空芯葉片壁厚測(cè)量?jī)x

巴曉玉王俊濤許　鵬劉淞寧

（沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

空芯葉片壁厚測(cè)量?jī)x

巴曉玉王俊濤許鵬劉淞寧

（沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

摘要：空芯葉片壁厚儀是針對(duì)帶有通氣散熱孔的某型發(fā)動(dòng)機(jī)一級(jí)渦輪葉片的小孔壁厚進(jìn)行檢測(cè)的電子儀器。儀器是利用探頭在葉片孔壁外表滑動(dòng)，而探頭線圈的電感量隨探頭頂部與鋼絲柱面的垂直距離的變化而變的電磁作用原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。電路上采用感辨機(jī)構(gòu)作為儀器的傳感器以實(shí)現(xiàn)葉片壁厚數(shù)據(jù)的精確測(cè)量。平衡網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用提高測(cè)量信號(hào)源的輸出阻抗。其他電路設(shè)計(jì)多采用集成組件，增加了最小值記憶等功能。此次設(shè)計(jì)提高了儀器的檢測(cè)精度，減少儀器返修次數(shù)，為公司小孔葉片壁厚測(cè)量提供了可靠保障。

壁厚測(cè)量?jī)x；感辨機(jī)構(gòu)；平衡網(wǎng)絡(luò)

空芯葉片壁厚測(cè)量?jī)x是帶有通氣散熱孔的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的小孔壁厚進(jìn)行檢測(cè)的電子儀器。該儀器在我公司已有幾十年的應(yīng)用歷史，并已相繼更新了兩次，我們這次設(shè)計(jì)的屬于第四代產(chǎn)品。設(shè)計(jì)上主要采用感辨機(jī)構(gòu)替代原有儀器的測(cè)量部分，利用探頭頂部與鋼絲電極外表面的距離縮短，探頭次級(jí)輸出的感生電勢(shì)增大的原理對(duì)數(shù)據(jù)采集部分進(jìn)行改造，從而達(dá)到對(duì)葉片小孔壁厚進(jìn)行精確測(cè)量的要求。感辨機(jī)構(gòu)的應(yīng)用提高了壁厚測(cè)量過(guò)程中的精度和穩(wěn)定性。集成組件設(shè)計(jì)應(yīng)用解決了系統(tǒng)穩(wěn)定性差，儀表指針漂移嚴(yán)重等問(wèn)題，另外新增了最小值記憶等功能，也為簡(jiǎn)化測(cè)量提供依據(jù)，滿足了葉片檢測(cè)的時(shí)功能需要。葉片壁厚的準(zhǔn)確測(cè)量無(wú)論是科學(xué)研究還是生產(chǎn)實(shí)踐中均有非常重要的意義。目前，該儀器應(yīng)用于公司生產(chǎn)中，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量電路可靠，具有較高的分辨率和靈敏度等特點(diǎn)可推廣到多領(lǐng)域的壁厚測(cè)量試驗(yàn)中。

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及原理分析

1.1 儀器的組成

空芯葉片壁厚測(cè)量?jī)x是由測(cè)量?jī)x器一臺(tái)及測(cè)量探頭一套組成。其中儀器包含壁厚偏轉(zhuǎn)顯示表、探頭調(diào)零指示表、儀器復(fù)零調(diào)節(jié)旋鈕、儀器連續(xù)性與記憶選擇開(kāi)關(guān)，以及電源通斷控制開(kāi)關(guān)。

1.2 總體電路設(shè)計(jì)

圖1總體電路設(shè)計(jì)方框圖的大概思路是，由文氏電橋及穩(wěn)幅電路產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的正弦波信號(hào)，并將此信號(hào)加于由基準(zhǔn)電感線圈和檢測(cè)電感線圈組成的串聯(lián)回路中，當(dāng)探頭接近檢測(cè)體時(shí)，兩組線圈的電勢(shì)發(fā)生變化，一個(gè)增加，另一個(gè)減少，這種變化使平衡網(wǎng)絡(luò)從平衡點(diǎn)偏移，產(chǎn)生一個(gè)含有直流分量的非正弦周期信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)濾波放大，保留直流成分，濾掉交流成分，并由記憶電路取最大幅值，再經(jīng)極性變換放大后，送顯示裝置。

