CN103217293A - 基于振动值的机匣包容试验数据采集触发系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于振动值的机匣包容试验数据采集触发系统；系统包括振动信号采集部分，触发控制部分，数据采集部分，系统延时测量部分。电涡流位移传感器对高速柔性轴的振动信号进行采集，前置器对传感器探头采集的信号调制放大，检滤波处理，得到的直流信号送到位移振幅测量仪。位移振幅测量仪对信号放大及峰峰值测量，当高速柔性轴振动过大超过设定的报警值时，位移振幅测量仪发出报警讯号同时控制内置的继电器动作，振幅位移测量仪的内置继电器触点动作通过触发控制部分控制外部继电器三路常开触点动作，实现对高速摄像机、示波器及应变仪等设备的控制。系统延时测量部分对电路中不同元件的电位进行采集，可实现对系统的动作延时的测量。

Description

基于振动值的机匣包容试验数据采集触发系统

技术领域

本发明涉及一种航空发动机包容试验数据采集设备，尤其涉及一种基于振动值的机匣包容试验数据采集触发系统。

背景技术

航空发动机非包容事故会造成严重的人员伤亡，各国民用和军用航空发动机规范对发动机包容性做出严格规定。在航空发动机包容试验中，航空发动机叶片/轮轮爆裂转速一般都在70000 r/min以上，试验需要在专用的高速试验台上进行。为了对试验状态监控及试验数据分析，在航空发动机包容试验中需要通过控制高速摄像机、应变仪及其示波器对叶片飞断时刻的状态数据进行采集。由于高速摄像机、应变仪及其示波器本身存储空间限制只能采集一定容量的数据，不能完成对整个试验过程的数据的监控。航空发动机包容试验研究重点为叶片/轮盘爆裂与机匣撞击情况，所以需要合理控制数据采集设备动作时间完成对撞击时刻的数据记录。由于破坏试验的高额的费用限制，要求每次试验必须完成对撞击时刻的数据记录，所以合理控制数据采集设备动作时间成为航空发动机包容试验成败的关键。

目前国内航空发动机包容试验数据采集设备的控制主要采用切割通电线圈的触发方式，但是这种方式存在以下不足：（1）受叶片与机匣之间间隙的限制，当间隙过小时没有足够空间放置通电线圈；（2）由于旋转轴的涡动出现叶片提前刮断通电线圈，造成试验失败。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于振动值的机匣包容试验数据采集触发系统。该系统能够在叶轮爆裂的瞬间控制高速摄像机、应变仪及其示波器对叶片飞断时刻的状态数据进行采集，采集时间误差在20 ms以内，满足机匣包容试验要求，能够可靠完成试验任务。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于振动值的机匣包容试验数据采集触发系统，它主要由振动信号采集部分，触发控制部分、数据采集部分和系统延时测量部分四部分组成；其中，所述数据采集部分和振动信号采集部分均与触发控制部分相连，系统延时测量部分分别与触发控制部分和数据采集部分相连。

进一步地，所述振动信号采集部分包括电涡流位移传感器探头和第一前置器，电涡流位移传感器探头安装在高速柔性轴的轴承座上，电涡流位移传感器探头通过延伸电缆和第一前置器连接，实现振动信号的传递。

进一步地，所述触发控制部分包括位移振幅测量仪、外部继电器、24V直流电源和分压电阻等；其中，所述分压电阻由第一电阻和第二电阻串联组成，外部继电器具有低压控制电路和三路常开触点；第一前置器通过屏蔽线与位移振幅测量仪连接，位移振幅测量仪的ALARM端口与24V直流电源的负极相连，24V直流电源的正极、第一电阻、第二电阻依次串联，第二电阻与位移振幅测量仪的ON端口相连，外部继电器的低压控制电路与分压电阻并联；位移振幅测量仪完成对输入信号放大并进行峰峰值测量，当振动超过设定的报警值时，位移振幅测量仪发出报警讯号同时控制其内置的继电器触点ALARM-ON开关动作，通过控制电路控制外部继电器的三路常开触点动作。

