CN108645506A - 基于apd阵列的叶片振动参数测量方法和装置 - Google Patents

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段发阶
程仲海
牛广越
蒋佳佳
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H17/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves, not provided for in the preceding groups

Abstract

本方法涉及旋转动叶片非接触振动测量领域，为提出一种基于APD阵列的叶片振动参数测量方法，主要是为了提高叶尖定时精度及克服信号欠采样的问题。本发明，基于APD阵列的叶片振动参数测量方法和装置：光源发出的光经过光学系统投射到旋转叶片上，叶片通过光学系统成像到APD阵列上，随着某叶片周向位置的改变，叶片成像到不同的APD阵列单元上，进而产生多路多通道的定时脉冲记录叶片处于不同位置的具体时刻，结合转子转速计算获得叶片不同时刻的振动位移，利用速矢端迹法、双参数法、均布法实现叶片振动参数的辨识。本发明主要应用于叶片非接触振动测量场合。

Description

基于APD阵列的叶片振动参数测量方法和装置
技术领域
本方法涉及旋转动叶片非接触振动测量领域，特别是一种基于APD阵列的叶片振动参数测量方法。具体讲,涉及基于APD阵列及叶尖定时原理的叶片振动参数测量方法和装置。
背景技术
在航空发动机、燃气轮机、汽轮机、烟气轮机等大型旋转机械中，动叶片作为核心做功元件，其运行状态参数直接影响设备的工作性能及运行安全，高温下叶片振动参数的在线测量是保证设备工作性能和运行安全的关键。
目前，非接触旋转叶片叶尖定时测振技术是典型的非接触检测方法。叶尖定时原理如图1所示，叶尖定时传感器安装于机匣上，在定子上安装转速同步传感器，当叶片扫过叶尖定时传感器时测量电路产生脉冲信号记录叶片相对转速同步传感器的到达时间。根据测得的叶片到达时间与无振动情况下叶片理论上的到达时间进行比较，结合当前转速，即可获得叶片的振动位移。然后通过上位机程序和相关辨识算法即可计算得到叶片振动频率、幅值等振动参数。
一方面，由于叶尖传感器安装数量的限制，每支叶片旋转一周测量的振动数据有限，叶片的振动频率常常是转速的几十倍，因此，叶片振动位移的测量是一个极度欠采样过程，叶片振动参数辨识有一定难度。
另一方面，传感器的时间分辨率直接关乎叶尖定时测振系统精度。而雪崩光电二极管(APD)阵列由于精度高、抗干扰能力强已成为现在主流的光电探测器件之一。APD阵列探测器兼具单光子探测灵敏度和皮秒级时间分辨率两大特点。同时，由于APD阵列可具有多通道并行测量能力，其阵列中的每个单元都可以作为一路测量通道，可用于非接触旋转叶片叶尖定时测振系统，当叶片扫过传感器时，APD阵列可产生多路定时脉冲，用于叶片到达时间的高精度鉴别。
发明内容
为克服现有叶尖定时测振技术的不足，本发明旨在提出一种基于APD阵列的叶片振动参数测量方法，主要是为了提高叶尖定时精度及克服信号欠采样的问题。本发明采用的技术方案是，基于APD阵列的叶片振动参数测量装置，包括：发射子系统，接收子系统，控制与信号处理子系统；
进一步，发射子系统包括光源和光学系统，光源发出的光经过光学系统投射到旋转叶片上；
进一步，接收子系统包括多路光学系统和APD阵列，每个APD阵列又包含多个APD阵列单元，每个单元作为独立通道接收到光子时可产生电压信号，当叶片扫过传感器时，叶片通过光学系统成像到APD阵列上，随着某叶片周向位置的改变，叶片成像到不同的APD阵列单元上，进而产生多路多通道的定时脉冲记录叶片处于不同位置的具体时刻，设叶片数为n，叶片的旋转半径为R,当第i个叶片经过传感器时，位置相对于转速同步点的夹角为αi，没有振动时夹角为α0，转子转速为Ω；当转速同步信号到达后，叶片i经过叶尖定时传感器的时间为ti,那么αi＝Ω×ti，进而求得振动位移：