圖1　總體電路設(shè)計(jì)方框圖

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及原理分析

2.1 感辨機(jī)構(gòu)（傳感器）

感辨機(jī)構(gòu)是該儀器的關(guān)鍵部件，它決定了儀器測(cè)量靈敏度與測(cè)量范圍。我們這次采用電感式傳感器作為新儀器的感辨機(jī)構(gòu)，在傳感器上做些改進(jìn)，并采用一些表面強(qiáng)化措施以提高探頭的耐磨性能。

感辨機(jī)構(gòu)（傳感器）結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是由磁芯、線圈、骨架和磁鏈幾部分組成。根據(jù)電磁作用原理，當(dāng)線圈中通過(guò)一定頻率的正弦電流時(shí)，將在線圈周圍產(chǎn)生一個(gè)同頻率的交變磁通。因線圈中裝有鐵芯，所以，磁通大部分集中在磁芯中，也就是說(shuō)磁芯中的磁通為線圈的主磁通，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在交變的磁場(chǎng)中的線圈會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感生電動(dòng)勢(shì)E，而這個(gè)感生電動(dòng)勢(shì)的幅值與通過(guò)線圈截面磁通的變化率成正比，即：

感生電動(dòng)勢(shì)用有效值表示，則有：

圖2　感辨機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

平時(shí)由于探頭附近無(wú)檢測(cè)體，所以磁通的變化與主磁通的大小完全由輸入信號(hào)和初級(jí)線圈的自感及次級(jí)線圈的互感所決定，這時(shí)，輸入信號(hào)不變，則次級(jí)的輸出電勢(shì)亦不變。如圖3所示。

當(dāng)探頭接近檢測(cè)體鋼絲電極時(shí)，由于線圈中磁芯沒(méi)有形成環(huán)形的閉合磁路，所以受外來(lái)鋼絲電級(jí)的導(dǎo)磁特性的影響，使主磁通的閉合磁路的磁阻減小，主閉合磁路也隨鋼絲接近探頭磁芯而相應(yīng)縮短。從而使加在測(cè)量探頭線圈的信號(hào)電壓增大，最終使探頭初級(jí)線圈的自感電勢(shì)與次級(jí)線圈的互感電勢(shì)增加。即探頭頂部與鋼絲電極外表面的距離縮短，探頭次級(jí)輸出的感生電勢(shì)增大。

2.2 平衡網(wǎng)絡(luò)

平衡網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)無(wú)檢測(cè)信號(hào)作用時(shí)，產(chǎn)生信號(hào)對(duì)稱點(diǎn)或工作零點(diǎn)。該網(wǎng)絡(luò)由傳感器HD，BH。半波整流放大器IC3，IC4等主要組成。

當(dāng)無(wú)檢測(cè)信號(hào)時(shí)，作用傳感器HD，BH初級(jí)電感線圈上的正弦信號(hào)電壓有效值相等，從而使兩個(gè)傳感器的次級(jí)線圈的同名端輸出一個(gè)大小相等、相位相同的近似正弦波的交流電壓信號(hào)。作用與IC3測(cè)量放大器的交變信號(hào)，當(dāng)正半波到來(lái)時(shí)，在IC3的輸出端產(chǎn)生的負(fù)信號(hào)使D10二極管正向?qū)?，D5二極管反向偏置而截止，因而a點(diǎn)電勢(shì)為零。當(dāng)負(fù)半波信號(hào)到來(lái)時(shí)，IC3輸出為正，使D10反向截止，D5正向?qū)?，a點(diǎn)輸出放大的正弦波信號(hào)。反之亦然，IC4半波整流放大器的工作狀態(tài)與輸出波形和IC3整流放大器相反，使輸出為放大的負(fù)半波信號(hào)。

圖3　工件壁厚測(cè)量示意圖

其輸出的波形如圖4所示。因IC3，IC4兩放大整流電路是交替工作的，所以作用在下級(jí)電路的波形是兩組整流放大電路輸出信號(hào)的疊加，是一組放大了的正弦信號(hào)，設(shè)置此電路的目的是要提高測(cè)量信號(hào)源的輸出阻抗，并通過(guò)IC3，IC4等元件組成平衡網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)橋臂。調(diào)整W3或W4可調(diào)整平衡零點(diǎn)。

平衡網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)目的是通過(guò)平衡點(diǎn)的改變來(lái)為下級(jí)電路提供測(cè)量信號(hào)。我們?cè)谙录?jí)采用放大濾波電路，就可將放映非對(duì)稱的測(cè)量信號(hào)中的直流分量保留，放大，而將按正弦或余弦（最終可化正弦）規(guī)律變化的基波和高次諧波信號(hào)濾掉，從而建立起被測(cè)量與指示量的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.3 濾波與放大電路

