空芯叶片壁厚测量仪

巴晓玉王俊涛许　鹏刘淞宁

（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）

空芯叶片壁厚测量仪

巴晓玉王俊涛许鹏刘淞宁

（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）

摘要：空芯叶片壁厚仪是针对带有通气散热孔的某型发动机一级涡轮叶片的小孔壁厚进行检测的电子仪器。仪器是利用探头在叶片孔壁外表滑动，而探头线圈的电感量随探头顶部与钢丝柱面的垂直距离的变化而变的电磁作用原理进行设计。电路上采用感辨机构作为仪器的传感器以实现叶片壁厚数据的精确测量。平衡网络的应用提高测量信号源的输出阻抗。其他电路设计多采用集成组件，增加了最小值记忆等功能。此次设计提高了仪器的检测精度，减少仪器返修次数，为公司小孔叶片壁厚测量提供了可靠保障。

壁厚测量仪；感辨机构；平衡网络

空芯叶片壁厚测量仪是带有通气散热孔的发动机涡轮叶片的小孔壁厚进行检测的电子仪器。该仪器在我公司已有几十年的应用历史，并已相继更新了两次，我们这次设计的属于第四代产品。设计上主要采用感辨机构替代原有仪器的测量部分，利用探头顶部与钢丝电极外表面的距离缩短，探头次级输出的感生电势增大的原理对数据采集部分进行改造，从而达到对叶片小孔壁厚进行精确测量的要求。感辨机构的应用提高了壁厚测量过程中的精度和稳定性。集成组件设计应用解决了系统稳定性差，仪表指针漂移严重等问题，另外新增了最小值记忆等功能，也为简化测量提供依据，满足了叶片检测的时功能需要。叶片壁厚的准确测量无论是科学研究还是生产实践中均有非常重要的意义。目前，该仪器应用于公司生产中，因其结构简单、测量电路可靠，具有较高的分辨率和灵敏度等特点可推广到多领域的壁厚测量试验中。

1.系统结构组成及原理分析

1.1 仪器的组成

空芯叶片壁厚测量仪是由测量仪器一台及测量探头一套组成。其中仪器包含壁厚偏转显示表、探头调零指示表、仪器复零调节旋钮、仪器连续性与记忆选择开关，以及电源通断控制开关。

1.2 总体电路设计

图1总体电路设计方框图的大概思路是，由文氏电桥及稳幅电路产生一个稳定的正弦波信号，并将此信号加于由基准电感线圈和检测电感线圈组成的串联回路中，当探头接近检测体时，两组线圈的电势发生变化，一个增加，另一个减少，这种变化使平衡网络从平衡点偏移，产生一个含有直流分量的非正弦周期信号，此信号经滤波放大，保留直流成分，滤掉交流成分，并由记忆电路取最大幅值，再经极性变换放大后，送显示装置。

图1　总体电路设计方框图

2.系统结构组成及原理分析

2.1 感辨机构（传感器）

感辨机构是该仪器的关键部件，它决定了仪器测量灵敏度与测量范围。我们这次采用电感式传感器作为新仪器的感辨机构，在传感器上做些改进，并采用一些表面强化措施以提高探头的耐磨性能。

感辨机构（传感器）结构如图2所示，它是由磁芯、线圈、骨架和磁链几部分组成。根据电磁作用原理，当线圈中通过一定频率的正弦电流时，将在线圈周围产生一个同频率的交变磁通。因线圈中装有铁芯，所以，磁通大部分集中在磁芯中，也就是说磁芯中的磁通为线圈的主磁通，根据法拉第电磁感应定律，在交变的磁场中的线圈会产生一个感生电动势E，而这个感生电动势的幅值与通过线圈截面磁通的变化率成正比，即：

感生电动势用有效值表示，则有：

图2　感辨机构结构图

平时由于探头附近无检测体，所以磁通的变化与主磁通的大小完全由输入信号和初级线圈的自感及次级线圈的互感所决定，这时，输入信号不变，则次级的输出电势亦不变。如图3所示。

当探头接近检测体钢丝电极时，由于线圈中磁芯没有形成环形的闭合磁路，所以受外来钢丝电级的导磁特性的影响，使主磁通的闭合磁路的磁阻减小，主闭合磁路也随钢丝接近探头磁芯而相应缩短。从而使加在测量探头线圈的信号电压增大，最终使探头初级线圈的自感电势与次级线圈的互感电势增加。即探头顶部与钢丝电极外表面的距离缩短，探头次级输出的感生电势增大。

