空芯葉片壁厚測量儀

巴曉玉王俊濤許　鵬劉淞寧

（沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

空芯葉片壁厚測量儀

巴曉玉王俊濤許鵬劉淞寧

（沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

摘要：空芯葉片壁厚儀是針對帶有通氣散熱孔的某型發(fā)動機一級渦輪葉片的小孔壁厚進行檢測的電子儀器。儀器是利用探頭在葉片孔壁外表滑動，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行設(shè)計。電路上采用感辨機構(gòu)作為儀器的傳感器以實現(xiàn)葉片壁厚數(shù)據(jù)的精確測量。平衡網(wǎng)絡的應用提高測量信號源的輸出阻抗。其他電路設(shè)計多采用集成組件，增加了最小值記憶等功能。此次設(shè)計提高了儀器的檢測精度，減少儀器返修次數(shù)，為公司小孔葉片壁厚測量提供了可靠保障。

壁厚測量儀；感辨機構(gòu)；平衡網(wǎng)絡

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

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及原理分析

1.1 儀器的組成

空芯葉片壁厚測量儀是由測量儀器一臺及測量探頭一套組成。其中儀器包含壁厚偏轉(zhuǎn)顯示表、探頭調(diào)零指示表、儀器復零調(diào)節(jié)旋鈕、儀器連續(xù)性與記憶選擇開關(guān)，以及電源通斷控制開關(guān)。

1.2 總體電路設(shè)計

圖1總體電路設(shè)計方框圖的大概思路是，由文氏電橋及穩(wěn)幅電路產(chǎn)生一個穩(wěn)定的正弦波信號，并將此信號加于由基準電感線圈和檢測電感線圈組成的串聯(lián)回路中，當探頭接近檢測體時，兩組線圈的電勢發(fā)生變化，一個增加，另一個減少，這種變化使平衡網(wǎng)絡從平衡點偏移，產(chǎn)生一個含有直流分量的非正弦周期信號，此信號經(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)計方框圖

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及原理分析

2.1 感辨機構(gòu)（傳感器）

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

感辨機構(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，當線圈中通過一定頻率的正弦電流時，將在線圈周圍產(chǎn)生一個同頻率的交變磁通。因線圈中裝有鐵芯，所以，磁通大部分集中在磁芯中，也就是說磁芯中的磁通為線圈的主磁通，根據(jù)法拉第電磁感應定律，在交變的磁場中的線圈會產(chǎn)生一個感生電動勢E，而這個感生電動勢的幅值與通過線圈截面磁通的變化率成正比，即：

感生電動勢用有效值表示，則有：

圖2　感辨機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

平時由于探頭附近無檢測體，所以磁通的變化與主磁通的大小完全由輸入信號和初級線圈的自感及次級線圈的互感所決定，這時，輸入信號不變，則次級的輸出電勢亦不變。如圖3所示。

當探頭接近檢測體鋼絲電極時，由于線圈中磁芯沒有形成環(huán)形的閉合磁路，所以受外來鋼絲電級的導磁特性的影響，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縮短。從而使加在測量探頭線圈的信號電壓增大，最終使探頭初級線圈的自感電勢與次級線圈的互感電勢增加。即探頭頂部與鋼絲電極外表面的距離縮短，探頭次級輸出的感生電勢增大。

2.2 平衡網(wǎng)絡

平衡網(wǎng)絡是當無檢測信號作用時，產(chǎn)生信號對稱點或工作零點。該網(wǎng)絡由傳感器HD，BH。半波整流放大器IC3，IC4等主要組成。

當無檢測信號時，作用傳感器HD，BH初級電感線圈上的正弦信號電壓有效值相等，從而使兩個傳感器的次級線圈的同名端輸出一個大小相等、相位相同的近似正弦波的交流電壓信號。作用與IC3測量放大器的交變信號，當正半波到來時，在IC3的輸出端產(chǎn)生的負信號使D10二極管正向?qū)ǎ珼5二極管反向偏置而截止，因而a點電勢為零。當負半波信號到來時，IC3輸出為正，使D10反向截止，D5正向?qū)ǎ琣點輸出放大的正弦波信號。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，使輸出為放大的負半波信號。

圖3　工件壁厚測量示意圖

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，所以作用在下級電路的波形是兩組整流放大電路輸出信號的疊加，是一組放大了的正弦信號，設(shè)置此電路的目的是要提高測量信號源的輸出阻抗，并通過IC3，IC4等元件組成平衡網(wǎng)絡的兩個橋臂。調(diào)整W3或W4可調(diào)整平衡零點。

平衡網(wǎng)絡的另一個目的是通過平衡點的改變來為下級電路提供測量信號。我們在下級采用放大濾波電路，就可將放映非對稱的測量信號中的直流分量保留，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濾掉，從而建立起被測量與指示量的一一對應關(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，就是將非對稱的周期檢測信號中的直流成份保留并放大，而將對稱的周期變化的基波與諧波信號濾掉，建立起感辨量與指示量的穩(wěn)定的一一對應關(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輸入信號頻率增加時，由R22、W5、C14組成的反饋網(wǎng)絡的阻抗減小，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，當檢測信號中的諧波次數(shù)越高，通過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，它的作用是將前級未濾掉的交流信號進一步加以消除。與前一級濾波器相比，此二階濾波器的濾波性能增加，即對截止頻率以上的頻率衰減幅值成倍增加。而且它的抗擾動性能也優(yōu)于一階濾波器，所以經(jīng)過該級電路濾波后，檢測信號將變?yōu)橹绷餍盘枺⒖伤拖录夒娐愤M行峰值檢測，以記憶測量得最小壁厚值。

2.4 峰值檢測與記憶電路

由于在空芯葉片壁厚測量過程中，要求在9小孔的5個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，以滿足檢測要求。根據(jù)我們前面提到的電感式傳感器的工作原理，當葉片壁厚減小時，其輸出的檢測信號幅度增加，即U02增加，此時圖6中的電路開始工作，其工作原理為，當某一時刻輸入電壓U02大于輸出電壓U03時，由IC10，T6，R28，C19組成的峰值檢測電路中的運放輸出為高電平，使T6結(jié)性場效應管的G.S端正向偏置而導通，并通過電阻R28對記憶電容C19充電，直到UC19逼近U02，當輸入電壓U02下降到低于電容器上電壓值時，運算放大器的輸出端轉(zhuǎn)變?yōu)樨撝担瑘鲂艿腉.S端反向偏置而截止，此時電容器將保持前一時刻的峰值電壓。電路中IC10與T6組成電壓跟隨器，場效應管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)絡電路組成及波形圖

圖5　濾波與放大電路

圖6　峰值檢測與記憶電路

3.項目創(chuàng)新點

該儀器主要應用感辨機構(gòu)對葉片壁厚進行測量。采用感辨機構(gòu)設(shè)計探頭，感辨機構(gòu)的應用提高了測量靈敏度。集成組件設(shè)計應用解決了系統(tǒng)穩(wěn)定性差，儀表指針漂移嚴重等問題，另外新增了最小值記憶等功能，也為簡化測量提供依據(jù)。

葉片壁厚的準確測量無論是科學研究還是生產(chǎn)實踐中均有非常重要的意義。目前，該儀器應用于公司生產(chǎn)中，應用感辨機構(gòu)對葉片小孔壁厚進行測量，不僅提高了壁厚測量過程中的精度還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因其結(jié)構(gòu)簡單、測量電路可靠，具有較高的分辨率和靈敏度等諸多優(yōu)點，可推廣應用到多領(lǐng)域的壁厚測量試驗中。

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