CN103411745A - 一种模拟流体谐调与失谐行波激振系统 - Google Patents

Abstract

一种模拟流体谐调与失谐行波激振系统，它包括：基础硬件平台和外围测试硬件设备(A)、激励信号发生程序(B)、压电陶瓷动态驱动电源(C)和压电陶瓷激振器(D)；激励信号发生程序在基础硬件平台和外围测试硬件设备上运行，激励信号经连接线从基础硬件平台和外围测试硬件设备上连接至压电陶瓷动态驱动电源，再从压电陶瓷动态驱动电源连接至多个压电陶瓷激振器，由多个压电陶瓷激振器的逆压电效应产生行波激振力作用在叶盘实验件上。本发明结构合理，操作方便，经济性好。在航空发动机技术领域里具有较好的实用价值和广阔地应用前景。

Description

一种模拟流体谐调与失谐行波激振系统

技术领域

本发明涉及一种模拟流体谐调与失谐行波激振系统，该激振系统可以模拟叶盘结构旋转时受到的谐调流体行波激励或者失谐流体行波激励，用于实验研究不同的静子分布对叶盘结构振动响应的影响。通过激励信号发生程序前面板控件的输入来实现模拟流体谐调激振与模拟流体失谐激振间的转换，满足叶盘结构振动实验的行波激振需求，具有结构简单，可移植性强，实验现象明显等特点。属于航空发动机技术领域。

背景技术

在航空发动机叶盘结构振动问题研究中，对其进行理论分析和仿真模拟对于叶盘结构的可靠性和寿命具有重要意义，目前已取得了许多重要的理论成果，这些成果迫切需要实验研究进行验证。例如，静子叶片分布不均匀导致的航空发动机流体失谐对叶盘结构振动响应的影响研究显示，流体失谐可以有效的改变激励力的特性进而抑制振动响应。美国发动机结构完整性大纲针对静子叶片分布不均匀导致的流体失谐问题指出：“流体失谐会对强迫响应水平产生与激励幅值成比例的作用效果”。由此认为流体失谐对响应水平起到重要作用，对其进行深入实验研究是有必要的。

但测试真实环境中航空发动机转子叶盘振动需要巨大实验花费，是难于实现的，而且叶盘结构在旋转状态下需要复杂的拾振测量技术，因此在叶盘结构振动响应特性实验中，目前主要是以环绕着固定的叶盘施加行波激振力作为对叶盘结构旋转状态受力特性的模拟。

为了用实验手段研究不同的静子分布对叶盘结构振动响应特性的影响，需要给叶盘试验件施加模拟流体谐调与失谐行波激励，但传统的激振仪器无法满足激振需求。因此开发出能够地满足叶盘振动实验研究的模拟流体谐调与失谐行波激振装置就具有重要的现实意义。

发明内容

1、目的：本发明的目的在于提供航空发动机叶盘振动实验所需的一种模拟流体谐调与失谐行波激振系统，它已解决现有技术中存在的问题。

2、技术方案：本发明一种模拟流体谐调与失谐行波激振系统，它包括：基础硬件平台和外围测试硬件设备(A)，激励信号发生程序(B)，压电陶瓷动态驱动电源(C)，压电陶瓷激振器(D)。它们之间的位置连接关系是，激励信号发生程序在基础硬件平台和外围测试硬件设备上运行，激励信号经连接线从基础硬件平台和外围测试硬件设备上连接至压电陶瓷动态驱动电源，再从压电陶瓷动态驱动电源连接至多个压电陶瓷激振器，由多个压电陶瓷激振器的逆压电效应产生行波激振力作用在叶盘实验件上。

所述基础硬件平台和外围测试硬件设备A，包括：作为基础硬件平台的带有PCI插槽普通台式计算机A1，外围测试硬件设备选用的是美国国家仪器有限公司（简称NI）旗下的PCI-6723低价位高密度模拟输出卡A2及附件A3。各部分的具体内容如下：

