航空发动机叶尖间隙测试微波传感器设计与计算

谢兴娟， 吴娅辉， 朱振宇

(中国航空工业集团公司 北京长城计量测试技术研究所计量与校准技术重点实验室，北京 100095)

航空发动机叶尖间隙测试微波传感器设计与计算

谢兴娟， 吴娅辉， 朱振宇

(中国航空工业集团公司 北京长城计量测试技术研究所计量与校准技术重点实验室，北京 100095)

设计了一种基于微带贴片天线原理的微波传感器，用于航空发动机的叶尖间隙测量与主动叶尖间隙控制。此传感器通过微波相位法行间隙距离的测量，不受发动机中燃油和污染影响，有很高的测量精度和稳定性。在理论分析的基础上，建立了工作在24 GHz左右的微波传感器模型，通过模拟计算得到了0.1～6 mm测试范围内最低灵敏度为0.5 °/mm，验证了该设计的正确性。

微波传感器； 微带贴片天线； 叶尖间隙

0 引 言

发动机叶尖间隙指轴流式发动机转子叶片叶尖与机匣壁之间的径向间隙，降低叶尖间隙可以减少发动机由于工作介质的泄露造成的效率损失，同时提高气动稳定性，是提高发动机性能和推重比的重要潜力之一[1～3]。然而，叶尖间隙的一味降低有可能导致叶尖与机匣壁的碰摩，影响发动机的安全。随着现代发动机技术的发展，人们致力于通过合理降低叶尖间隙来提高发动机的效率，而其中关键的技术为用一种传感器对叶片叶尖间隙进行实时监测[4～6]。

近年来，人们研究了基于放点探针、电容、激光等各种原理的叶尖间隙测试用传感器，但受到发动机中高温、高污染等特殊工作环境的影响，这些传感器在测量准确性和稳定性等方面都存在一定缺陷[7～9]。微波介于无线电和可见光之间，具有很好的定向辐射和传输性能，遇到金属障碍物易反射。基于此特点的微波传感器不受发动机中燃油和其它污染物的影响，不受电缆振动和长度变化的影响，非常适用于航空发动机叶尖间隙的测试[10,11]。

本文设计了一种用于航空发动机叶尖间隙测试的微波传感器，此传感器基于微波相位法原理工作，传感器探头通过微带贴片天线发射和接收微波信号。通过对传感器工作原理的分析，建立了工作在24 GHz的微波传感器模型，通过模拟计算发现此微波传感器能够进行0.1～6 mm范围内的发动机叶尖间隙测试，最小灵敏度为15°/mm，验证了该设计的正确性。

1 微波传感器工作原理

图1为利用微波传感器测量叶尖间隙的原理图，采用微波相位法的原理进行测试，其过程为：传感器发出连续的微波信号，当旋转叶片经过传感器端口时，叶尖将微波信号反射回来，根据此反射信号与内部参考信号之间的相位差的变化值即可得出叶尖间隙的实时变化值，同时根据回波信号的幅度值可去除无效间隙信号。设微波信号源与被测目标的距离为R，在微波达到目标并且返回传感器的双程路径的总相位变化为Δφ，工作波长为λ，则R的计算公式为

(1)

可见，只要选定微波工作波长，则根据相位差Δφ即可求出测量距离R。

图1 微波传感器测量原理图

由于相位的周期性变化，测试距离的增大会引起式(1)中的相位模糊,因此,要求双程路径长度小于工作波长，即测试距离小于半波长(2R/λ<1)。需要选择合适的工作波长来满足测试要求。

2 微波传感器结构设计

图2为所设计微波传感器结构示意图，主要包括三部分:天线辐射单元、微波传输单元和传感器壳体。天线辐射单元负责发射和接收微波信号，为微带贴片天线结构；微波传输单元为同轴电缆，插入传感器壳体内，通过其内导体对天线进行馈电；传感器壳体作为微带贴片天线的接地面，也对贴片天线起到保护作用。微波传感器工作时插入机匣上预先开好的孔中，探头正对发动机内部的叶尖进行间隙测量。

