CN102980944B - 一种转子系统在线健康监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种转子系统在线健康监测系统及方法，包括:参数设计系统、信号发生-放大器、信号传送器、信号激励器、信号传感器、信号收集器与健康状况决策系统。参数设计系统利用转子系统的参数进行激励信号的设计，激励信号由信号发生-放大器发生，经信号传送器，由信号激励器将电信号转换为超声导波激励。转子裂纹或边界反射的超声导波由信号传感器采集为电信号，经信号传送器传送至信号收集器。信号收集器将收集到的信号进行滤波等处理后送至健康状况决策系统，由决策系统进行数字信号处理并依据其特征判断转子的健康状况。本发明可以在转子在线工作的情况下监测转子的健康状况，提高了转子系统工作的安全性并且减少停机带来的经济损失。

Description

一种转子系统在线健康监测系统及方法

技术领域

本发明涉及到设备的健康监测领域，具体地，涉及一种基于超声导波的转子系统在线探伤系统及方法。

背景技术

随着社会需求的逐步提高，工业设备的大型化、高功率化趋势日益明显，各种大型动设备的上马使得转子系统这一动设备核心组成的健康状况成为了决定动设备工作情况的关键。为了实现大型高功率设备的能耗降低与成本控制，需要利用一定的手段对工作中的转子系统进行在线健康监测，并根据其健康状态有计划地对其进行维修或更换。这样大大降低了异常工况工作造成的能耗浪费及突发故障停机带来的经济损失乃至人身伤害等危险。

超声导波是指在板、梁、轴、壳等有固定形状的固体介质中传播的超声波，其特点在J.L.罗斯的《固体中的超声波》一书中有详细阐述。与空气中传播的声波不同，在有固定形状的固体介质中传播的超声导波，根据波源激励频率的不同可以激励出对应不同波数的不同模式的波形。各波形的相速度与群速度均与波源激励频率有关。利用超声导波可以进行结构的无损检测，有极其广泛的应用前景。但目前其频散特性等特点一定程度上限制了该方法的应用。

检索到的与超声导波检测相关的专利包括对结构进行健康监测或长度检测，例如：200910029339.3，钢管杆埋藏部分杆身腐蚀的超声导波检测方法；200610078640.X，锚杆长度超声导波检测仪。现有的方法需要被测结构处于静止状态进行检测。对于大型、大功率设备中的转子这一需要长时间处于工作状态下的系统，即使是定期的停机检测也会造成很大程度的经济损失。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种利用超声导波技术进行的转子系统在线工作下的健康监测系统及方法。对于在线工作的转子，根据其几何尺寸与材料等参数设计激励信号，在转子中激励出超声导波后，根据反射的超声导波信号的回波时间及信号形状判断损伤是否存在、损伤位置及损伤大致形状，进而对其健康状况进行判断，决策其应继续工作、停车小修或返厂大修等动作。

根据本发明的一个方面，提供一种转子系统在线健康监测系统，该系统包括参数设计系统、信号发生-放大器、信号传送器、信号激励器、信号传感器、信号收集器与健康状况决策系统，其中：

参数设计系统根据设定的待监测转子系统的几何尺寸与材料参数，决定激励频率与激励信号形状；

信号发生-放大器产生激励信号，通过信号传送器将激励信号送至信号激励器；

信号激励器在转子系统中实际激励出超声导波；

信号传感器将激励出的超声导波的反射波转换为反射信号，通过信号传送器返回至信号收集器；

信号收集器将采集到的模拟信号转换为数字信号并进行一定的去噪、滤波等处理后，送至健康状况决策系统；

健康状况决策系统对信号表征的转子损伤是否存在、损伤位置及大致形状进行判断，并最终决策转子的健康状况并给出相应健康状况的处理建议。

优选地，所述参数设计系统，利用转子的长度、周长、转速与材料属性参数，计算超声导波的频散特性，手动或自动选择激励信号的频率，以及其加窗函数的形状，最终决定数字化激励信号。

优选地，所述信号发生-放大器，包括数模转换信号发生器与信号放大器，数模转换信号发生器将参数设计系统设计的数字化激励信号转换为模拟信号，并经信号放大器放大至信号激励器工作的幅值。