yi＝R(αi-α0)。
进一步，控制与信号处理子系统包括传感器驱动与信号处理电路和上位机，传感器驱动与信号处理电路将APD阵列产生的电压脉冲序列进行初步的放大和阈值处理，时刻鉴别，产生可供CPU处理的数字信号，进而通过上位机上内置的速矢端迹法、双参数法、均布法实现叶片振动参数的辨识。
基于APD阵列的叶片振动参数测量方法：光源发出的光经过光学系统投射到旋转叶片上，叶片通过光学系统成像到APD阵列上，随着某叶片周向位置的改变，叶片成像到不同的APD阵列单元上，进而产生多路多通道的定时脉冲记录叶片处于不同位置的具体时刻，结合转子转速计算获得叶片不同时刻的振动位移，利用速矢端迹法、双参数法、均布法实现叶片振动参数的辨识。
本发明的特点及有益效果是：
(1)提高信号采样率，克服叶尖定时系统信号欠采样的不足。系统采用多路APD探测阵列，每个APD探测阵列包含多个单元，当某叶片扫过传感器时每个单元都可产生定时脉冲。若有M路APD阵列，每个APD探测阵列包含N路单元，则对于某叶片来说，每圈即可获得M×N个数据，可极大提高信号的采样率。
(2)提高叶尖定时的精度。传感器采用APD阵列探测器，当叶片扫过传感器，叶片的像投影到APD阵列单元时，可产生皮秒级的定时脉冲。
附图说明：
图1示出基于基于叶尖定时的叶片振动测量原理。
图2示出基于APD阵列的叶片振动参数测量系统框图。
具体实施方式
本发明中，传感器采用APD阵列探测器，以利用其高灵敏度和高定时精度的优点，以提高叶尖定时精度，同时提高采样率，以克服原有系统信号严重欠采样的不足。
为达到上述目标，本发明采取的技术方案是基于APD阵列的叶片振动参数测量系统，如图2所示，包括：
发射子系统，接收子系统，控制与信号处理子系统；
进一步，发射子系统包括光源和光学系统。光源发出的光经过光学系统投射到旋转叶片上。
进一步，接收子系统包括多路光学系统和APD阵列，每个APD阵列又包含多个APD阵列单元，每个单元作为独立通道接收到光子时可产生电压信号。当叶片扫过传感器时，叶片通过光学系统成像到APD阵列上。随着某叶片周向位置的改变，叶片成像到不同的APD阵列单元上，进而产生多路多通道的定时脉冲记录叶片处于不同位置的具体时刻。设叶片数为n，叶片的旋转半径为R,当第i个叶片经过传感器时，位置相对于转速同步点的夹角为αi(没有振动时夹角为α0)，转子转速为Ω；当转速同步信号到达后，叶片i经过叶尖定时传感器的时间为ti,那么αi＝Ω×ti，进而求得振动位移
yi＝R(αi-α0)。
进一步，控制与信号处理子系统包括传感器驱动与信号处理电路和上位机程序。传感器驱动与信号处理电路将APD阵列产生的电压脉冲序列进行初步的放大和阈值处理，时刻鉴别，产生可供CPU处理的数字信号。进而通过上位机程序与内置的“速矢端迹法”“双参数法”“均布法”等目前叶尖定时领域已比较成熟的算法可实现叶片振动参数的辨识。
为克服现有叶尖定时技术的不足，本发明提供一种基于APD阵列的叶片振动参数测量方法，主要解决的技术问题是：
(1)提高信号采样率，克服叶尖定时系统信号欠采样的不足。系统采用多路APD探测阵列，每个APD探测阵列包含多个单元，当某叶片扫过传感器时每个单元都可产生定时脉冲。若有M路APD阵列，每个APD探测阵列包含N路单元，则对于某叶片来说，每圈即可获得M×N个数据，可极大提高信号的采样率。
(2)提高叶尖定时的精度。传感器采用APD阵列探测器，当叶片扫过传感器，叶片的像投影到APD阵列单元时，可产生皮秒级的定时脉冲。
本发明是这样实现的：
本发明中，传感器采用APD阵列探测器，将发射子系统和接收子系统安装固定在转子机匣上或者特定夹具上，搭建好基于APD阵列的叶片振动参数测量系统。
进一步，接通电源，调整传感器安装位置，调试传感器信号；
进一步，开机测试，进行叶片振动参数测量，实时监测。

Claims (2)