图2 微波传感器结构示意图

天线辐射单元是微波传感器的核心部分，采用微带贴片天线结构形式设计。主要包括三部分：绝缘基底、金属贴片和馈孔，其结构示意图如图3所示。金属贴片置于绝缘基底之上，同轴电缆的内导体穿过馈孔与金属贴片相连对天线进行馈电，使得金属贴片和传感器壳体之间产生电场，并在天线端口处往外辐射，实现贴片天线功能。

图3 天线辐射单元结构示意图

对微带贴片天线的分析可以运用腔模理论，即把微带天线看作是微带线谐振腔模型，运用分析谐振腔的方法进行分析。具体等效形式为将微带和地板之间的区域可以看作沿周围边缘的磁壁和上、下两面的电壁围成的腔体。根据腔模理论，通过求解规定边界条件下的波动方程，得到腔内TMnm模电场的表达式为

(2)

(3)

(4)

考虑尽量获得小的天线尺寸，工作模式选为主模TM11模，即χ11=1.841，因此,天线贴片半径a的初步计算公式为

(5)

可见天线贴片半径的尺寸与谐振频率和介质介电常数有关。由于传感器实际模型中，微带贴片天线结构边界条件比理想情况复杂，因此,具体尺寸的确定需要在理论计算的基础上结合模拟仿真软件计算确定。

3 微波传感器的模拟计算

利用三维电磁场计算软件CST—MWS建立了微波传感器三维计算模型，此模型设计工作频率为24GHz，探头外径尺寸为9mm。通过优化计算后，确定金属贴片的半径尺寸a为1.9mm。图4为计算得到的微波传感器端口的反射系数幅值频率曲线，可见曲线的最低峰值点在横坐标24.008GHz处，最低反射系数幅值为0.004 65，表示在此频点，传感器内部结构反射回端口的信号幅值仅占总信号的0.465 %，可见传感器内部大部分的信号通过探头天线向外辐射。确定传感器的实际工作频率为24.008GHz。

图5为传感器在工作频点处的内部能量传输分布图，可见同轴电缆中传输的微波信号通过微带贴片结构顺利地向外传输，探头端口能量辐射方向正对发动机叶尖，使得微波信号能够在叶尖处有最强的信号反射，并顺利回到传感器探头。

图4 微波传感器端口反射系数频率曲线

图5 微波传感器探头内部能量传输分布

图6为模拟计算得到的传感器测试相位与实际间隙距离关系曲线。由于工作波长为12.5mm，考虑微波传输的双程距离，选择测量的间隙范围为0.1～6mm。可见在此变化范围内，反射系数相位值单调递减，相位变化范围为259.5°，表现了很好的相位分辨力。曲线在实际间隙0.5mm左右灵敏度最低为15°/mm，之后,随间隙增大而增大。此处灵敏度低的原因主要探头天线端口为感应近场位置，受到探头端口和叶片形状的影响，使反射能量减弱。

图6 微波传感器测试相位与实际间隙距离关系曲线

4 结 论

本文设计了一种基于微带贴片天线结构原理的微波传感器，利用微波相位法进行位移距离的测量。通过对传感器结构和工作原理的分析计算，建立了工作在24GHz的微波传感器模型，模拟计算发现此微波传感器能够进行0.1～6mm范围内的位移测试，最小灵敏度为15°/mm，验证了该设计的正确性。此微波传感器能够应用于航空发动机叶尖间隙测量和主动叶尖间隙控制，为提高航空发动机叶尖间隙的测量精度和能力提供了技术基础。

[1]GeisheimerJL,BillingtonSA,HolstT,etal.Performancetestingofamicrowavetipclearancesensor[C]∥ProcofConfofAmericanInstituteofAeronauticsandAstronautics,2005:3987-3992.

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[9] 邱立新，王振华.航空发动机叶尖间隙测量研究[J].航空发动机，2001(4):26-29.

[10] 张 均，张克诚，张贤铎，等.微带天线理论与工程[M]． 北京： 国防工业出版社，1998.

[11] 钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，1991.

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

谢兴娟(1985-)，女，河北石家庄人，博士，研究方向为微波传感器关键技术。