2.2 平衡网络

平衡网络是当无检测信号作用时，产生信号对称点或工作零点。该网络由传感器HD，BH。半波整流放大器IC3，IC4等主要组成。

当无检测信号时，作用传感器HD，BH初级电感线圈上的正弦信号电压有效值相等，从而使两个传感器的次级线圈的同名端输出一个大小相等、相位相同的近似正弦波的交流电压信号。作用与IC3测量放大器的交变信号，当正半波到来时，在IC3的输出端产生的负信号使D10二极管正向导通，D5二极管反向偏置而截止，因而a点电势为零。当负半波信号到来时，IC3输出为正，使D10反向截止，D5正向导通，a点输出放大的正弦波信号。反之亦然，IC4半波整流放大器的工作状态与输出波形和IC3整流放大器相反，使输出为放大的负半波信号。

图3　工件壁厚测量示意图

其输出的波形如图4所示。因IC3，IC4两放大整流电路是交替工作的，所以作用在下级电路的波形是两组整流放大电路输出信号的叠加，是一组放大了的正弦信号，设置此电路的目的是要提高测量信号源的输出阻抗，并通过IC3，IC4等元件组成平衡网络的两个桥臂。调整W3或W4可调整平衡零点。

平衡网络的另一个目的是通过平衡点的改变来为下级电路提供测量信号。我们在下级采用放大滤波电路，就可将放映非对称的测量信号中的直流分量保留，放大，而将按正弦或余弦（最终可化正弦）规律变化的基波和高次谐波信号滤掉，从而建立起被测量与指示量的一一对应关系。

2.3 滤波与放大电路

如前所述，滤波与放大电路的作用，就是将非对称的周期检测信号中的直流成份保留并放大，而将对称的周期变化的基波与谐波信号滤掉，建立起感辨量与指示量的稳定的一一对应关系。

图5中由IC5，C14，R22，W5等元件组成的放大滤波电路为一阶低通有源滤波器。该滤波器的工作原理是当输入信号频率增加时，由R22、W5、C14组成的反馈网络的阻抗减小，使闭环放大倍数降低，从而起到了低通滤波作用。换句话说，当检测信号中的谐波次数越高，通过此滤波器后的输出电压幅值就越低。

由IC6.R24.R25.R27.C17.C16等元件组成的滤波器是二阶的低通滤波器，它的作用是将前级未滤掉的交流信号进一步加以消除。与前一级滤波器相比，此二阶滤波器的滤波性能增加，即对截止频率以上的频率衰减幅值成倍增加。而且它的抗扰动性能也优于一阶滤波器，所以经过该级电路滤波后，检测信号将变为直流信号，并可送下级电路进行峰值检测，以记忆测量得最小壁厚值。

2.4 峰值检测与记忆电路

由于在空芯叶片壁厚测量过程中，要求在9小孔的5个截面上必须保证其最小工艺尺寸，所以我们采用了上述峰值与记忆电路，以满足检测要求。根据我们前面提到的电感式传感器的工作原理，当叶片壁厚减小时，其输出的检测信号幅度增加，即U02增加，此时图6中的电路开始工作，其工作原理为，当某一时刻输入电压U02大于输出电压U03时，由IC10，T6，R28，C19组成的峰值检测电路中的运放输出为高电平，使T6结性场效应管的G.S端正向偏置而导通，并通过电阻R28对记忆电容C19充电，直到UC19逼近U02，当输入电压U02下降到低于电容器上电压值时，运算放大器的输出端转变为负值，场效应管的G.S端反向偏置而截止，此时电容器将保持前一时刻的峰值电压。电路中IC10与T6组成电压跟随器，场效应管T6减小反向漏电流，以提高记忆电压的精确性。

图4　平衡网络电路组成及波形图

图5　滤波与放大电路

图6　峰值检测与记忆电路

3.项目创新点

该仪器主要应用感辨机构对叶片壁厚进行测量。采用感辨机构设计探头，感辨机构的应用提高了测量灵敏度。集成组件设计应用解决了系统稳定性差，仪表指针漂移严重等问题，另外新增了最小值记忆等功能，也为简化测量提供依据。

叶片壁厚的准确测量无论是科学研究还是生产实践中均有非常重要的意义。目前，该仪器应用于公司生产中，应用感辨机构对叶片小孔壁厚进行测量，不仅提高了壁厚测量过程中的精度还提高了系统的稳定性。因其结构简单、测量电路可靠，具有较高的分辨率和灵敏度等诸多优点，可推广应用到多领域的壁厚测量试验中。

[1]孙肖子，张企民.模拟电子技术基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001.

[2]许庆山，李秀人，常丽东.电路、信号与系统[M].北京：航空工业出版社，2002.

[3]肖景和.集成运算放大器应用精粹[M].北京：人民邮电出版社，2006.

[4]美国德克萨斯仪器公司TTL.上海半导体器件研究所翻译组译.集成电路特性应用手册[Z].

TM937

A