该带有PCI插槽普通台式计算机A1，为标准件，从市场上购买，其主要作用是给模拟输出卡A2以及激励信号发生程序B提供一个硬件平台及Windows操作系统平台。

该PCI-6723低价位高密度模拟输出卡A2，提供了32路模拟输出通道，每条通道均有最高输出速度45KS/S，13位分辨率以及数字触发。

该附件A3包括一个型号为CB-68LPR的接线板和一条型号为SHC68-68-EPM数据线。由于模拟输出卡的结构特点，直接通过其接入输出信号线比较困难，因此，需要将接线板作为输出信号线与模拟输出卡之间的接口。数据线可以实现接线板与数据采集卡之间的连接，实现数据传输。

所述激励信号发生程序B，考虑到兼容性，也采用NI公司的虚拟仪器开发平台—LabVIEW图形化编程语言。激励信号发生程序包括:前面板B1,程序框图B2，各部分的具体内容及其功用如下：

该前面板B1，包括总体参数设置区，静子参数设置区，波形显示区。总体参数设置区包括，物理通道选择，信号类型选择，采样数设置，转子数设置，转子转速设置，静子数显示，采样频率显示，停止控件；静子参数设置区包括，静子位置列向量，静子间幅值列向量，激励基值列向量。波形显示区包括一个波形图表控件，为了直观观察每一个通道的输出信号，确保输出信号的准确性。

该程序框图B2，包括各个前面板控件对应的连线端子和函数，常量，连线等，这些元素依据LabVIEW的编程原则组合到一起，共同完成所需的信号发生功能。

所述压电陶瓷动态驱动电源C，包括三台相同的四通道驱动电源，最多可以放大12路输出信号，每一通道驱动电源结构相同，其面板主要包括一个粗调旋钮，一个细调旋钮，一个信号输入端，两个信号输出端，以及控制本通道连接与否的翘班带灯开关和LED显示灯。

所述压电陶瓷激振器D，包括：绝缘片D1，磷铜电极片D2，PZT压电陶瓷片D3，三者叠层分布，绝缘片位于最底端，磷铜电极片位于中间，PZT压电陶瓷片位于最上端；各部分的功能如下：

该绝缘片D1，由于需要将多个压电陶瓷激振器粘结在整体叶盘结构实验件上，为防止电信号之间的相互干扰，需将压电片与叶盘实验件绝缘，所以在磷铜电极片的另一面（底层）粘结了未作极化处理的陶瓷材料绝缘层。该绝缘片D1的形状是矩形片状。

该磷铜电极片D2，压电陶瓷的使用原理决定了必须在其上下表面分别接入电源正负极，但当将压电陶瓷片贴到实验件时，下表面很难引入电源负极，于是用磷铜电极片贴在压电陶瓷片下方，且长度大于压电陶瓷片，目的是方便给压电陶瓷下表面引入电源负极。该磷铜电极片D2的形状是矩形片状。

该PZT压电陶瓷片D3，它属于锆钛酸铅压电陶瓷中的常用品种，其具有低机械损耗和介电损耗、大的交流退极化场，并具有较大的介电常数、机电耦合系数和压电常数，特别适合于强电场、大机械振幅的激励，常常用作发射换能器。该PZT压电陶瓷片D3的形状是矩形片状。

基础硬件平台和外围测试硬件设备(A)和激励信号发生程序(B)，从本质来讲，其实充当了一个“信号发生器”的功能，但比传统的信号发生器功能更加强大，输出通道数更多，输出信号更加复杂，经济性更好，更加便于操作，其中基础硬件平台和外围测试硬件设备(A)是该“信号发生器”的基础，激励信号发生程序(B)是该“信号发生器”的核心。

压电陶瓷动态驱动电源（C）的工作原理如下：

压电陶瓷相当于容性负载，由于PZT材料的介电常数较大，所以压电陶瓷的电容比较大，它与输出电路的输出电阻构成RC回路，将影响压电陶瓷的动态特性。压电陶瓷动态驱动电源是直流高压电源，该电源采用升压器获得高压直流电，驱动压电陶瓷。

压电陶瓷激振器(D)的工作原理如下：

压电陶瓷激振器的工作原理是利用压电陶瓷材料的逆压电效应，结构形式通常采用薄片长方形，激振方式是利用其长度形变的换能方式。将压电陶瓷片用粘结剂固定在被测试件上，通以交变电压信号至陶瓷片的两个电极，使陶瓷片产生周期性的长度变形，试件也随之一起变形，从而使试件产生强迫振动。