进一步地，所述数据采集部分由高速相机、高速相机监控计算机、应变仪、应变片、轴心轨迹采集传感器探头、示波器和显示屏等组成。高速相机的通讯接口通过标准以太网线与高速相机监控计算机连接，高速相机的视频输出端口通过VGA信号线与显示屏连接，高速相机的触发端口通过BNC接头及屏蔽线与外部继电器的第一路常开触点组成回路；轴心轨迹采集传感器探头包括两个电涡流位移传感器探头，这两个电涡流位移传感器探头呈90°位置固定在高速柔性轴的轴承座上，并分别通过延伸电缆连接一个第二前置器，两个第二前置器通过屏蔽线连接示波器的CH1、CH2通道的探头连接器，示波器的外部触发的探头连接器通过屏蔽线与5V直流电源、外部继电器的第二路常开触点组成回路。应变片通过屏蔽线接到应变仪的应变桥盒，应变仪的外触发端口通过屏蔽线与5V直流电源、外部继电器的第三路常开触点组成回路。

进一步地，所述系统延时测量部分由NI数据采集卡和采集计算机组成，NI数据采集卡的模拟端子采用差分模式分别与位移振幅测量仪的COM端口和LEVEL OUTPUT端口、第一电阻的两端、高速相机的触发端口、示波器的外部触发、应变仪的外触发端口相连。

本发明具有的有益效果是：

1、采用电涡流位移传感器对试验台旋转轴振动数据采集可实现对试验台振动的实时监控，从叶片/轮盘爆裂到数据采集系统反应时间在ms数量级，能够高标准的达到试验要求；

2、采用非接触式测量方式，叶片/轮盘爆裂不会对触发系统造成损伤；

3、系统结构简单，成本低，可靠性高，具有较高的经济效益。

附图说明

图1是航空发动机机匣包容试验数据采集触发系统示意图；

图2是触发系统继电器控制部分原理图；

图3是采集计算机LabVIEW流程图

图中：轴心轨迹采集传感器探头1、电涡流位移传感器探头2、高速柔性轴3、转速传感器4、机匣5、轮盘及叶片6、试验腔7、高强度直流灯8、目镜9、高速相机10、数据采集部分11、高速相机监控计算机12、示波器13、应变仪14、应变片15、5V直流电源16、第一前置器17、外部继电器18、分压电阻19、24V直流电源20、振动信号采集部分21、振幅位移测量仪22、触发控制部分23、NI数据采集卡24、采集计算机25、系统延时测量部分26、第二前置器27、显示屏28、第一电阻29、第二电阻30。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

如图1、2所示，本发明基于振动值的机匣包容试验数据采集触发系统，由振动信号采集部分21，触发控制部分23、数据采集部分11和系统延时测量部分26四部分组成。数据采集部分11和振动信号采集部分21均与触发控制部分23相连，系统延时测量部分26分别与触发控制部分23和数据采集部分11相连。

其中，振动信号采集部分21包括电涡流位移传感器探头2和第一前置器17，电涡流位移传感器探头2安装在高速柔性轴3的轴承座上，电涡流位移传感器探头2通过延伸电缆和第一前置器17连接，实现振动信号的传递。

触发控制部分23包括位移振幅测量仪22、外部继电器18、24V直流电源20和分压电阻19；分压电阻19由第一电阻29和第二电阻30串联组成，外部继电器18具有低压控制电路和三路常开触点；第一前置器17通过屏蔽线与位移振幅测量仪22连接，位移振幅测量仪22 的ALARM端口与24V直流电源20的负极相连，24V直流电源20的正极、第一电阻29、第二电阻30依次串联，第二电阻30与位移振幅测量仪22的ON端口相连，外部继电器18的低压控制电路与分压电阻19并联；位移振幅测量仪22完成对输入信号放大并进行峰峰值测量，当振动超过设定的报警值时，位移振幅测量仪22发出报警讯号同时控制其内置的继电器触点ALARM-ON开关动作，通过控制电路控制外部继电器18的三路常开触点动作。