如前所述，濾波與放大電路的作用，就是將非對(duì)稱的周期檢測(cè)信號(hào)中的直流成份保留并放大，而將對(duì)稱的周期變化的基波與諧波信號(hào)濾掉，建立起感辨量與指示量的穩(wěn)定的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖5中由IC5，C14，R22，W5等元件組成的放大濾波電路為一階低通有源濾波器。該濾波器的工作原理是當(dāng)輸入信號(hào)頻率增加時(shí)，由R22、W5、C14組成的反饋網(wǎng)絡(luò)的阻抗減小，使閉環(huán)放大倍數(shù)降低，從而起到了低通濾波作用。換句話說(shuō)，當(dāng)檢測(cè)信號(hào)中的諧波次數(shù)越高，通過(guò)此濾波器后的輸出電壓幅值就越低。

由IC6.R24.R25.R27.C17.C16等元件組成的濾波器是二階的低通濾波器，它的作用是將前級(jí)未濾掉的交流信號(hào)進(jìn)一步加以消除。與前一級(jí)濾波器相比，此二階濾波器的濾波性能增加，即對(duì)截止頻率以上的頻率衰減幅值成倍增加。而且它的抗擾動(dòng)性能也優(yōu)于一階濾波器，所以經(jīng)過(guò)該級(jí)電路濾波后，檢測(cè)信號(hào)將變?yōu)橹绷餍盘?hào)，并可送下級(jí)電路進(jìn)行峰值檢測(cè)，以記憶測(cè)量得最小壁厚值。

2.4 峰值檢測(cè)與記憶電路

由于在空芯葉片壁厚測(cè)量過(guò)程中，要求在9小孔的5個(gè)截面上必須保證其最小工藝尺寸，所以我們采用了上述峰值與記憶電路，以滿足檢測(cè)要求。根據(jù)我們前面提到的電感式傳感器的工作原理，當(dāng)葉片壁厚減小時(shí)，其輸出的檢測(cè)信號(hào)幅度增加，即U02增加，此時(shí)圖6中的電路開(kāi)始工作，其工作原理為，當(dāng)某一時(shí)刻輸入電壓U02大于輸出電壓U03時(shí)，由IC10，T6，R28，C19組成的峰值檢測(cè)電路中的運(yùn)放輸出為高電平，使T6結(jié)性場(chǎng)效應(yīng)管的G.S端正向偏置而導(dǎo)通，并通過(guò)電阻R28對(duì)記憶電容C19充電，直到UC19逼近U02，當(dāng)輸入電壓U02下降到低于電容器上電壓值時(shí)，運(yùn)算放大器的輸出端轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值，場(chǎng)效應(yīng)管的G.S端反向偏置而截止，此時(shí)電容器將保持前一時(shí)刻的峰值電壓。電路中IC10與T6組成電壓跟隨器，場(chǎng)效應(yīng)管T6減小反向漏電流，以提高記憶電壓的精確性。

圖4　平衡網(wǎng)絡(luò)電路組成及波形圖

圖5　濾波與放大電路

圖6　峰值檢測(cè)與記憶電路

3.項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

該儀器主要應(yīng)用感辨機(jī)構(gòu)對(duì)葉片壁厚進(jìn)行測(cè)量。采用感辨機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)探頭，感辨機(jī)構(gòu)的應(yīng)用提高了測(cè)量靈敏度。集成組件設(shè)計(jì)應(yīng)用解決了系統(tǒng)穩(wěn)定性差，儀表指針漂移嚴(yán)重等問(wèn)題，另外新增了最小值記憶等功能，也為簡(jiǎn)化測(cè)量提供依據(jù)。

葉片壁厚的準(zhǔn)確測(cè)量無(wú)論是科學(xué)研究還是生產(chǎn)實(shí)踐中均有非常重要的意義。目前，該儀器應(yīng)用于公司生產(chǎn)中，應(yīng)用感辨機(jī)構(gòu)對(duì)葉片小孔壁厚進(jìn)行測(cè)量，不僅提高了壁厚測(cè)量過(guò)程中的精度還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量電路可靠，具有較高的分辨率和靈敏度等諸多優(yōu)點(diǎn)，可推廣應(yīng)用到多領(lǐng)域的壁厚測(cè)量試驗(yàn)中。

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