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航空动力学
第二章数据采集系统翡设计
Ｏ
，ｄ＜（４—２ｒ）／２Ｔ
墨：Ｆ：
露硝叫争，秀）‘如吻＞馏≤叠≤讹ｒ
，ｄ＞口，２ｒ。ｑ
式（２＿４）表示距离从零直到磊，耦合光功率为零，磊是传感器的死区。从磊接收光纤开始进入光锥，耦合光功率逐渐增加。当接收光纤恰好全部进入光锥，耦合效率达到极值。此时ｋ＝ａ／２Ｔ，输出的光通量最大。当ｄ继续增大时，光斑交叠面积不再增加。从（２４）式可见，接收耦合光功率随距离的二次方下降，即距离与接收光通量的关系示意如图２４所示。
ｋ
踌
鬏
审
饔
ｄＦ缸一纽＞／嚣距离ｄ
图２－４距离与耦合光功率的关系曲线
２．１．２光纤探头的结构设计
时尖间隙测量传感器是高速实时旋转叶片闻隙测量系统的关键。要得到一定的精度和合理的信噪比，间隙传感器要有很强的抗环境干扰和抗电磁干扰能力，所以对间隙传感器的性能提出了很高的要求，即闯隙传感器盏测的光强要与闻隙建立一一对应的关系。根据叶尖间隙传感器的使用要求和应用环境，采用了单光纤传光，多组光纾束接受散射光的结构形式（如图２－５所示梦嘲。
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图２＿５传感器探头结构
如图２—５传感器探头结构示意图所示，中间为发射光纤，四周为接收光纤，光纤采用阶跃型多模光纤，芯径为５０ＩＩｍ，而包层很薄仅４
ｌｌｐｍ，故光纤直径为５８ｍ。而这种芯径的一般光纤通常直径为１２５ｌｌｍ，这样就大大提高了纤芯的占空比和传输能力。光源发出的光耦合到入射光纤并传播到反射面上，反射面产生的光耦合入接收光纤束，接收光纤束接收到的反射光光强度Ｐ将随反射面与公共端之间的距离ｄ而变化。反射光由接收光纤束传播至光敏元件，并转换为相应的电信号输出。
图２－６带气膜冷却的探头结构
光纤探头工作在高温环境条件下，为保证可靠工作，需要有适当的冷却措施。经研究确定系统采用气膜冷却，以保护探头免受高温损坏，探头保护结构原理如１２
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第二章数据采集系统的设计
图２－６所示。通过调节锥形阀芯的深度，可以调节冷却气流的大小，在避免干扰发动祝流场的情况下，可以有效地保护探头。向心夹紧套头部失三夹头形式，在内锥孔壁的压力下，将探头夹紧。两个调节弹簧用来调节探头夹紧力，以免夹紧力过大，损伤探头１１６１１１７１［１舢。．
２．２光电接收与预处理系统
光电接受处理系统主要包括光电检测器和预处理放大电路，该系统的目标是产生可供后续数据分析豹篦齿闻隙信号。处理系统的好坏壹接关系到整个测量系统的精度，设计时应该考虑灵敏度、信噪比、频响等多方面问题。根据篦齿间隙测量的要求，系统设计主要考虑以下几个方面的要求：
（１）响应时间短。为保证精度要求，光电接受系统必须具备高速响应时间。（２）灵敏度高。旋转叶尖散射光非常弱（＜ｌｌａ聊，为达到朋限级电平，要求光电接受系统灵敏度要高。≯
（３）信噪比高。为减少背景光影响以及各种环境噪声的影响，要求信噪比要高。鳓爨身噪声小．光电检测器和放大电力自身均有嗓声，如暗电流等，选择设计时应尽量减少噪声。
入射光纤接收的光可以通过光电转换或ＣＣＤ方式检测。考虑发动梳试实验的应用现场条件和燃气涡轮研究院的先期研究成果，本系统采用光敏器件将光信号转变为电压信号。
２．２．１光电接受与预处理系统方案
设发动机转速为ｎｒ／ｒａｉｎ，如果要求时尖面的分辨率为ａ，则采样频率为：
￡≥—／Ｖ－×．ｙｔ＇／ＩＤ六≥百
式中，Ｎ：分辨率ａ内采样次数。
Ｄ：网转直径。．（２－５）’
设Ｎ＊１０，ａ糕ｌｍｍ，则正一１０ＭＨｚ。一秒钟产生的数据量约为１５ＭＢ（五 三曲．．１５ＭＢｙｔｅｓ，其中‰是Ａ／１）转换的字节长度）。这样，系统对光电检测器件的频响要求很高，为此选用高频响特性的ＰＩＮ二极管２ＤＵｌｏｌＡ（ＧＴｌ０１－Ａ）。藤且光电检测器件、Ａ／Ｄ转换、数据读取与处理能力要满足这种极速采样要求。１３
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板载足够的缓冲区暂存采样数据，可以维持数据采集的速度及完整性。因此，Ａ／Ｄ采集系统设计时要有板载高速存储、同步锁存、高速数据传输等特殊设计才能满足要求【１９１１２０１。
入射光纤的传光可以通过光电器件转换、前后置放大，经高速Ａ／Ｄ转换后输入计算机中对采样数据进行分析与处理。同时计算机控制半导体激光器的驱动模块，输出特定波长的出射光。整个测量系统原理如图２．７所示。
一。》。．互跫
图２—７测量系统原理
２．２．２光纤传感器工作段选择
设光纤数值孔径为０．１１，则Ｔ—ｔｇ（ｓｉｎ以ＮＡ）一０．１１，则传感器死区ｄ６为：ｔ（口一２ｒ）／２Ｔ一２．２１７０５（ａ一２ｒ），而ｄ一一ａ／２Ｔ一２．２１５０５ａ。又ａ≥２ｒ，如果将量程（测量范围）局限在前坡，量程宽仅为ｒ／Ｔ；后坡范围较大，传感器探头到齿顶静态距离的设计值取值范围为１．５－一，２ｍｍ，则可测较宽范围。ｄ６
２．２．３光电接收放大电路具体设计
根据系统要求以及选用的测量方法，设计了ＰＩＮ＋前置放大器ＳＡ５２１１＋后置放大器ＳＡ５２１７的设计方案。
ＰＩＮ选用信息产业部电子４４所的ＧＴｌ０１型ＰＩＮ光电二级管，该ＰＩＮ光电二极管主要参数为：峰值波长９００ｒｉｍ，工作波长４００＂－１１００ｎｍ，灵敏度Ｏ．３５～Ｗ，光敏面直径４ｎｍ。
由于ＰＩＮ二级管对温度变化比较敏感，为抑制温漂，系统采用差动光电检测器（如图２—８所示）。将差动信号送入双片ＳＡ５２１１，从而达到抑制温漂的作用。１４