以上阐述了基础硬件平台和外围测试硬件设备(A)，激励信号发生程序(B)，压电陶瓷动态驱动电源(C)，压电陶瓷激振器(D)的基本原理。将基础硬件平台和外围测试硬件设备(A)，激励信号发生程序(B)的输出信号经过压电陶瓷动态驱动电源(C)放大，然后作用在多个压电陶瓷激振器(D)上，就构成了整个模拟流体谐调与失谐的激振装置，即能给叶盘结构产生所需的行波激励。

3、优点及功效：本发明的优点是：

(1)模拟流体谐调与失谐行波激振信号发生系统的实现方式区别于所有现有的技术，且由于采用虚拟仪器技术使得信号发生系统硬件设备数量达到了最小，即仅需要一台装有模拟输出卡的普通计算机。

(2)模拟流体谐调与失谐行波激振电压信号输出通道路数仅与模拟输出卡的规格或性能参数有关，例如采用前述的PCI-6723模拟输出卡通道数便已达到32路，所以如果采用多块板卡协调工作时，理论上对信号输出通道路数是无限制的。

(3)利用LabVIEW程序设计出了激励信号发生程序，功能达到模拟流体谐调与失谐行波激振所需的电压信号的要求，且参数设置直观，操控简便。

(4)对于模拟流体谐调与失谐行波激振系统来讲，压电陶瓷激振具有独特的优势，结构合理，操作方便，经济性好。

附图说明

图1为本发明模拟流体谐调与失谐行波激振系统示意图

图2压电陶瓷激振器结构示意图

图中符号说明如下：

A1带有PCI插槽普通台式计算机；A2PCI-6723低价位高密度模拟输出卡；

A3数据线和接线板；B激励信号发生程序；C压电陶瓷动态驱动电源；

D压电陶瓷激振器。

具体实施方式

为更清楚描述本发明，下面结合附图对本发明进行说明。图1为本发明模拟流体谐调与失谐行波激振系统示意图。该系统包括：带有PCI插槽普通台式计算机A1，PCI-6723低价位高密度模拟输出卡A2，数据线和接线板A3，激励信号发生程序(B)，压电陶瓷动态驱动电源(C)，压电陶瓷激振器(D)。它们之间的位置连接关系是，激励信号发生程序(B)在普通台式计算机上运行，在模拟输出卡A2支持下产生行波激励信号，信号经数据线和接线板A3从模拟输出卡A2上接至压电陶瓷动态驱动电源，再从压电陶瓷动态驱动电源C把放大后的信号连接至多个压电陶瓷激振器D，多个压电陶瓷激振器D根据逆压电效应给叶盘实验件产生行波激振力。

下面将分别说明具体的实施方式。

A1带有PCI插槽普通台式计算机，为市场标准件，用于给模拟输出卡提供硬件平台以及给激励信号发生程序提供操作系统和运行软件。

A2PCI-6723模拟输出卡，为市场标准件，可以按照下列步骤将其安装到带有PCI插槽普通台式计算机A1上面：

1.关闭计算机并拔下插头。

2.打开计算机机箱盖或扩展槽盖。

3.触摸计算机的金属部分，以释放静电。

4.将设备插入可用的PCI系统插槽，小心固定设备。

5.将设备安装支架固定在计算机的后面板导轨上。

6.盖上计算机机箱盖。

7.插上插头并启动计算机。

A3是SHC68-68-EPM数据线和CB-68LPR接线板，数据线的连接比较简单，其两端分别插入模拟输出卡的接线端子和接线板的接线端子，接线板的接线图如表1所示，以第一行为例，AO8对应于68号端口，AO GND对应于34号端口，由于PCI-6723模拟输出卡的结构特点，从AO8开始接入，以第一条输出线为例，连接线的一端为BNC接头，另一端分别是一条信号线和一条地线，BNC接头接入驱动电源输入端，另一端的信号线和地线分别接AO8和AO GND，其余连接线连接方法类似。

