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1、0测试与光电工程学院课程设计课题申报表电子科学与技术系 07 级学生相关课程 光电信息技术 指导教师 伏燕军 学生人数 2课题名称 航空发动机表面微小振动干涉测量技术的研究 设计地点 F609课题工作内容本课题采用激光干涉测量技术开展航空发动机关键部件表面振动测量方法研究，探索测量方法，为实现航空发动机关键部件振动的激光非接触测量提供关键技术手段。从原始振动信号中提取有用信息,为航空发动机状态识别提供依据，也为飞行器的正常运作提供保障。课题来源 课题性质 使用计算机情况江西省自然科学基金 应用 较少系负责人签字： 申报人：伏燕军2010 年 11 月 20 日1测试与光电工程学院课程设计任务书
2、电子科学与技术系 070832 班 吴海 郭青 学生：课题名称： 航空发动机表面微小振动干涉测量技术的研究 课题要求：进行航空发动机表面微小振动干涉测量技术的研究。课题内容：1、已知技术参数：2、工作进度安排：4 周主要参考资料：1 金隼，曹立波，唐应时.汽车车身模型立体视觉测量系统，1999，12 (2):28-31.2 陈侃，尚颖，李军.汽车车身曲面测量方法和发展趋势.世界汽车，1998,16(11):23-24.3 喻昂. IPTV 系统中的媒体分发和存储技术研究与实现 D .武汉:华中科技大学,2006.4 董艳荣. IPTV 机顶盒研究与实现 D . 天津: 天津大学,2006.5
3、陈博. IPTV 中的关键技术J . 广东通信技术,2005 (5) :16217.6 冯传岗. IPTV 的技术特点及其应用J . 卫星电视与宽带多媒体,2005 (15) :47252.系负责人： 指导教师： 伏燕军 时间：2010 年 11 月 20 日2测试与光电工程学院课程设计评分标准平时表现评分：（20%）优秀：（90-100）遵守纪律，尊敬老师，爱护设备，工作量饱满，动手能力强，无缺勤,很好按课题进度进行。良好：（80-89）遵守纪律，爱护设备，工作量饱满，动手能力较强，考勤情况良好，较好按课题进度进行。中等：（70-79）遵守纪律，爱护设备一般，工作量一般，动手能力一般，偶尔缺
4、勤，基本按课题进度进行。及格：（60-69）遵守纪律一般，人为因素损坏设备，工作量一般，动手能力差，偶尔缺勤，能按课题进度进行。不及格：（59 以下）不遵守纪律，人为因素损坏设备，有技术安全事故，工作量不饱满，动手能力很差，经常迟到，早退，缺勤。课题完成情况评分：（50%）优秀：（90-100）全部完成任务书要求，完成质量优良、结果正确，所完成的设计有一定的独立见解。良好：（80-89）全部完成任务书要求，完成情况良好，所完成的设计正确，解决了一些实际问题，结果正确。中等：（70-79）基本完成任务书要求，完成质量尚好，所完成的设计基本正确，但存在一些不足。及格：（60-69）基本完成任务书要
5、求，完成质量尚好，所完成的设计基本正确，但有小错误。不及格：（59 以下）未完成任务书要求，所作的设计有严重错误，基本概念不清。课程设计报告质量评分（30%）1、文献资料收集、整理、分析；对课题研究意义的阐述；文字精练、流畅、绘图整洁、符合标准规范、字体工整；2、基本概念、基本理论及专业知识掌握扎实，运用灵活；设计思路、设计内容、计算方法及结果、计算机运用正确无误；3、试验数据的获取（软件调试方法及过程）试验过程（调试过程）的正确性；4、课程设计的结论，存在的问题，研究结果的创新性；3目 录一 概述.5二 干涉的基本原理.5三 航空发动机的振动分析.7四 设计原理.8五 实验与结果.10 六
6、总结.12七 致谢.13附 录.134一、概述近年来,随着微机械技术的迅速发展及大量应用,对机械部分的微小位移进行精确测量就越来越重要。光学干涉测量技术作为一种非接触式测量技术,具有精度高、稳定性好及结构简单等优点,因而得到了广泛应用13 。由于半导体激光器(LD) 具有稳定的单模输出、波长可调谐、低电流损耗以及尺寸小、价格低等优点,在光学干涉仪中已被广泛地用作光源。利用半导体激光器的波长可调谐性,对它的输入电流进行直接调制,很容易实现测量精度较高的光外差干涉技术。在使用半导体激光的正弦相位调制(SPM)干涉仪4,5中,通过对半导体激光输入正弦电流信号,可实现干涉信号的正弦相位调制。相对于传统
7、的外差干涉仪,使用半导体激光的正弦相位调制干涉仪体积小、结构紧凑,相位调制简单、精确,所以这种干涉仪得到了很大的发展。本文基于使用半导体激光的正弦相位调制干涉仪,设计了一种能够实时测量微小振动的干涉仪。通过设计电路对干涉信号进行处理,对探测信号与物体振动的关系进行分析,根据直接观察到的探测信号实时得到物体振动的振幅和频率2、干涉的基本原理5为使合成波场的光强分布在一段时间间隔 t 内稳定，要求:各成员波的频率 v（因而波长 ）相同;任两成员波的初位相之差在 t 内保持不变。条件意味着,若干个通常独立发光的光源,即使它们发出相同频率的光，这些光相遇时也不会出现干涉现象。原因在于：通常光源发出的光