优选地，所述信号传送器为多通道过孔式高速滑环。

优选地，所述信号激励器与信号传感器均为压电片。

优选地，所述信号收集器，包括滤波器、多通道模数转换卡与多通道信号采集卡，经滤波器滤波与多通道模数转换卡模数转换后的采集信号由多通道信号采集卡保存。

优选地，所述健康状况决策系统，是指可以将信号收集器收集到的信号进行数字信号处理，从信号特征中判断转子的健康状况，进而给出下一步动作建议的系统。

根据本发明的一个方面，提供一种转子系统在线健康监测方法，包括如下步骤：

第一步，首先在待监测的转子系统上安装信号激励器、信号传送器；

第二步，在参数设计系统中输入转子的长度、直径、转速与材料特性等参数，根据参数设计系统的计算得到激励信号的频率、形状等信息，将信息输入信号发生-放大器；

第三步，信号发生-放大器中的数模转换信号发生器将输入的数字信号进行模数转换后输出，由放大器将信号放大成适宜信号激励器工作的幅值；

第四步，激励信号通过信号传送器，激励信号激励器，将激励信号以超声导波的形式加载在转子上；

第五步，超声导波的回波由信号传感器采集，由压电效应转换为电信号，通过信号传送器传递至信号收集器处；

第六步，信号收集器对其进行滤波与模数转换，由数据采集卡进行收集，最终利用数字信号处理的手段，由健康状况决策系统提取采集信号的特征及特征所反映的转子健康状况，进而给出处理建议。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1.本发明实现了转子系统在工作状态下的健康监测，不需要停机检查，排除了传统停机健康监测方法带来的工业生产影响及经济损失；

2.本发明只需在转子上加装滑环并加贴压电片，避免了对转子结构进行较大修改对转子动力学性能带来的影响；

3.本发明可以监控并给出转子系统的健康状况，从而有针对性地对转子进行保养及更换，避免了由于裂纹未被发现导致的严重后果，提高了转子系统这一较危险的设备的安全性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明系统的结构框图。

图2是一般的过孔滑环结构示意图。

图3是转子端部信号激励器与信号传感器的环形压电片阵列排布。

图4是转子出现故障时的激励信号与采集信号示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

附图1所示为本发明的结构框图，包括：参数设计系统、信号发生-放大器、信号传送器、信号激励器、信号传感器、信号收集器与健康状况决策系统，其中：

参数设计系统通过转子转速、长度、直径及材料属性等参数确定激励信号的频率、窗函数形状等；

信号发生-放大器产生参数设计系统设计的激励信号，发送至保持旋转部分与静止部分信号联通的信号传送器；

信号传送器起到分别连接信号发生-放大器与信号激励器，信号传感器与信号收集器的功能。信号传送器分别将信号发生-放大器发生的信号传递给信号激励器，信号传感器采集到的信号传递给信号收集器；

信号激励器将接受到的激励电信号转换为力信号，激励出超声导波；

信号传感器将转子系统采集导波采集并转换为电信号；

信号收集器将信号传感器通过信号传送器送至的信号进行滤波、模数转换等处理，送至健康状况决策系统；

健康状况决策系统通过信号收集器送来的信号，判断转子系统健康状况，并给出下一步动作的建议。

附图1中，其中粗实线表示激励信号流向，细虚线表示采集信号流向。激励信号通过参数设计系统进行设计选择，输入至信号发生-放大器。信号发生-放大器激励出激励电信号，通过信号传送器传送给信号激励器。信号激励器将电信号转换为超声波信号，经转子系统的反射，由信号传感器采集为电信号。信号收集器将信号传送器送来的信号传感器采集到的反射信号进行处理，送至健康决策系统进行转子健康状况的判断与后续动作的建议。

本实施例中，所述参数设计系统，利用转子的长度、周长、转速与材料属性等参数，计算超声导波的频散特性，手动或自动选择激励信号的频率，以及其加窗函数的形状，最终决定数字化激励信号。

本实施例中，所述信号发生-放大器，包括数模转换信号发生器与信号放大器，数模转换信号发生器将参数设计系统设计的数字化激励信号转换为模拟信号，并经信号放大器放大至信号激励器工作的幅值。

本实施例中，所述信号传送器，是指含有定子、转子及导电元件的多通道过孔式高速滑环。该滑环输入输出通道分为两部分，一部分定子输入线路与信号发生-放大器相连，转子输出线路与信号激励器相连；另一部分转子输入线路与信号传感器相连，定子输出线路与信号收集器相连。

本实施例中，所述信号激励器，是指在转子端部布置成环形的一组压电片阵列。

本实施例中，所述信号传感器，是指不同于信号激励器的另一组在转子端部布置成环形的压电片阵列。

本实施例中，所述信号收集器，包括滤波器、多通道模数转换卡与多通道信号采集卡。信号传感器接收到的反射信号通过信号传送器送至信号收集器，滤波器首先将采集到的信号进行滤波，滤去环境噪声与基础噪声信号；再通过多通道模数转换卡将采集到的模拟信号转换为方便处理的数字信号，最后由多通道信号采集卡将信号进行收集保存。

本实施例中，所述健康状况决策系统，是指将信号收集器收集到的数字信号进行数字信号处理，根据其处理结果判断转子系统的健康状况，进而决定该转子系统应继续工作或停机修理的决策系统。

附图2所示为信号传送器，即一般的过孔滑环的结构。过孔滑环分为定子与转子两部分，安装在转子轴上。随转子系统转动的转子部分连接信号激励器与信号传感器两压电片阵列，不随转子系统转动的定子部分连接信号发生-放大器与信号收集器。转子和定子之间使用电刷或其他结构保持电路的连接与信号的通畅。滑环的使用克服了传统超声导波探伤由于转子旋转导致电缆缠绕损坏，只能够静态探伤的缺陷。