表1AO8-19连接器接线图表

B激励信号发生程序，由新版DAQ函数库DAQmx开发，该激励信号发生程序的创建过程如下。

（1）调用一个实数矩阵控件，使用矩阵至数组转换函数将矩阵转换为二维实数数组，使用数组大小函数返回二维数组每个维度中的元素个数，利用索引数组函数返回二维数组的行个数，调用显示数值控件显示行个数即静子数。

（2）调用一个for循环，将静子数连接至总循环次数N端，在for循环外部调用两个数值输入控件，分别命名为采样数和转子转速，并连接至循环结构边框上，形成两个数据通道；将二维实数数组连接至循环结构边框上，关闭自动索引；将“信号类型”函数连接至循环结构边框上。

（3）在for循环内部，首先调用索引数组函数，将二维实数数组连接至索引数组函数“n维数组”端，将for循环当前循环次数i连接至“索引(行)”端，将常数“0”“1”连接至“索引（列）”端，调用基本函数发生器函数，将每一行的索引得到的数据“位置”“幅值”数据经过简单数学变化分别连接至函数发生器的“频率”“幅值”端。将“信号类型”函数连接至信号发生器的“信号类型”端。

（4）将“采样数”和“转子转速”进行计算得到循环内部每次循环的采样数和采样频率，调用捆绑函数，将二者捆绑成簇元素连接至基本函数发生器函数采样信息端。在函数发生器“重置信号”端创建布尔常量（true），将函数发生器信号输出端连接至获取波形成分函数“波形”端口，将波形数据Y值连接至数组插入函数“要插入数组”端。添加移位寄存器函数，在其左边端子创建空数组，将其连接至数组插入函数的“n维数组”端，将数组插入函数的输出数组连接至移位寄存器右边端子，同时将其连接至循环结构边框，作为输出数据通道。

（5）接着再次调用for循环，在循环外部调用一个数值输入控件，命名为转子数，将转子数连接至总循环次数N端，将计算得到的采样间隔和偏移量连接至循环结构边框，将（4）步的输出数据连接至循环结构边框，调用波形图表控件，连接至循环结构边框，打开自动索引。

（6）在循环内部调用一维数组移位函数，将（4）步的输出数据连接至移位函数的“数组”端，将计算得到的偏移量连接至移位函数的n端，将移位后的数组连接至创建波形函数的波形成分Y端，将采样间隔连接至创建波形函数的dt端，最后，将创建波形函数的波形数据连接至波形图表对应的自动索引通道。

C压电陶瓷动态驱动电源，市场标准件，通过连接线，从接线板中引出所需信号，将接入驱动电源的一个通道的INPUT端，同时从驱动电源的OUTPUT端输出经放大后的信号接入压电陶瓷激振器，PICKING端口是为了使用示波器来检验输出信号的正常与否，面板下部的两个旋钮，左为粗调旋转，右为细调旋钮，使用时先粗调后细调至到将行波信号调节到合适的放大比例。

压电陶瓷动态驱动电源C的性能参数见表2。

表2压电陶瓷动态驱动电源性能参数

参数类型	参数指标	单位
			输入路数	4（3台共12路）	路
输出路数	4（3台共12路）	路
			输出电压范围	-150～+150	V
正弦波频率响应范围	0～2	KHz
			峰值输出电流	0.5	A
峰值输出功率	200	W
			输出电压静态纹波	<10	mV
输出电压分辨率	5	mV
			模拟信号控制工作电压	-6～+6	V
模拟信号控制电压峰值	±10	V
			输出电压稳定性	<0.1	%F.S/8h
输出电压非线性	<0.1	%F.S
			旋钮调节步长	0.001～10	V
输入输出接口模式	BNC
			过流保护电流	0.6	A
供电电压	220±10%	V(AC)
			相对温度	<85	%
工作温度	0-45	℃

