謝興娟， 吳婭輝， 朱振宇

(中國航空工業(yè)集團公司 北京長城計量測試技術研究所計量與校準技術重點實驗室，北京 100095)

航空發(fā)動機葉尖間隙測試微波傳感器設計與計算

謝興娟， 吳婭輝， 朱振宇

(中國航空工業(yè)集團公司 北京長城計量測試技術研究所計量與校準技術重點實驗室，北京 100095)

設計了一種基于微帶貼片天線原理的微波傳感器，用于航空發(fā)動機的葉尖間隙測量與主動葉尖間隙控制。此傳感器通過微波相位法行間隙距離的測量，不受發(fā)動機中燃油和污染影響，有很高的測量精度和穩(wěn)定性。在理論分析的基礎上，建立了工作在24 GHz左右的微波傳感器模型，通過模擬計算得到了0.1～6 mm測試范圍內最低靈敏度為0.5 °/mm，驗證了該設計的正確性。

微波傳感器； 微帶貼片天線； 葉尖間隙

0 引 言

發(fā)動機葉尖間隙指軸流式發(fā)動機轉子葉片葉尖與機匣壁之間的徑向間隙，降低葉尖間隙可以減少發(fā)動機由于工作介質的泄露造成的效率損失，同時提高氣動穩(wěn)定性，是提高發(fā)動機性能和推重比的重要潛力之一[1～3]。然而，葉尖間隙的一味降低有可能導致葉尖與機匣壁的碰摩，影響發(fā)動機的安全。隨著現代發(fā)動機技術的發(fā)展，人們致力于通過合理降低葉尖間隙來提高發(fā)動機的效率，而其中關鍵的技術為用一種傳感器對葉片葉尖間隙進行實時監(jiān)測[4～6]。

近年來，人們研究了基于放點探針、電容、激光等各種原理的葉尖間隙測試用傳感器，但受到發(fā)動機中高溫、高污染等特殊工作環(huán)境的影響，這些傳感器在測量準確性和穩(wěn)定性等方面都存在一定缺陷[7～9]。微波介于無線電和可見光之間，具有很好的定向輻射和傳輸性能，遇到金屬障礙物易反射。基于此特點的微波傳感器不受發(fā)動機中燃油和其它污染物的影響，不受電纜振動和長度變化的影響，非常適用于航空發(fā)動機葉尖間隙的測試[10,11]。

本文設計了一種用于航空發(fā)動機葉尖間隙測試的微波傳感器，此傳感器基于微波相位法原理工作，傳感器探頭通過微帶貼片天線發(fā)射和接收微波信號。通過對傳感器工作原理的分析，建立了工作在24 GHz的微波傳感器模型，通過模擬計算發(fā)現此微波傳感器能夠進行0.1～6 mm范圍內的發(fā)動機葉尖間隙測試，最小靈敏度為15°/mm，驗證了該設計的正確性。

1 微波傳感器工作原理

圖1為利用微波傳感器測量葉尖間隙的原理圖，采用微波相位法的原理進行測試，其過程為：傳感器發(fā)出連續(xù)的微波信號，當旋轉葉片經過傳感器端口時，葉尖將微波信號反射回來，根據此反射信號與內部參考信號之間的相位差的變化值即可得出葉尖間隙的實時變化值，同時根據回波信號的幅度值可去除無效間隙信號。設微波信號源與被測目標的距離為R，在微波達到目標并且返回傳感器的雙程路徑的總相位變化為Δφ，工作波長為λ，則R的計算公式為

(1)

可見，只要選定微波工作波長，則根據相位差Δφ即可求出測量距離R。

圖1 微波傳感器測量原理圖

由于相位的周期性變化，測試距離的增大會引起式(1)中的相位模糊,因此,要求雙程路徑長度小于工作波長，即測試距離小于半波長(2R/λ<1)。需要選擇合適的工作波長來滿足測試要求。

2 微波傳感器結構設計

圖2為所設計微波傳感器結構示意圖，主要包括三部分:天線輻射單元、微波傳輸單元和傳感器殼體。天線輻射單元負責發(fā)射和接收微波信號，為微帶貼片天線結構；微波傳輸單元為同軸電纜，插入傳感器殼體內，通過其內導體對天線進行饋電；傳感器殼體作為微帶貼片天線的接地面，也對貼片天線起到保護作用。微波傳感器工作時插入機匣上預先開好的孔中，探頭正對發(fā)動機內部的葉尖進行間隙測量。

圖2 微波傳感器結構示意圖

天線輻射單元是微波傳感器的核心部分，采用微帶貼片天線結構形式設計。主要包括三部分：絕緣基底、金屬貼片和饋孔，其結構示意圖如圖3所示。金屬貼片置于絕緣基底之上，同軸電纜的內導體穿過饋孔與金屬貼片相連對天線進行饋電，使得金屬貼片和傳感器殼體之間產生電場，并在天線端口處往外輻射，實現貼片天線功能。