数据采集部分11由高速相机10、高速相机监控计算机12、应变仪14、应变片15、轴心轨迹采集传感器探头1、示波器13和显示屏28组成。高速相机10的通讯接口通过标准以太网线与高速相机监控计算机12连接，高速相机10的视频输出端口通过VGA信号线与显示屏28连接，高速相机10的触发端口通过BNC接头及屏蔽线与外部继电器18的第一路常开触点组成回路；轴心轨迹采集传感器探头1包括两个电涡流位移传感器探头，这两个电涡流位移传感器探头呈90°位置固定在高速柔性轴3的轴承座上，并分别通过延伸电缆连接一个第二前置器27，两个第二前置器27通过屏蔽线连接示波器13的CH1、CH2通道的探头连接器，示波器13的EXT TRIG（外部触发）的探头连接器通过屏蔽线与5V直流电源16、外部继电器18的第二路常开触点组成回路。应变片15通过屏蔽线接到应变仪14的应变桥盒，应变仪14的外触发端口通过屏蔽线与5V直流电源16、外部继电器18的第三路常开触点组成回路。

系统延时测量部分26由NI数据采集卡24和采集计算机25组成，NI数据采集卡24的模拟端子采用差分模式分别与位移振幅测量仪22的COM端口和LEVEL OUTPUT端口、第一电阻29的两端、高速相机10的触发端口、示波器13的EXT TRIG（外部触发）、应变仪14的外触发端口相连。系统延时测量部分26对图2中V1、V2、V3、V4、V5五个位置进行电位采集。测点V1为位移振幅测量仪22的LEVEL OUTPUT端口与COM端的电位，测点V1的电位变化反映了高速柔性轴3的振动情况，对测点V1的电位变化分析得到触发信号源满足触发条件的时刻值。第一电阻29和第二电阻30为两个串联的电阻，其阻值均为1KΩ，测点V2为第一电阻29两端的电压值，测点V2的电位变化反映了位移振幅测量仪22 ALARM与ON端口开启与闭合情况，从数据中可以找到位移振幅测量仪继电器触点的动作时刻。测点V3、测点V4、测点V5分别代表高速相机10、示波器13、应变仪14外部触发控制端口电位变化情况，分析电位变化可以得出对应的触发时刻。

采集计算机25的工作过程如下：

采集计算机安装有NI公司开发的LabVIEW软件，用户在软件面板内自行开发所需的采集程序，NI数据采集卡24通过采集计算机25的USB端口与计算机连接，被采集模拟信号采用差分模式连接至NI数据采集卡24的模拟端子。程序运行前，需要用户对DAQ助手设置所需的采样率、采样数参数，程序运行时，DAQ助手按照给定的采样率、采样数通过采集计算机USB端口读取NI数据采集卡24中各模拟端子的电压值，DAQ助手数据端子通过信号拆分功能分成三路，第一路连接至Waveform Graph控件中，实现对DAQ助手数据端子输出值的波形图显示，第二路连接至String Indicator控件，实现对DAQ助手数据端子输出值的数值显示，第三路连接至Write To Measurement File Express VI控件，实现对DAQ助手数据端子输出值的记录保存。其中，Write To Measurement File Express VI控件Enable端子采用Push Button布尔控件控制是否对数据保存，Filename端子通过File Path Control控件设定保存位置，Saving Data端子连接Round Led布尔指示灯实现对数据保存的监控。上述过程采用While Loop循环结构实现对数据的连续采集。

本采集触发控制系统工作过程为：轮盘及叶片6在高速旋转情况下的叶片飞断会激发高速柔性轴3的剧烈振动，电涡流位移传感器探头2与高速柔性轴3之间相对位移的变化会引起电涡流位移传感器探头2输出电位的变化,第一前置器17对振动信号调制放大后得到的直流信号送到位移振幅测量仪22；位移振幅测量仪22具有直流放大、交流放大、双峰检测、报警等功能，在振幅测量时，当振动超过预先设定的报警值时，位移振幅测量仪22发出报警讯号同时控制内置的继电器触点ALARM-ON开关动作，通过控制电路控制外部继电器18三路常开触点动作，控制高速相机10、示波器13、应变仪14外部触发控制端口的通断，实现数据采集设备对轮盘及叶片6爆裂撞击机匣5时刻的数据记录。通过采集计算机25及NI数据采集卡24对电路中V1、V2、V3、V4、V5五个位置电位变化进行采集，比较不同元件的电位突变位置的时间差值，对整个系统的触发延时性能评估的目的。本发明中，采用电涡流位移传感器探头2对高速柔性轴3振动数据采集可实现对试验台振动的实时监控，叶片/轮盘爆裂到数据采集触发系统工作的时间差在ms数量级，能够高标准的达到试验要求；电涡流位移传感器探头2采用非接触式测量方式，叶片/轮盘爆裂不会对数据采集触发系统造成损伤，系统结构简单，成本低，可靠性高，具有较高的经济效益。