8、是初位相作无规则分布的大量波列，每一波列持续的时间不超过 10 秒的数量级,就是说每隔 10 秒左右,波的初位相就要作一次随机的改变。而且，任何两个独立光源发出波列的初位相又是统计无关的。由此可以想象，当这些独立光源发出的波相遇时，只在极其短暂的时间内产生一幅确定的条纹图样，而每过 10 秒左右，就换成另一幅图样,迄今尚无任何检测或记录装置能够跟上如此急剧的变化，因而观测到的乃是上述大量图样的平均效果，即均匀的光强分布而非明暗相间的条纹。不过，近代特制的激 光 器 已经做到发出的波列长达数十公里,亦即波列持续时间为 10 秒的数量级。因此，可以说若采用时间分辨本领 t 比 10 秒更短的检测器
9、（这样的装置是可以做到的） ，则两个同频率的独立激光器发出的光波的干涉，也是能够观察到的。另外，以双波干涉为例还要求：两波的振幅不得相差悬殊；在叠加点两波的偏振面须大体一致。当条件不满足时，原则上虽然仍能产生干涉条纹，但条6纹之明暗区别甚微，干涉现象很不明显。条件要求之所以必要是因为，当两个光波的偏振面相互垂直时，无论二者有任何值的固定位相差，合成场的光强都是同一数值，不会表现出明暗交替（欲观察明暗交替，须借助于偏振元件） 。以上四点即为通常所说的相干条件。满足这些条件的两个或多个光源或光波，称为相干光源或相干光波。3、航空发动机的振动分析伴随着近年来科技技术的日益进步，航空发动机的可靠性与经
10、济性得到了大大的提高。然而，人们却依然不断的对其提出更高的要求，现代发动机追求高性能和搞推重比，结构日趋复杂，工作条件越发苛刻，导致整体振动过大的因素逐步增多，因此要时时的检测发动机的振动。发动机的振动的原因有 （一）转子不平衡 由于材质不均匀，结构不对称、加工误差以及装配误差致使转子质量偏心较大。表现如下：（1） 在亚临界区运转的刚性转子，其振幅值随转速增高二增加，随转速的降低而减小；（2） 在频谱图上基频峰值显著高于其分频和倍频峰值。（二）转子不对中转子在转配过程中经常出现不对中偏差。轴不对中偏差时由于相邻轴承座不同心而导致轴中心线斜偏所引起的。7表现如下：（1）转子轴向振动增大，并大于
11、0.5 倍径向振动值；（2）从振动信号的频谱图上可以观察到转速二倍或三倍频峰值高于基频峰值的典型现象。发动机转动时的表现:（1）机匣振动响应会出现转子旋转频率的次谐波、高次谐波和组合谐波成分；（2）振动随时间而变化，当碰撞接触面积增大或接触位置增加时，机匣振动响应辐射剧增；（3）双转子发动机、其转、静子发生碰撞时，系统发生次谐波和组合谐波频率的振动。四、设计原理8（ ）（ ）（ ） （ ） （ ）物 体12图（1）为半导体激光微小振动实时干涉测量系统示意图。光路部分构成了一个Twyman-Green干涉仪。该干涉仪采用半导体激光作为光源。半导体激经过透镜L准直后,由分束器BS分成两束平行光,其
12、中一束照到参考镜M上作为参考光束,另外一束照射到被测振动物体上。两光臂之间的光程差为2D0。M与被测振动物体的反射光束的干涉信号,由光电二极管PD 检测,通过信号处理电路后获得探测信号 P(t)。信号发生器输出信号 Vm(t)为:Vm(t)=Acos ct(1)经过半导体激光调制器LM 后,得到正弦交流调制电流 Im(t) :Im(t)=KLMVm(t)=acos ct , (2)其中 KLM 为半导体激光调制器的转换系数, a =KLMA。调制电流 Im(t)与直流电流 I0 一起驱动半导体激光。半导体激光的波长变化为 I m(t) ,其中9 为半导体激光的波长调制系数。PD 接收到的干涉信
13、号为:S(t)=S1+S0coszcos ct + 0+ d (t) ,(3)S1为信号的直流分量, S0为信号交流分量的振幅 ,z= 4 aD 0/ 02 为正弦相位调制深度。 0为与 I0 对应的半导体激光的中心波长。 0 = (4/ 0)D0 (4)为被测振动物体静止时干涉信号的相位,它由光程差2 D0决定。 d = (4/ 0)d(t) (5)为被测振动物体振动引起的干涉信号的相位变化。 d(t)为压电陶瓷驱动下被测振动物体的位移变化。图1中虚线框内的部分是信号处理电路。它由一个模拟乘法器和一个低通滤波器LPF 组成。放大器1的增益为 K1 ,放大器2 的增益为 K2 。模拟乘法器的系
14、数为 Km 。低通滤波器的增益为 KL ,截止频率低于 / 10。我们用这部分电路实现鉴相功能,通过乘法器和低通滤波器把干涉信号中的相位变化在其输出的测量信号 P(t)中鉴别出来。将(3)式展开,忽略其中的直流分量,可得到:S(t) =S0cos (t)J0(z)-2J2(z)cos2 ct +-sin (t)2J1(z)cos ct- 2J3(z)cos3 ct + ,(6)式中 (t) = 0 + d(t),Jn(z)是 n 阶贝塞尔函数。信号 S(t)经过放大器1后,与通过放大器2 的调制信号 Vm(t)相乘,再通过低通滤波器,可得到信号:P(t)=K1K2KmKLS0AJ1(z)sin (t) (7)定义 Ks = K1K2KmKLS0AJ1(z) (8)10若 (t) 在2 n( n = 0，1,2,) 附近, (7) 式可为:P(t) Ks (t)=Ks 0 + KsKdd(t) (9)其中 Kd = 4/ 0 。不考虑上式中的直流项,即 Ks 0项,可得到探测信号P(t)与振动位移变化 d(t)之间的关系式:P(t)=KsKdd(t) (10)由上式可