1.一种基于APD阵列的叶片振动参数测量装置，其特征是，包括：发射子系统，接收子系统，控制与信号处理子系统；
进一步，发射子系统包括光源和光学系统，光源发出的光经过光学系统投射到旋转叶片上；
进一步，接收子系统包括多路光学系统和APD阵列，每个APD阵列又包含多个APD阵列单元，每个单元作为独立通道接收到光子时可产生电压信号，当叶片扫过传感器时，叶片通过光学系统成像到APD阵列上，随着某叶片周向位置的改变，叶片成像到不同的APD阵列单元上，进而产生多路多通道的定时脉冲记录叶片处于不同位置的具体时刻，设叶片数为n，叶片的旋转半径为R,当第i个叶片经过传感器时，位置相对于转速同步点的夹角为αi，没有振动时夹角为α0，转子转速为Ω；当转速同步信号到达后，叶片i经过叶尖定时传感器的时间为ti,那么αi＝Ω×ti，进而求得振动位移：
yi＝R(αi-α0)
进一步，控制与信号处理子系统包括传感器驱动与信号处理电路和上位机，传感器驱动与信号处理电路将APD阵列产生的电压脉冲序列进行初步的放大和阈值处理，时刻鉴别，产生可供CPU处理的数字信号，进而通过上位机上内置的速矢端迹法、双参数法、均布法实现叶片振动参数的辨识。
2.一种基于APD阵列的叶片振动参数测量方法，其特征是，光源发出的光经过光学系统投射到旋转叶片上，叶片通过光学系统成像到APD阵列上，随着某叶片周向位置的改变，叶片成像到不同的APD阵列单元上，进而产生多路多通道的定时脉冲记录叶片处于不同位置的具体时刻，结合转子转速计算获得叶片不同时刻的振动位移，利用速矢端迹法、双参数法、均布法实现叶片振动参数的辨识。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109813423A (zh) * 2019-02-02 2019-05-28 北京化工大学 一种透平机械叶片振动位移监测方法及装置
CN110319922A (zh) * 2019-07-06 2019-10-11 天津大学 基于叶尖定时原理的叶片扭转振动位移测量方法
CN110702208A (zh) * 2019-10-11 2020-01-17 天津大学 基于自聚焦透镜的光纤束式叶尖定时传感器

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102165292A (zh) * 2008-09-24 2011-08-24 西门子能源公司 利用成像光纤带探头来监测叶片振动的方法和装置
CN103063289A (zh) * 2012-12-11 2013-04-24 华中科技大学 一种脉冲气体激光器腔内风机叶轮扰动测量系统
CN105424160A (zh) * 2015-11-20 2016-03-23 天津大学 实现叶片同步振动参数辨识的方法
US9395182B1 (en) * 2011-03-03 2016-07-19 The Boeing Company Methods and systems for reducing crosstalk in avalanche photodiode detector arrays
CN105973448A (zh) * 2016-02-02 2016-09-28 南京航空航天大学 一种旋转叶片振动测量方法与系统
CN206523220U (zh) * 2016-12-31 2017-09-26 上海华魏光纤传感技术有限公司 一种分布式光纤振动传感系统

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102165292A (zh) * 2008-09-24 2011-08-24 西门子能源公司 利用成像光纤带探头来监测叶片振动的方法和装置
US9395182B1 (en) * 2011-03-03 2016-07-19 The Boeing Company Methods and systems for reducing crosstalk in avalanche photodiode detector arrays
CN103063289A (zh) * 2012-12-11 2013-04-24 华中科技大学 一种脉冲气体激光器腔内风机叶轮扰动测量系统
CN105424160A (zh) * 2015-11-20 2016-03-23 天津大学 实现叶片同步振动参数辨识的方法
CN105973448A (zh) * 2016-02-02 2016-09-28 南京航空航天大学 一种旋转叶片振动测量方法与系统
CN206523220U (zh) * 2016-12-31 2017-09-26 上海华魏光纤传感技术有限公司 一种分布式光纤振动传感系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王化祥 等: "《传感器原理及应用：少学时》", 31 March 2017, 天津大学出版社 *
王宇华 等: "基于光纤技术的叶端定时传感器", 《天津大学学报》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109813423A (zh) * 2019-02-02 2019-05-28 北京化工大学 一种透平机械叶片振动位移监测方法及装置
CN109813423B (zh) * 2019-02-02 2020-05-19 北京化工大学 一种透平机械叶片振动位移监测方法及装置
CN110319922A (zh) * 2019-07-06 2019-10-11 天津大学 基于叶尖定时原理的叶片扭转振动位移测量方法
CN110319922B (zh) * 2019-07-06 2023-10-17 天津大学 基于叶尖定时原理的叶片扭转振动位移测量方法
CN110702208A (zh) * 2019-10-11 2020-01-17 天津大学 基于自聚焦透镜的光纤束式叶尖定时传感器

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