圖3 天線輻射單元結構示意圖

對微帶貼片天線的分析可以運用腔模理論，即把微帶天線看作是微帶線諧振腔模型，運用分析諧振腔的方法進行分析。具體等效形式為將微帶和地板之間的區(qū)域可以看作沿周圍邊緣的磁壁和上、下兩面的電壁圍成的腔體。根據腔模理論，通過求解規(guī)定邊界條件下的波動方程，得到腔內TMnm模電場的表達式為

(2)

(3)

(4)

考慮盡量獲得小的天線尺寸，工作模式選為主模TM11模，即χ11=1.841，因此,天線貼片半徑a的初步計算公式為

(5)

可見天線貼片半徑的尺寸與諧振頻率和介質介電常數有關。由于傳感器實際模型中，微帶貼片天線結構邊界條件比理想情況復雜，因此,具體尺寸的確定需要在理論計算的基礎上結合模擬仿真軟件計算確定。

3 微波傳感器的模擬計算

利用三維電磁場計算軟件CST—MWS建立了微波傳感器三維計算模型，此模型設計工作頻率為24GHz，探頭外徑尺寸為9mm。通過優(yōu)化計算后，確定金屬貼片的半徑尺寸a為1.9mm。圖4為計算得到的微波傳感器端口的反射系數幅值頻率曲線，可見曲線的最低峰值點在橫坐標24.008GHz處，最低反射系數幅值為0.004 65，表示在此頻點，傳感器內部結構反射回端口的信號幅值僅占總信號的0.465 %，可見傳感器內部大部分的信號通過探頭天線向外輻射。確定傳感器的實際工作頻率為24.008GHz。

圖5為傳感器在工作頻點處的內部能量傳輸分布圖，可見同軸電纜中傳輸的微波信號通過微帶貼片結構順利地向外傳輸，探頭端口能量輻射方向正對發(fā)動機葉尖，使得微波信號能夠在葉尖處有最強的信號反射，并順利回到傳感器探頭。

圖4 微波傳感器端口反射系數頻率曲線

圖5 微波傳感器探頭內部能量傳輸分布

圖6為模擬計算得到的傳感器測試相位與實際間隙距離關系曲線。由于工作波長為12.5mm，考慮微波傳輸的雙程距離，選擇測量的間隙范圍為0.1～6mm?？梢娫诖俗兓秶鷥?，反射系數相位值單調遞減，相位變化范圍為259.5°，表現了很好的相位分辨力。曲線在實際間隙0.5mm左右靈敏度最低為15°/mm，之后,隨間隙增大而增大。此處靈敏度低的原因主要探頭天線端口為感應近場位置，受到探頭端口和葉片形狀的影響，使反射能量減弱。

圖6 微波傳感器測試相位與實際間隙距離關系曲線

4 結 論

本文設計了一種基于微帶貼片天線結構原理的微波傳感器，利用微波相位法進行位移距離的測量。通過對傳感器結構和工作原理的分析計算，建立了工作在24GHz的微波傳感器模型，模擬計算發(fā)現此微波傳感器能夠進行0.1～6mm范圍內的位移測試，最小靈敏度為15°/mm，驗證了該設計的正確性。此微波傳感器能夠應用于航空發(fā)動機葉尖間隙測量和主動葉尖間隙控制，為提高航空發(fā)動機葉尖間隙的測量精度和能力提供了技術基礎。

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Design and calculation of microwave sensor for tip clearancemeasurement on aircraft engine

XIE Xing-juan, WU Ya-hui, ZHU Zhen-yu

(Key Laboratory of Science and Technology on Metrology and Calibration,Changcheng Institute of Metrology and Measurement,Aviation Industry Corporation of China,Beijing 100095,China)

A microwave sensor for tip clearance measurement on aircraft engine is designed.The probe of the sensor is a patch antenna structure,it measures distance by comparing the phase of the receive signal with the transmit signal.It can avoid influence of fuel and pollution of engine,and has high measuring precision and stability.On the basis of theoretical analysis,model of microwave sensor which operates at 24 GHz is established,sensitivity is obtained by simulation more than 0.5°/mm at measurement range of 0.1～6mm and verify the correctness of the design.

microwave sensor; microstrip patch antenna; tip clearance

10.13873/J.1000—9787(2015)05—0063—03

2014—10—11

TP 212

A

1000—9787(2015)05—0063—03

謝興娟(1985-)，女，河北石家莊人，博士，研究方向為微波傳感器關鍵技術。