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[新启航]航空发动机燃烧室喷嘴孔深光学 3D 轮廓测量 - 激光频率梳 3D 轮廓技术

news 2025/9/19 5:41:22

一、引言

航空发动机燃烧室喷嘴孔（直径 0.5-3mm，长径比 8-20）的孔深精度直接影响燃油雾化效率与燃烧均匀性，孔深偏差＞5μm 即可能导致局部高温烧蚀。传统检测依赖接触式测针与显微成像法，前者易划伤孔壁且无法适配长径比＞15 的小孔，后者受焦深限制导致孔深测量误差＞3μm，且难以同步获取孔壁轮廓。激光频率梳 3D 轮廓技术凭借微尺度聚焦与高精度光程解析能力，突破喷嘴孔深测量的空间限制与精度瓶颈，为航空发动机核心部件检测提供可靠方案。

二、检测原理与系统适配设计

（一）核心检测原理

依托激光频率梳 “等间隔频率梳齿” 特性，将孔深测量转化为光程差的精准计量。锁模飞秒脉冲经光纤分束为探测光与参考光，探测光通过显微物镜（数值孔径 0.5）聚焦于喷嘴孔底，反射光随孔深变化产生光程差，与参考光在平衡探测器形成干涉信号。基于v_N = Nf_{\text{rep}} + f_{\text{ceo}}频率公式解析相位信息，结合轴向扫描数据重构孔深与内壁 3D 轮廓，孔深计算精度可达 0.1μm 量级。

（二）专用系统构建

系统采用中心波长 1064nm 飞秒激光频率梳（重复频率 200MHz），搭配直径 3mm 的微型光纤探头，可伸入直径≥0.8mm 的喷嘴孔。通过压电陶瓷驱动实现 0.1mm 步距的轴向扫描，结合高速数据采集卡（采样率 5GS/s），单次孔深检测耗时≤15s。针对高温合金孔壁反射特性，增设窄带滤光片（带宽 10nm）抑制杂散光干扰。

三、喷嘴孔检测的关键技术突破

（一）小孔深聚焦与遮挡消除

采用离轴抛物面镜优化光路设计，将探测光斑直径压缩至 20μm，解决小孔内聚焦难题。结合梳齿波长自适应调节（覆盖 1050-1070nm），适配 Inconel 718 与钛合金两种典型喷嘴材质。在长径比 20 的 Φ1mm 喷嘴孔检测中，孔底中心与边缘区域数据完整度达 99.1%，无明显遮挡盲区。

（二）微尺度误差补偿

开发双频同步监测算法，实时校准f_{\text{rep}}与f_{\text{ceo}}漂移（补偿响应时间＜1ms），抵消检测环境中 ±2℃温度波动与 ±50μm 振动影响。对比实验显示，补偿后孔深测量重复性误差从 0.6μm 降至 0.15μm，满足航空发动机 Ⅰ 级部件检测公差要求。

四、精度验证与工程应用

（一）精度校准结果

以标准阶梯孔规（孔深偏差 ±0.2μm）校准，系统孔深测量误差≤±0.3μm，孔壁轮廓分辨率达 0.3μm，可清晰识别电解加工残留的微米级条纹。与三坐标测量机对比，孔深检测一致性达 99.5%，且检测效率提升 3 倍。

（二）实际应用案例

在某型航空发动机燃烧室喷嘴（Φ1.5mm，孔深 22mm）检测中，成功检出 0.4μm 的孔深锥度偏差与 0.9μm 的内壁圆度误差，检测结果通过整机台架试验验证。在批量检测中，该技术实现 100% 孔深尺寸筛查，误判率控制在 0.2% 以下，较传统方法降低 80%。

激光频率梳3D光学轮廓测量系统简介：

20世纪80年代，飞秒锁模激光器取得重要进展。2000年左右，美国J.Hall教授团队凭借自参考f-2f技术，成功实现载波包络相位稳定的钛宝石锁模激光器，标志着飞秒光学频率梳正式诞生。2005年，Theodor.W.Hänsch（德国马克斯普朗克量子光学研究所）与John.L.Hall（美国国家标准和技术研究所）因在该领域的卓越贡献，共同荣获诺贝尔物理学奖。

系统基于激光频率梳原理，采用500kHz高频激光脉冲飞行测距技术，打破传统光学遮挡限制，专为深孔、凹槽等复杂大型结构件测量而生。在1m超长工作距离下，仍能保持微米级精度，革新自动化检测技术。