): 176-179.
4 声响应法
通过安装在汽缸内部的声信号传感器捕获叶片振动时发出的 声信号，对声信号进行分析处理，可得到叶片振动信息。 局限性：实际旋转机械环境是一个具复杂的又具有宽频率范 围的声场，背景噪声将对信号造成严重干扰。
参考文献 [1] Robert L.L, Keith T, Monitoring Systems for Steam Turbine Blade Faults, Sound and Vibration, 1990. [2] 韩敬宇，基于声发射技术的风电叶片裂纹无线监测系统研究：[硕士学位论文]，北京；北京 化工大学，2010. [3] 杨海燕，刘启洲，叶片裂纹故障的多普勒在线监测技术仿真研究，航空动力学报，1999， 14（1）：69-73.
5.3 电涡流式叶尖定时传感器
利用电磁感应现象，当导磁性金属处于变化着的磁场中或者 在磁场中运动时，导磁性金属体内都会产生感应电动势，形 成电涡流。 被动式：由一个永磁体和一个线圈组成，如上图 所示，叶 片经过传感器端头时，导致通过线圈的磁通量变化，产生电 信号，从而反映叶片的到来时刻。 主动式：由一个或多个线圈组成，通过外界激励对线圈产生 一个磁场，并通过线圈感受叶片到来时电涡流引起的电动势 变化。
1.7 光纤光栅应变计
属于接触式测量方法，将光纤光栅粘贴在叶片表面，类似应 变片法，叶片应力、应变等物理量的变化引起光栅产生波长 位移，从而获取相关信息。
参考文献 [1] 吕文林，航空发动机强度计算，北京：国防工业出版社，1988：58-92. [2] 方志强，涡轮机叶片振动非接触检测原理及应用技术研究：[博士学位论文]，天津；天津大 学，2007. [3] 欧阳涛，基于叶尖定时的旋转叶片振动检测及参数辨识技术：[博士学位论文]，天津；天津 大学，2011. [4] 王仲博，张永宁，袁平等，660 毫米叶片振动特性测试与分析，热力发电，1994, 6: 36-40 [5] 沈凤霞，对称恒定电流激励动态应变测量技术的分析与应用研究，航天器环境工程， 2007, 24(6): 381-385 [6] H. P. Grant, J. S. Przybyzewski, W. L. Anderson, et al. Thin Film Strain Gauge Development Program, NASA /CR, 1983-174707 [7] J. D. Wrbanek, G. C. Fralick. Developing Multilayer Thin Film Strain Sensors With High Thermal Stability. NASA/TM, 2006-214389
5.3 电涡流式叶尖定时传感器
信号大且信噪比高，结构简单，可以不用外界电源，但要求 被测叶片必须是导磁材料。 英国的 QinetiQ、MONITRAN 公司、德国的MTU公司以及美 国的 HOOD 公司都对电涡流式叶尖定时传感器做了大量研究， 并研制出产品如上图所示产品。其中 HOOD 公司生产的普通 电涡流传感器耐温 260℃，带空冷装置的电涡流传感器能耐温 可到 1000℃以上。
5.2 电容式叶尖定时传感器
法国 FOGLE 和THERMOCOAX 公司研制的电容传感器耐温 高达 1400℃。国内主要是中航工业集团和天津大学等在这方 面展开研究。 局限性：其信噪比、响应时间相比光纤式的要差一些；叶片 工作环境的介质可能影响芯极与叶端电容的大小，因此要求 被测旋转叶片环境介质的介电常数基本稳定。
旋转叶片振动检测方法
1 应变片法
将电阻应变片牢固地粘贴在叶片应力较大处，例如叶根附近位 置，通过测量应变反映叶片振动及应力大小，从而确定叶片的 寿命和可靠性。 属于接触式测量，对应变片安装、信号线引出提出了特殊要求。 只能同时监测少数叶片，实际转子中叶片数量极大，少则几百 片，多则上千片，为所有叶片都安装应变片难以实现。
对称恒定电流激励技术使用一对匹配的电流源激励应变片， 使用一个差分放大器测量应变片电压，如上图所示。 导线电阻对传递到应变片上的激励电流没影响，任何温度下 不会降低应变计灵敏度；信号调理器测量的是应变信号，无 需增加通道增益；信号调理器内外连接完全对称，信噪比改 善约30dB。
1.6 薄膜应变计
在氮化硅涡轮叶片表面制备的PdCr薄膜应变计
1.3 遥测技术
将叶片的振动信号利用应变片转换成相应的电阻值，通过相 应的硬件系统，将电阻变化转换成电信号的变化，通过无线 调制器，把电信号调制发射出来。 我们在叶片附近安装静止的天线加以接收，送至调频接收机 放大和解调还原为应变片频率信号，并送至分析仪分析处理。
1.4 对称恒流激励技术
动态应变测量技术最难解决的是抗干扰问题，原因是动态应 变测量的工作片在工作环境下处于非屏蔽状态，对各种干扰 源比较敏感，因此设计应变测量电路时必须考虑解决抗干扰 问题。
TaN/PdCr多功能薄膜传感器实物图
薄膜应变计采用真空沉积或溅射的方法把敏感薄膜直接沉积 到被测结构件表面，不需要要粘贴胶固定，避免了粘贴胶在 恶劣环境下失效对应变测试的影响。 与传统丝式和箔式应变计相比，薄膜应变计厚度在微米量级， 测试准确度高、响应速度快、灵敏度高。 选择合适的敏感材料和制备工艺制备的薄膜应变计，具有抗 高温、高压、气流冲刷等优点，可以满足航空发动机涡轮叶 片在恶劣环境下应变测试的要求，而且薄膜应变计实现了结 构、功能的一体化，不会影响涡轮叶片的力学性能和流体特 性，所得测试数据精确度高且稳定性好。
2 频率wk.baidu.com制法
根据电磁感应原理利用调频栅对振动信号进行频率调制的测 量方法。 局限性：1、在叶尖嵌入磁钢，改变了叶片原有的振动特性； 2、为了同时测量多个叶片的振动，要求安装相同数目的线 栅。
参考文献 [1] И.Ｅ.萨勃洛斯基等著，吴士祥，郑叔琛（译），涡轮机叶片振动的非接触测量， 北京：国防工业出版社，1986：5-29.
