[发明专利]一种基于双模融合的涡轮叶片应变场全场测量方法

说明书

本发明提出一种基于双模融合的涡轮叶片应变场全场测量方法，属于航空发动机涡轮叶片应变测量与其数据处理领域。本发明将两种测量方法融合，具有成像测量模式和红外测量模式，利用一个探针实现数字图像信号和红外信号的同时采集，在上位机系统里集中处理。本发明将数字图像技术与红外光电测量技术结合，在航空发动机恶劣的高温高压环境中不仅实现涡轮转子叶片的应变测量，并且基于数据处理和图片拼接等方法能完成叶片应变场的重构，使计算的计算不同区域特别是边缘区域应变情况更加准确。

技术领域

本发明属于航空发动机涡轮叶片应变测量与其数据处理领域，用于涡轮叶片全场应变的测量与应变场重构。

背景技术

航空发动机工作过程中的涡轮转子叶片的应变状态是研究发动机涡轮叶片力学性能，评估叶片工作状态，改进叶片结构的关键参数之一。叶片应变的测量与应变场的重构是航空发动机涡轮叶片测试领域的重点和难点，目前采用高温应变片的方法属于接触式点对点的测量方式，存在安装布线困难，难以重构应变场以及应用温度上限低等问题，严重阻碍了高温高压环境下涡轮转子叶片应力应变状态的研究。

针对此难题，本发明提出一种基于光学非接触式测量方式的双模融合的涡轮叶片应变场全场重构方法，采用红外采集与成像技术相结合的方式，分别针对涡轮叶片的边缘与表面区域进行应变测量，并结合叶片表面特征将两种模式的数据进行融合，重构叶片全场应变。

发明内容

本发明的结合成像技术与红外光电测量应变技术，利用同一光路，同一探针的非接触测量，实现同一目标叶片整个应变场的测量与重构，解决目前涡轮转子叶片应变测量数据点少，难以形成场测量的难题。

本发明将两种测量方法融合，具有成像测量模式和红外测量模式，利用一个探针实现数字图像信号和红外信号的同时采集，在上位机系统里集中处理。所述探针具有伸缩和旋转两种功能，所述伸缩功能是指在叶片光学信息采集过程，探针会在发动机机匣上的预留孔内上下运动，在运动过程，探针的通光孔可以径向覆盖叶片多个目标区域。所述旋转功能是指探针伸缩过程前，预先基于所述通光孔与目标叶片的初步相对位置关系进行调整，满足对叶片不同区域的弧形的焦距调节。所述探针成像测量模式，是基于双远心光学系统后端连接电荷耦合器件CCD，所述电荷耦合器CCD工作在发动机机匣外，由于通光孔限制与探针式成像系统的视场限制，成像测量模式的视场角不足以直接记录整个叶片面积，通过所述探针伸缩功能，结合叶片的转速传感器对同一叶片的区域进行多次成像。由于叶片边缘位置难以制作特征点，采用成像方式计算应变精度不高，因此对于叶片边缘位置采用红外模式，在探针伸缩旋转过程，红外模式在不断记录，探针伸缩位移一次，叶片的红外辐射信号通过所述探针传递到后端的红外光电探测器，将转换的电压信号记录。红外辐射信号的采集时基于叶片的旋转，在所述探针到达指定高度位置后，叶片的旋转运动以及叶片与周围环境的红外辐射差异会导致采集的电压信号呈现周期性变化，通过对所述红外辐射差异的精确识别可以确定叶片一个周期信号的宽度，即记录时间的一个差值，结合叶片的稳态旋转，可以计算出叶片轴向的位移变化。

本发明技术方案为一种基于双模融合的涡轮叶片应变场全场测量方法，该方法利用可同时采集光学信息和红外信息的探针对涡轮叶片进行数据采集，该探针可伸缩和旋转，伸缩方向与涡轮径向方向一致；该方法包括如下步骤：

步骤1：将一片涡轮叶片表面划分为若干个矩形区域，预先计算出探针采集每个矩形区域光学信息时的采集角度和伸缩量；

步骤2：常温状态，转动涡轮叶片，根据步骤1预先计算的采集角度和伸缩量，利用探针对同一片涡轮叶片的每个矩形区域进行光学信息采集；

步骤3：对获取的涡轮叶片各个区域的光学信息进行拼接，获得完整的涡轮叶片图像；

步骤4：固定探头的伸缩量，转动涡轮叶片，采集常温状态下涡轮叶片表面的红外信息变化情况，基于光电转换器将红外信号转为连续的电压信号，根据电压信号的突变情况确定涡轮叶片的边缘信息；采用相同的方法，分别获得探头不同伸缩量下的同一涡轮叶片边缘信息；