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[新启航]民航发动机燃油喷嘴的多孔阵列孔深光学 3D 轮廓测量 - 激光频率梳 3D 轮廓技术

news 2025/9/21 6:04:23

一、引言

民航发动机燃油喷嘴多孔阵列（单喷嘴孔数 8-24 个，孔径 0.4-1.8mm，长径比 10-22）是燃油雾化核心，孔深一致性偏差＞2μm 会导致燃烧不均，引发发动机振动超标。传统检测依赖人工轮换测头与显微成像，前者单孔检测耗时＞30s 且易漏检，后者受阵列遮挡影响，孔深测量误差＞3.5μm，无法满足适航标准要求。激光频率梳 3D 轮廓技术凭借多维度同步探测与亚微米精度优势，突破多孔阵列检测的效率与精度瓶颈，为民航发动机核心部件检测提供可靠方案。

二、检测原理与阵列适配系统设计

（一）核心检测原理

依托激光频率梳 “等间隔频率梳齿” 的光频基准特性，将孔深测量转化为光程差的精准计量。锁模飞秒脉冲经分束器形成探测光阵与参考光，探测光通过阵列显微物镜（数值孔径 0.5）同步聚焦于多孔底部，反射光随各孔深差异产生光程差，与参考光在阵列探测器形成干涉信号。依据v_N = Nf_{\text{rep}} + f_{\text{ceo}}频率公式解析相位信息，结合多轴扫描数据重构多孔 3D 轮廓，单孔深测量精度达 0.05μm 量级。

（二）阵列专用系统构建

系统采用中心波长 1064nm 飞秒激光频率梳（重复频率 250MHz），搭配直径 2mm 的 8 通道微型光纤探头阵列，可适配 12 孔以下密集阵列同步检测。通过伺服电机驱动实现 0.06mm 步距的三维扫描，结合 16 通道高速数据采集卡（采样率 6GS/s），单喷嘴多孔阵列检测耗时≤25s。针对 Inconel 625 合金孔壁特性，增设 10nm 带宽滤光片与偏振校准模块，信噪比提升 40%。

三、多孔阵列检测的关键技术突破

（一）阵列遮挡与聚焦优化

采用自适应光路补偿算法，通过调整各通道探测角度（±15° 范围内），消除多孔间遮挡干扰。结合非球面聚光镜组，将单通道光斑直径压缩至 12μm，在长径比 22 的 Φ0.6mm 多孔阵列检测中，所有孔底数据完整度达 99.5%，无检测盲区。

（二）多孔一致性误差补偿

开发多参数联动校准系统，实时修正 8 通道f_{\text{rep}}与f_{\text{ceo}}漂移（补偿响应时间＜0.5ms），抵消检测环境 ±2℃温度波动与 ±60μm 振动影响。实验显示，补偿后多孔深测量重复性误差从 0.4μm 降至 0.09μm，孔间一致性偏差检测精度达 0.1μm。

四、精度验证与工程应用

（一）精度校准结果

以标准多孔阵列量规（孔深偏差 ±0.1μm）校准，系统单孔深测量误差≤±0.2μm，孔壁轮廓分辨率达 0.2μm，可清晰识别电解加工的微米级纹路。与高精度三坐标测量机对比，多孔深检测一致性达 99.6%，检测效率较传统方法提升 8 倍。

（二）实际应用案例

在某型民航发动机燃油喷嘴（16 孔，Φ1.0mm，孔深 18mm）检测中，成功检出 0.2μm 的孔深锥度偏差与 0.15μm 的孔间一致性偏差，检测结果通过整机燃烧试验验证。在批量检测中，该技术实现 100% 多孔深筛查，误判率控制在 0.1% 以下，较传统人工检测降低 90%。

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。