D压电陶瓷激振器，激振器数量可根据实验件转子数进行调整，包括绝缘片D1，磷铜电极片D2，PZT-4压电陶瓷片D3，三者位置关系如图2所示，通过粘合剂粘接在一起，尺寸大小如表3。对于绝缘片，磷铜电极片，PZT-4压电陶瓷片之间的粘接要十分注意，采用回天HT903单组分有机绝缘硅胶进行粘接，在保证牢固的同时，也要保证磷铜电极片与压电陶瓷片的下表面有接触点，只有这样才能给压电陶瓷片上下表面施加信号电压。

表3压电陶瓷激振器结构尺寸

材料	长（mm）	宽（mm）	厚（mm）
				PZT-4压电陶瓷片	30	10	0.5
磷铜电极片	38	10	0.1
				绝缘片	32	10	0.3

Claims (1)

1.一种模拟流体谐调与失谐行波激振系统，其特征在于：它包括：基础硬件平台和外围测试硬件设备(A)、激励信号发生程序(B)、压电陶瓷动态驱动电源(C)和压电陶瓷激振器(D)；激励信号发生程序在基础硬件平台和外围测试硬件设备上运行，激励信号经连接线从基础硬件平台和外围测试硬件设备上连接至压电陶瓷动态驱动电源，再从压电陶瓷动态驱动电源连接至复数个压电陶瓷激振器，由复数个压电陶瓷激振器的逆压电效应产生行波激振力作用在叶盘实验件上；

所述基础硬件平台和外围测试硬件设备(A)，包括：作为基础硬件平台的带有PCI插槽普通台式计算机(A1)，外围测试硬件设备选用PCI-6723低价位高密度模拟输出卡(A2)及附件(A3)；该带有PCI插槽普通台式计算机(A1)，是给模拟输出卡(A2)以及激励信号发生程序(B)提供一个硬件平台及Windows操作系统平台；该PCI-6723低价位高密度模拟输出卡(A2)，提供了32路模拟输出通道，每条通道均有最高输出速度45KS/S，13位分辨率以及数字触发；该附件(A3)包括一个型号为CB-68LPR的接线板和一条型号为SHC68-68-EPM数据线，数据线实现接线板与数据采集卡之间的连接，实现数据传输；

所述激励信号发生程序(B)，考虑到兼容性，采用虚拟仪器开发平台—LabVIEW图形化编程语言；激励信号发生程序包括:前面板(B1)和程序框图(B2)，该前面板(B1)，包括总体参数设置区，静子参数设置区，波形显示区；该总体参数设置区包括，物理通道选择，信号类型选择，采样数设置，转子数设置，转子转速设置，静子数显示，采样频率显示，停止控件；该静子参数设置区包括，静子位置列向量，静子间幅值列向量，激励基值列向量；该波形显示区包括一个波形图表控件，为了直观观察每一个通道的输出信号，确保输出信号的准确性；该程序框图(B2)，包括各个前面板控件对应的连线端子和函数，常量，连线，这些元素依据LabVIEW的编程原则组合到一起，共同完成所需的信号发生功能；

所述压电陶瓷动态驱动电源(C)，包括三台相同的四通道驱动电源，最多能放大12路输出信号，每一通道驱动电源结构相同，其面板包括一个粗调旋钮，一个细调旋钮，一个信号输入端，两个信号输出端，以及控制本通道连接与否的翘班带灯开关和LED显示灯；

所述压电陶瓷激振器(D)，包括：绝缘片(D1)，磷铜电极片(D2)，PZT压电陶瓷片(D3)，三者叠层分布，绝缘片位于最底端，磷铜电极片位于中间，PZT压电陶瓷片位于最上端；该绝缘片(D1)是矩形片状，由于需要将多个压电陶瓷激振器粘结在整体叶盘结构实验件上，为防止电信号之间的相互干扰，需将压电片与叶盘实验件绝缘，所以在磷铜电极片的另一面即底层粘结了未作极化处理的陶瓷材料绝缘层；该磷铜电极片(D2)是矩形片状，当将压电陶瓷片贴到实验件时，下表面很难引入电源负极，于是用磷铜电极片贴在压电陶瓷片下方，且长度大于压电陶瓷片，目的是方便给压电陶瓷下表面引入电源负极；该PZT压电陶瓷片(D3)是矩形片状，它属于锆钛酸铅压电陶瓷中的常用品种之一。

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