Claims (5)

1.一种基于振动值的机匣包容试验数据采集触发系统，其特征在于，它主要由振动信号采集部分（21），触发控制部分（23）、数据采集部分（11）和系统延时测量部分（26）四部分组成；其中，所述数据采集部分（11）和振动信号采集部分（21）均与触发控制部分（23）相连，系统延时测量部分（26）分别与触发控制部分（23）和数据采集部分（11）相连。

2.根据权利要求1所述基于振动值的机匣包容试验数据采集触发系统，其特征在于，所述振动信号采集部分（21）包括电涡流位移传感器探头（2）和第一前置器（17），电涡流位移传感器探头（2）安装在高速柔性轴（3）的轴承座上，电涡流位移传感器探头（2）通过延伸电缆和第一前置器（17）连接，实现振动信号的传递。

3.根据权利要求1所述基于振动值的机匣包容试验数据采集触发系统，其特征在于，所述触发控制部分（23）包括位移振幅测量仪（22）、外部继电器（18）、24V直流电源（20）和分压电阻（19）等；其中，所述分压电阻（19）由第一电阻（29）和第二电阻（30）串联组成，外部继电器（18）具有低压控制电路和三路常开触点；第一前置器（17）通过屏蔽线与位移振幅测量仪（22）连接，位移振幅测量仪（22 ）的ALARM端口与24V直流电源（20）的负极相连，24V直流电源（20）的正极、第一电阻（29）、第二电阻（30）依次串联，第二电阻（30）与位移振幅测量仪（22）的ON端口相连，外部继电器（18）的低压控制电路与分压电阻（19）并联；位移振幅测量仪（22）完成对输入信号放大并进行峰峰值测量，当振动超过设定的报警值时，位移振幅测量仪（22）发出报警讯号同时控制其内置的继电器触点ALARM-ON开关动作，通过控制电路控制外部继电器（18）的三路常开触点动作。

4.根据权利要求1所述基于振动值的机匣包容试验数据采集触发系统，其特征在于，所述数据采集部分（11）由高速相机（10）、高速相机监控计算机（12）、应变仪（14）、应变片（15）、轴心轨迹采集传感器探头（1）、示波器（13）和显示屏（28）等组成；高速相机（10）的通讯接口通过标准以太网线与高速相机监控计算机（12）连接，高速相机（10）的视频输出端口通过VGA信号线与显示屏（28）连接，高速相机（10）的触发端口通过BNC接头及屏蔽线与外部继电器（18）的第一路常开触点组成回路；轴心轨迹采集传感器探头（1）包括两个电涡流位移传感器探头，这两个电涡流位移传感器探头呈90°位置固定在高速柔性轴（3）的轴承座上，并分别通过延伸电缆连接一个第二前置器（27），两个第二前置器（27）通过屏蔽线连接示波器（13）的CH1、CH2通道的探头连接器，示波器（13）的外部触发的探头连接器通过屏蔽线与5V直流电源（16）、外部继电器（18）的第二路常开触点组成回路；应变片（15）通过屏蔽线接到应变仪（14）的应变桥盒，应变仪（14）的外触发端口通过屏蔽线与5V直流电源（16）、外部继电器（18）的第三路常开触点组成回路。

5.根据权利要求1所述基于振动值的机匣包容试验数据采集触发系统，其特征在于，所述系统延时测量部分（26）由NI数据采集卡（24）和采集计算机（25）组成，NI数据采集卡（24）的模拟端子采用差分模式分别与位移振幅测量仪（22）的COM端口和LEVEL OUTPUT端口、第一电阻（29）的两端、高速相机（10）的触发端口、示波器（13）的外部触发、应变仪（14）的外触发端口相连。

Images