参考文献 [1] FOGALE Nanotech, Capacitive blade tip clearance & tip timing measurement system, www.fogale.com. [2] THERMOCOAX, Capacitance sensors for noncontact measurement, www.thermocoax.com. [3] HOOD Technology, Overview of blade vibration monitoring capabilities, www.hoodtech.com, 2010. [4] Craig Lawson, Paul C. Ivey, Turbomachinery blade vibration amplitude measurement through tip timing with capacitance tip clearance probes, Sensors and Actuators, 2005, A118: 14-24. [5] Craig Lawson, Dr. Paul Ivey, Compressor Blade Tip Timing Using Capacitance Tip Clearance Probes, Proceedings of the ASME Turbo Expo, GT2003-38284: 1-8. [6] Michael Zielinski, Gerhard Ziller, Noncontact blade vibration measurement system for aero engine application, ISABE-2005-1220: 1-9. [7] Michael Zielinski, Gerhard Ziller, Noncontact vibration measurements on compressor rotor blades, Measurement Science & Technology, 2000, 11(7): 847–856. [8] M. Gloger, M. Jung, H. Termuehlen, H. Wolf, Blade Vibration System for Power Plant Operation, IJPG Conference, Minneapolis, 1995,9-11. [9] Kam Chana, Donald Lyon, Turbo-Machinery Tip-Timing Comes of Age, Maintenance & Asset Management, 2009, 24(1): 34-40. [10] 比尔· 伯切尔，发动机叶尖计时技术新突破，国际航空杂志，2007，3：48-49. [11] 王宇华，叶声华，段发阶等，基于光纤技术的叶尖定时传感器，天津大学学报，2002， 35(5): 605-610. [12] 王宇华，段发阶，叶声华等，旋转叶片振动测量新的技术方案研究，仪表技术与传感器， 2002，(2): 44-46. [13] 冯军楠，段发阶，叶德超等，一种耐高温光纤式叶尖定时传感器及验证装置，纳米技术与 精密工程，2016, 14(3): 167-172. [14] 顾庆昌，程礼友，张万成．耐高温金属衣层光纤及其热应力分析．电子工艺技术，2010， 31(5): 290-292, 309.
1.1 应变片(Strain Gauge)
1.2 滑环式引电器(Slip Ring) 应变片粘贴于叶片表面，从应变片 引出的导线沿着叶轮表面接入到一 个专门的集流器/引电器装置中。将 采集到的信号经集流装置后，由电 子放大器放大，送往记录装置做数 据记录和处理，其测量结果一般也 作为其他方法测试结果精度的比较 标准。 局限性：同一个时间内，被测量的 叶片数有限，转子实验准备复杂， 也不能同时测量整级叶片的振动情 况。该方法准备工作量大，传感器， 集流环的可靠性低，不适应现场的 实际测量。
5 叶尖定时法(Blade Tip-Timing)
在叶片顶端的机匣上安装叶尖定时传感器，利用传感器感受 叶片的到来时间，由于叶片振动，叶片的到来时间会超前或 滞后，通过不同的叶尖定时处理算法对该时间序列进行处理， 即获取出叶片振动信息。
5.1 光纤式叶尖定时传感器
将激光投射到叶片端面，通过感受叶尖反射回来的光强信号 变化来获取叶片的到来时刻。 普通石英光纤耐200~300℃，美国Fiberguide公司推出的“金 属涂层 ”系列光纤大大提高了耐温性能，其中镀金光纤可耐 650℃，外加制冷系统或采用蓝宝石光纤，可耐1000℃以上。