附图3所示为信号激励器与信号传感器的压电晶片阵列布置样例。激励器与采集器的压电晶片均以环形阵列的形式贴在转子的一端。

采用上述系统进行转子系统在线健康监测，包括如下步骤：

第一步，首先在待监测的转子系统上安装滑环并贴压电片；

第二步，在参数设计系统中输入转子的长度、直径、转速与材料特性等参数，根据参数设计系统的计算得到激励信号的频率、形状等信息，将信息输入信号发生-放大器；

第三步，信号发生-放大器中的数模转换信号发生器将输入的数字信号进行模数转换后输出，由放大器将信号放大成适宜激励压电片工作的幅值；

第四步，激励信号通过信号传送器滑环，激励信号激励器压电片，将激励信号以超声导波的形式加载在转子上；

第五步，超声导波的回波由信号传感器压电片采集，由压电效应转换为电信号，通过信号传送器传递至信号收集器处；

第六步，信号收集器对其进行滤波与模数转换，由数据采集卡进行收集，最终利用数字信号处理的手段，由健康状况决策系统提取采集信号的特征及特征所反映的转子健康状况，进而给出处理建议。

如图4所示，转子系统存在裂纹，激励信号通过激励器发射，压电晶片1、2、8三片发射的激励超声导波遇到裂纹反射回大部分能量，其他5片压电晶片遇到边界后反射回大部分能量，这样，信号传感器采集到的反射信号，其表征导波传播距离的延迟时间、导波反射能量信号幅值均会有所区别，健康决策系统可以通过这些特征判断转子裂纹的位置、大小及深度，据此判断转子的健康状况，最终给出推荐动作。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种转子系统在线健康监测系统，其特征在于，包括：参数设计系统、信号发生-放大器、信号传送器、信号激励器、信号传感器、信号收集器与健康状况决策系统，其中：

参数设计系统根据设定的待监测转子系统的几何尺寸与材料参数，决定激励频率与激励信号形状；

信号发生-放大器产生激励信号，通过信号传送器将激励信号送至信号激励器；

信号激励器在转子系统中实际激励出超声导波；

信号传感器将激励出的超声导波的反射波转换为反射信号，通过信号传送器返回至信号收集器；

信号收集器将采集到的模拟信号转换为数字信号并进行一定的去噪、滤波处理后，送至健康状况决策系统；

健康状况决策系统对信号表征的转子损伤是否存在、损伤位置及大致形状进行判断，并最终决策转子的健康状况并给出相应健康状况的处理建议。

2.根据权利要求1所述的一种转子系统在线健康监测系统，其特征是，所述参数设计系统，利用转子的长度、周长、转速与材料属性参数，计算超声导波的频散特性，手动或自动选择激励信号的频率，以及其加窗函数的形状，最终决定数字化激励信号。

3.根据权利要求1所述的一种转子系统在线健康监测系统，其特征是，所述信号发生-放大器，包括数模转换信号发生器与信号放大器，数模转换信号发生器将参数设计系统设计的数字化激励信号转换为模拟信号，并经信号放大器放大至信号激励器工作的幅值。

4.根据权利要求1所述的一种转子系统在线健康监测系统，其特征是，所述信号传送器为多通道过孔式高速滑环。

5.根据权利要求1所述的一种转子系统在线健康监测系统，其特征是，所述信号激励器与信号传感器均为压电片阵列。

6.根据权利要求1所述的一种转子系统在线健康监测系统，其特征是，所述信号收集器，包括滤波器、多通道模数转换卡与多通道信号采集卡，经滤波器滤波与多通道模数转换卡模数转换后的采集信号由多通道信号采集卡保存。

7.根据权利要求1所述的一种转子系统在线健康监测系统，其特征是，所述健康状况决策系统，是指可以将信号收集器收集到的信号进行数字信号处理，从信号特征中判断转子的健康状况，进而给出下一步动作建议的系统。

8.一种采用权利要求1-7任一项转子系统在线健康监测方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，首先在待监测的转子系统上安装信号激励器、信号传送器；

第二步，在参数设计系统中输入转子的长度、直径、转速与材料特性参数，根据参数设计系统的计算得到激励信号的频率、形状信息，将信息输入信号发生-放大器；

第三步，信号发生-放大器中的数模转换信号发生器将输入的数字信号进行模数转换后输出，由放大器将信号放大成适宜信号激励器工作的幅值；

第四步，激励信号通过信号传送器，激励信号激励器，将激励信号以超声导波的形式加载在转子上；

第五步，超声导波的回波由信号传感器采集，由压电效应转换为电信号，通过信号传送器传递至信号收集器处；

第六步，信号收集器对其进行滤波与模数转换，由数据采集卡进行收集，最终利用数字信号处理的手段，由健康状况决策系统提取采集信号的特征及特征所反映的转子健康状况，进而给出处理建议。