[發(fā)明專利]基于APD陣列的葉片振動(dòng)參數(shù)測(cè)量方法和裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810097070.1
• 申請(qǐng)日: 2018-01-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108645506A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-10-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 段發(fā)階;程仲海;牛廣越;蔣佳佳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): G01H17/00
• 分類號(hào): G01H17/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 劉國(guó)威

本方法涉及旋轉(zhuǎn)動(dòng)葉片非接觸振動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域，為提出一種基于APD陣列的葉片振動(dòng)參數(shù)測(cè)量方法，主要是為了提高葉尖定時(shí)精度及克服信號(hào)欠采樣的問(wèn)題。本發(fā)明，基于APD陣列的葉片振動(dòng)參數(shù)測(cè)量方法和裝置：光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)投射到旋轉(zhuǎn)葉片上，葉片通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像到APD陣列上，隨著某葉片周向位置的改變，葉片成像到不同的APD陣列單元上，進(jìn)而產(chǎn)生多路多通道的定時(shí)脈沖記錄葉片處于不同位置的具體時(shí)刻，結(jié)合轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速計(jì)算獲得葉片不同時(shí)刻的振動(dòng)位移，利用速矢端跡法、雙參數(shù)法、均布法實(shí)現(xiàn)葉片振動(dòng)參數(shù)的辨識(shí)。本發(fā)明主要應(yīng)用于葉片非接觸振動(dòng)測(cè)量場(chǎng)合。

技術(shù)領(lǐng)域

本方法涉及旋轉(zhuǎn)動(dòng)葉片非接觸振動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域，特別是一種基于APD陣列的葉片振動(dòng)參數(shù)測(cè)量方法。具體講,涉及基于APD陣列及葉尖定時(shí)原理的葉片振動(dòng)參數(shù)測(cè)量方法和裝置。

背景技術(shù)

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)、煙氣輪機(jī)等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，動(dòng)葉片作為核心做功元件，其運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)直接影響設(shè)備的工作性能及運(yùn)行安全，高溫下葉片振動(dòng)參數(shù)的在線測(cè)量是保證設(shè)備工作性能和運(yùn)行安全的關(guān)鍵。

目前，非接觸旋轉(zhuǎn)葉片葉尖定時(shí)測(cè)振技術(shù)是典型的非接觸檢測(cè)方法。葉尖定時(shí)原理如圖1所示，葉尖定時(shí)傳感器安裝于機(jī)匣上，在定子上安裝轉(zhuǎn)速同步傳感器，當(dāng)葉片掃過(guò)葉尖定時(shí)傳感器時(shí)測(cè)量電路產(chǎn)生脈沖信號(hào)記錄葉片相對(duì)轉(zhuǎn)速同步傳感器的到達(dá)時(shí)間。根據(jù)測(cè)得的葉片到達(dá)時(shí)間與無(wú)振動(dòng)情況下葉片理論上的到達(dá)時(shí)間進(jìn)行比較，結(jié)合當(dāng)前轉(zhuǎn)速，即可獲得葉片的振動(dòng)位移。然后通過(guò)上位機(jī)程序和相關(guān)辨識(shí)算法即可計(jì)算得到葉片振動(dòng)頻率、幅值等振動(dòng)參數(shù)。

一方面，由于葉尖傳感器安裝數(shù)量的限制，每支葉片旋轉(zhuǎn)一周測(cè)量的振動(dòng)數(shù)據(jù)有限，葉片的振動(dòng)頻率常常是轉(zhuǎn)速的幾十倍，因此，葉片振動(dòng)位移的測(cè)量是一個(gè)極度欠采樣過(guò)程，葉片振動(dòng)參數(shù)辨識(shí)有一定難度。

另一方面，傳感器的時(shí)間分辨率直接關(guān)乎葉尖定時(shí)測(cè)振系統(tǒng)精度。而雪崩光電二極管(APD)陣列由于精度高、抗干擾能力強(qiáng)已成為現(xiàn)在主流的光電探測(cè)器件之一。APD陣列探測(cè)器兼具單光子探測(cè)靈敏度和皮秒級(jí)時(shí)間分辨率兩大特點(diǎn)。同時(shí)，由于APD陣列可具有多通道并行測(cè)量能力，其陣列中的每個(gè)單元都可以作為一路測(cè)量通道，可用于非接觸旋轉(zhuǎn)葉片葉尖定時(shí)測(cè)振系統(tǒng)，當(dāng)葉片掃過(guò)傳感器時(shí)，APD陣列可產(chǎn)生多路定時(shí)脈沖，用于葉片到達(dá)時(shí)間的高精度鑒別。

發(fā)明內(nèi)容

為克服現(xiàn)有葉尖定時(shí)測(cè)振技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提出一種基于APD陣列的葉片振動(dòng)參數(shù)測(cè)量方法，主要是為了提高葉尖定時(shí)精度及克服信號(hào)欠采樣的問(wèn)題。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，基于APD陣列的葉片振動(dòng)參數(shù)測(cè)量裝置，包括：發(fā)射子系統(tǒng)，接收子系統(tǒng)，控制與信號(hào)處理子系統(tǒng)；

進(jìn)一步，發(fā)射子系統(tǒng)包括光源和光學(xué)系統(tǒng)，光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)投射到旋轉(zhuǎn)葉片上；

進(jìn)一步，接收子系統(tǒng)包括多路光學(xué)系統(tǒng)和APD陣列，每個(gè)APD陣列又包含多個(gè)APD陣列單元，每個(gè)單元作為獨(dú)立通道接收到光子時(shí)可產(chǎn)生電壓信號(hào)，當(dāng)葉片掃過(guò)傳感器時(shí)，葉片通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像到APD陣列上，隨著某葉片周向位置的改變，葉片成像到不同的APD陣列單元上，進(jìn)而產(chǎn)生多路多通道的定時(shí)脈沖記錄葉片處于不同位置的具體時(shí)刻，設(shè)葉片數(shù)為n，葉片的旋轉(zhuǎn)半徑為R,當(dāng)?shù)趇個(gè)葉片經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，位置相對(duì)于轉(zhuǎn)速同步點(diǎn)的夾角為α_i，沒(méi)有振動(dòng)時(shí)夾角為α₀，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為Ω；當(dāng)轉(zhuǎn)速同步信號(hào)到達(dá)后，葉片i經(jīng)過(guò)葉尖定時(shí)傳感器的時(shí)間為t_i,那么α_i＝Ω×t_i，進(jìn)而求得振動(dòng)位移：

y_i＝R(α_i-α₀)。

進(jìn)一步，控制與信號(hào)處理子系統(tǒng)包括傳感器驅(qū)動(dòng)與信號(hào)處理電路和上位機(jī)，傳感器驅(qū)動(dòng)與信號(hào)處理電路將APD陣列產(chǎn)生的電壓脈沖序列進(jìn)行初步的放大和閾值處理，時(shí)刻鑒別，產(chǎn)生可供CPU處理的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)上位機(jī)上內(nèi)置的速矢端跡法、雙參數(shù)法、均布法實(shí)現(xiàn)葉片振動(dòng)參數(shù)的辨識(shí)。